一种提高三维成像深度测量分辨率的方法研究

摘要

随着光电子技术和计算机技术的发展，三维成像技术成为当前科技领域的热点之一，是科技工作者所关心的重要的前沿课题。三维成像技术旨在通过非接触的途径获取目标物体表面在三维空间中的坐标信息，尤其是深度信息。近十年来它得到了较快的发展，应用领域也越来越广泛，如计算机三维视觉、行走机器人、人体面部及物体三维成像等。随着现代科技的发展和生活水平的提高，上述高科技领域对三维成像的参数指标也提出了更高的要求。 提高光飞行时间(TOF)三维成像技术水平，其中一项重要的指标就是提高深度测量分辨率。从光电信号处理角度出发，经分析，深度测量分辨率与信号通道带宽相关，带宽越窄，分辨率越高，就是要设计出合适的窄带滤波器。 本论文提出了一种明显提高深度测量分辨率的方法。应用差频模拟锁相环(APLL)专用集成电路KD080H，设计制作出一种环路噪声带宽小于1Hz的晶体分频APLL窄带滤波器，并成功用于TOF三维成像系统。实验表明，深度测量分辨率优于0.5mm，比应用50Hz带宽的MAX275有源滤波器提高平方根50倍。现在流行的各种三维成像技术深度测量分辨率最高5mm，与它们相比我们的设计明显高出一筹。 测量速度和深度测量分辨率之间存在相互制约。实际应用时，应根据三维成像使用场合，选择合适的测量速度，从而确定最小光电信号通道带宽。但是在人像采集、文物成像等静态物体高分辨率三维信息获取领域，我们的设计就有相当高的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章TOF三维成像基本原理

2.1 TOF测距方法获得深度地图象素的原理

2.2光飞行时间的测量方法

2.2.1填脉冲方法

2.2.2 TDC方法

2.2.3四点法(Four-bucket Algorithm)

2.3两维图像的获得——CCD与CMOS图像传感器

2.4本项目组设计的TOF三维成像光电系统

2.4.1 LED阵列TOF三维成像光电系统

2.4.2 DMD-TOF三维成像光电系统

第三章TOF三维成像系统中的光电信号处理

3.1提高三维成像技术水平的关键

3.2常用的模拟信号滤波器

3.2.1低通滤波器

3.2.2巴特沃兹滤波器

3.2.3高通滤波器

3.2.4带通滤波器

3.2.5带阻(陷波)滤波器

3.2.6窄带滤波器

3.3模拟锁相环

3.3.1模拟锁相环的构成

3.3.2模拟锁相环的工作原理

第四章关键技术与创新——应用晶体分频模拟锁相环明显提高深度测量分辨率

第五章实验、结果和讨论

5.1实验电子线路

5.2实验装置图

5.3实验光路图

5.4实验测量流程

5.5实验结果

5.5.1分辨率

5.5.2测量范围与线性度

5.5.3采样时间

5.6对实验一些关键问题的讨论

5.6.1测量速度和光电信号通道带宽的关系

5.6.2处理电路带宽和光电信号SNR(信噪比)的关系

5.6.3测量速度和深度测量分辨率之间的制约

5.6.4权衡测量速度和深度测量分辨率的方法

5.7其它关键技术分析

5.7.1 AGC(Automatic Gain Control)电路

5.7.2同频泄漏干扰抑制

第六章总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文