透明物体非侵入式三维重建方法综述

MEMS 2024-12-04 00:01

撰稿人:高楠

论文题目:透明物体非侵入式三维重建方法综述(特邀)

作者:高楠,王鹏程,刘泽圳,倪育博,孟召宗,张宗华

完成单位:河北工业大学 机械工程学院

导读

玻璃、透镜以及显示屏等透明物体在各个领域有着大量需求和应用,需要快速、精确和完整地对它们进行三维重建,从而客观描述物体形态、检测表面质量和保障元器件功能。但由于透明物体表面的镜面反射和折射特性,传统的三维重建方法并不适合直接应用于其三维形貌测量。为此,概述了透明物体的非侵入式三维重建方法,从基于反射光重建和基于透射光重建两个方面展开,回顾了近年来的主要研究工作。然后,详细比较了各种技术的优缺点及其适用情况,使用者们可以根据不同应用需求和测量条件选择合适的透明物体重建方案。最后,展望了该领域未来的研究方向,希望能为研究人员在完善现有方法或探索新方法时提供参考和思路。

研究背景

透明物体是三维重建中一个具有挑战性的任务目标,但在使用飞行时间法、结构光投影法、光度立体法、立体视觉等传统方法测量其三维形貌时,效果并不好,甚至不能完成重建过程。这是由于透明表面与光线之间存在复杂的相互作用关系、缺乏局部外观、折射参数未知且不均,使得信息获取、特征匹配、数据处理等过程更加困难,从而给透明物体的三维重建带来极大挑战。

近年来,国内外专家和学者已经在该方向上探索出众多解决方案,总体上分为两类:侵入式方法和非侵入式方法。其中侵入式方法在数字化透明物体的过程中涉及对表面的物理干预,会对物体的结构、性质或其他方面产生一定程度的影响。因此,人们研发了各种非侵入式测量系统和技术,通过相机拍摄经透明物体表面反射或折射后的变形图案来恢复三维形貌。这种变形是表面形状、周围背景和照明条件三者共同作用的结果,还需进行大量工作才能从中提取出透明物体的准确外观。根据测量所使用的光学信号类型,本文将其分为基于反射光重建的方法和基于透射光重建的方法,并详细介绍了这两类方法的研究进展。

主要内容

基于扫描的方法依赖三角测量原理完成重建。可见光扫描技术利用透明表面的镜面反射属性,能量、轮廓、法线等附加信息的引入对透明物体三维重建起到了积极的辅助作用。非可见光扫描技术下的一些透明表面拥有类似于可见光范围内漫反射物体的光学属性,不需要根据反射定律调整扫描仪位置,为透明物体三维扫描提供了新途径。但同时会引入昂贵的非可见光生成和成像装置,复杂的校准流程也限制了其应用。

图1  立体激光扫描系统

从偏振恢复形状(Shape From Polarization, SFP)的概念,既可以在独立系统中应用,也可作为对三角测量、变形测量、立体视觉等传统方法的有效补充。前者依次消除天顶角和方位角歧义,计算表面法线,并将其转换为高度图。此类方法仅依赖于偏振提供的弱形状线索,结果容易受到噪声影响,且不能保证可积性。后者试图通过结合其他重建技术消除偏振中的法向量模糊,额外的形状线索可以用来增强偏振。只要入射光不是偏振光,这些方法在室内、室外或图案照明等不同照明条件下也具有相当的鲁棒性和稳定性。目前,解决两种角度模糊导致的法向量歧义仍是透明物体偏振三维成像技术发展的重点和难点,需要进一步研究。

图2 iQPM相位灵敏度提升透明物体的偏振三维成像:(a)测量过程;(b)法向量示意图;(c)基于镜面反射的偏振三维成像偏振度与不同折射率天顶角的关系;(d)光强信息随偏振片旋转角度的变化策略

反射式相位偏折测量术(Reflective Phase Measuring Deflectometry, RPMD)具有动态范围大、灵敏度高、精度高以及全场测量等优点,寄生反射是其面临的主要挑战。抑制后表面反射、空间域分离条纹和频域解耦条纹等方法拥有各自的优缺点,且最多能恢复透明物体的双表面,对于更复杂的物体则束手无策,例如中空或细节特征丰富的透明物体。原则上,图像中的每个反射都可以用来估计产生它们的表面,如果有技术能分离高阶反射信号,那么恢复复杂透明物体的特定表面将不再是一个难题。

图3 寄生反射的原因和现象:(a)寄生反射产生过程;(b)鬼影条纹

透射式相位偏折测量术(Transmissive Phase Measuring Deflectometry, TPMD)是透射性元件波前检测的优选技术,尤其在精密光学制造、光学镜头质量控制、透明材料加工等领域有着广泛应用。此外,还被应用于对整体形貌精度要求不高的缺陷检测,微小划痕、厚度差异和折射率变化都能被检测出来。采用额外信息解耦的方法试图单独考虑每个表面对图案变形的贡献,而应用射线追迹技术的方法通常利用透明物体的整体折射效应进行形状测量。但不论是哪种方法,在面对透明物体复杂的折射特性时,都可能出现形状模糊,移动参考平面或融合不同相机视图对解决这一问题有很大帮助。

图4 透射式计算机辅助光学偏折系统

立体视觉(Stereo Vision)技术则以其高精度和较低的成本,成为处理复杂透明物体的有力工具。使用这种方法的前提是需要通过标定获取不同相机之间的相对位置关系,以实现准确测量。整个系统运行的快慢则由图像采集速度和算法处理效率共同决定,支持满足从即时反馈到详尽分析的多元化应用场景需求。然而,该类技术不得不直面高计算复杂度带来的严峻挑战,一方面要通过大量图像来寻找光线对应关系,另一方面还要匹配不同视角下的图像,从而迭代优化并重构物体表面的精细形态。

图5 各种基于法线一致性约束方法的原理示意图

为了对这些非侵入式方法有一个更清晰的认识,文中从速度、精度、成本、计算复杂度、标定复杂度等多个角度对它们进行对比。

表1 透明物体三维重建方法总结对比

结论

本文旨在提供透明物体三维重建方法的最新和总体概述,特别是非侵入式系统和技术。基于反射光重建的方法利用透明物体的镜面特性,通过获取表面的线性反射场,绕过光线与物体之间复杂的相互作用,能够重建内部复杂、不均匀的透明物体。但需要解决物体内部间接光传输的干扰,以及精确控制和调整光源的位置。基于透射光重建的方法利用位于透明物体后方的面积平面光源来呈现调制图案,其传播光路除了依赖于表面法线外,还会受到折射率影响,能够更好表达透明物体的独特特征。但折射光线路径难以跟踪分析,且需执行额外且严格的约束以解决优化程序中深度法向量的歧义问题。每类方法都有其优缺点,应根据具体应用需求、预算以及对精度、速度和易用性的要求选择合适的技术。

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论 (0)
  • 随着汽车向智能化、场景化加速演进,智能座舱已成为人车交互的核心承载。从驾驶员注意力监测到儿童遗留检测,从乘员识别到安全带状态判断,座舱内的每一次行为都蕴含着巨大的安全与体验价值。然而,这些感知系统要在多样驾驶行为、复杂座舱布局和极端光照条件下持续稳定运行,传统的真实数据采集方式已难以支撑其开发迭代需求。智能座舱的技术演进,正由“采集驱动”转向“仿真驱动”。一、智能座舱仿真的挑战与突破图1:座舱实例图智能座舱中的AI系统,不仅需要理解驾驶员的行为和状态,还要同时感知乘员、儿童、宠物乃至环境中的潜在
    康谋 2025-04-02 10:23 197浏览
  • 文/郭楚妤编辑/cc孙聪颖‍不久前,中国发展高层论坛 2025 年年会(CDF)刚刚落下帷幕。本次年会围绕 “全面释放发展动能,共促全球经济稳定增长” 这一主题,吸引了全球各界目光,众多重磅嘉宾的出席与发言成为舆论焦点。其中,韩国三星集团会长李在镕时隔两年的访华之行,更是引发广泛热议。一直以来,李在镕给外界的印象是不苟言笑。然而,在论坛开幕前一天,李在镕却意外打破固有形象。3 月 22 日,李在镕与高通公司总裁安蒙一同现身北京小米汽车工厂。小米方面极为重视此次会面,CEO 雷军亲自接待,小米副董
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:39 251浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖‍步入 2025 年,国家进一步加大促消费、扩内需的政策力度,家电国补政策将持续贯穿全年。这一利好举措,为行业发展注入强劲的增长动力。(详情见:2025:消费提振要靠国补还是“看不见的手”?)但与此同时,也对家电企业在战略规划、产品打造以及市场营销等多个维度,提出了更为严苛的要求。在刚刚落幕的中国家电及消费电子博览会(AWE)上,家电行业的竞争呈现出胶着的态势,各大品牌为在激烈的市场竞争中脱颖而出,纷纷加大产品研发投入,积极推出新产品,试图提升产品附加值与市场竞争力。
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:49 255浏览
  • 退火炉,作为热处理设备的一种,广泛应用于各种金属材料的退火处理。那么,退火炉究竟是干嘛用的呢?一、退火炉的主要用途退火炉主要用于金属材料(如钢、铁、铜等)的热处理,通过退火工艺改善材料的机械性能,消除内应力和组织缺陷,提高材料的塑性和韧性。退火过程中,材料被加热到一定温度后保持一段时间,然后以适当的速度冷却,以达到改善材料性能的目的。二、退火炉的工作原理退火炉通过电热元件(如电阻丝、硅碳棒等)或燃气燃烧器加热炉膛,使炉内温度达到所需的退火温度。在退火过程中,炉内的温度、加热速度和冷却速度都可以根
    锦正茂科技 2025-04-02 10:13 113浏览
  • 北京贞光科技有限公司作为紫光同芯授权代理商,专注于为客户提供车规级安全芯片的硬件供应与软件SDK一站式解决方案,同时配备专业技术团队,为选型及定制需求提供现场指导与支持。随着新能源汽车渗透率突破40%(中汽协2024数据),智能驾驶向L3+快速演进,车规级MCU正迎来技术范式变革。作为汽车电子系统的"神经中枢",通过AEC-Q100 Grade 1认证的MCU芯片需在-40℃~150℃极端温度下保持μs级响应精度,同时满足ISO 26262 ASIL-D功能安全要求。在集中式
    贞光科技 2025-04-02 14:50 236浏览
  • 引言随着物联网和智能设备的快速发展,语音交互技术逐渐成为提升用户体验的核心功能之一。在此背景下,WT588E02B-8S语音芯片,凭借其创新的远程更新(OTA)功能、灵活定制能力及高集成度设计,成为智能设备语音方案的优选。本文将从技术特性、远程更新机制及典型应用场景三方面,解析该芯片的技术优势与实际应用价值。一、WT588E02B-8S语音芯片的核心技术特性高性能硬件架构WT588E02B-8S采用16位DSP内核,内部振荡频率达32MHz,支持16位PWM/DAC输出,可直接驱动8Ω/0.5W
    广州唯创电子 2025-04-01 08:38 187浏览
  • 提到“质量”这两个字,我们不会忘记那些奠定基础的大师们:休哈特、戴明、朱兰、克劳士比、费根堡姆、石川馨、田口玄一……正是他们的思想和实践,构筑了现代质量管理的核心体系,也深远影响了无数企业和管理者。今天,就让我们一同致敬这些质量管理的先驱!(最近流行『吉卜力风格』AI插图,我们也来玩玩用『吉卜力风格』重绘质量大师画象)1. 休哈特:统计质量控制的奠基者沃尔特·A·休哈特,美国工程师、统计学家,被誉为“统计质量控制之父”。1924年,他提出世界上第一张控制图,并于1931年出版《产品制造质量的经济
    优思学院 2025-04-01 14:02 159浏览
  • 据先科电子官方信息,其产品包装标签将于2024年5月1日进行全面升级。作为电子元器件行业资讯平台,大鱼芯城为您梳理本次变更的核心内容及影响:一、标签变更核心要点标签整合与环保优化变更前:卷盘、内盒及外箱需分别粘贴2张标签(含独立环保标识)。变更后:环保标识(RoHS/HAF/PbF)整合至单张标签,减少重复贴标流程。标签尺寸调整卷盘/内盒标签:尺寸由5030mm升级至**8040mm**,信息展示更清晰。外箱标签:尺寸统一为8040mm(原7040mm),提升一致性。关键信息新增新增LOT批次编
    大鱼芯城 2025-04-01 15:02 232浏览
  • 在智能交互设备快速发展的今天,语音芯片作为人机交互的核心组件,其性能直接影响用户体验与产品竞争力。WT588F02B-8S语音芯片,凭借其静态功耗<5μA的卓越低功耗特性,成为物联网、智能家居、工业自动化等领域的理想选择,为设备赋予“听得懂、说得清”的智能化能力。一、核心优势:低功耗与高性能的完美结合超低待机功耗WT588F02B-8S在休眠模式下待机电流仅为5μA以下,显著延长了电池供电设备的续航能力。例如,在电子锁、气体检测仪等需长期待机的场景中,用户无需频繁更换电池,降低了维护成本。灵活的
    广州唯创电子 2025-04-02 08:34 187浏览
  • REACH和RoHS欧盟两项重要的环保法规有什么区别?适用范围有哪些?如何办理?REACH和RoHS是欧盟两项重要的环保法规,主要区别如下:一、核心定义与目标RoHS全称为《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》,旨在限制电子电器产品中的铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、六价铬(Cr6+)、多溴联苯(PBBs)和多溴二苯醚(PBDEs)共6种物质,通过限制特定材料使用保障健康和环境安全REACH全称为《化学品的注册、评估、授权和限制》,覆盖欧盟市场所有化学品(食品和药品除外),通过登
    张工13144450251 2025-03-31 21:18 165浏览
  • 探针本身不需要对焦。探针的工作原理是通过接触被测物体表面来传递电信号,其精度和使用效果取决于探针的材质、形状以及与检测设备的匹配度,而非对焦操作。一、探针的工作原理探针是检测设备中的重要部件,常用于电子显微镜、坐标测量机等精密仪器中。其工作原理主要是通过接触被测物体的表面,将接触点的位置信息或电信号传递给检测设备,从而实现对物体表面形貌、尺寸或电性能等参数的测量。在这个过程中,探针的精度和稳定性对测量结果具有至关重要的影响。二、探针的操作要求在使用探针进行测量时,需要确保探针与被测物体表面的良好
    锦正茂科技 2025-04-02 10:41 126浏览
  • 引言在语音芯片设计中,输出电路的设计直接影响音频质量与系统稳定性。WT588系列语音芯片(如WT588F02B、WT588F02A/04A/08A等),因其高集成度与灵活性被广泛应用于智能设备。然而,不同型号在硬件设计上存在关键差异,尤其是DAC加功放输出电路的配置要求。本文将从硬件架构、电路设计要点及选型建议三方面,解析WT588F02B与F02A/04A/08A的核心区别,帮助开发者高效完成产品设计。一、核心硬件差异对比WT588F02B与F02A/04A/08A系列芯片均支持PWM直推喇叭
    广州唯创电子 2025-04-01 08:53 228浏览
  • 职场之路并非一帆风顺,从初入职场的新人成长为团队中不可或缺的骨干,背后需要经历一系列内在的蜕变。许多人误以为只需努力工作便能顺利晋升,其实核心在于思维方式的更新。走出舒适区、打破旧有框架,正是让自己与众不同的重要法宝。在这条道路上,你不只需要扎实的技能,更需要敏锐的观察力、不断自省的精神和前瞻的格局。今天,就来聊聊那改变命运的三大思维转变,让你在职场上稳步前行。工作初期,总会遇到各式各样的难题。最初,我们习惯于围绕手头任务来制定计划,专注于眼前的目标。然而,职场的竞争从来不是单打独斗,而是团队协
    优思学院 2025-04-01 17:29 250浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦