Smart Computational Imaging (SCI) Lab
智能计算成像实验室

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【南京理工大学研究生教育】榜样领航,奋励有为丨优秀研究生学位论文“微展” ㉝

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发表时间:2024-07-19 17:35来源:南京理工大学研究生教育网址:https://mp.weixin.qq.com/s/KD6fZou5KJJnd2hvQGEDYQ


学校研究生教育坚持以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,深入落实党的二十大精神,全面贯彻党的教育方针,围绕“工程精英、社会中坚”人才培养定位,以“立德树人、服务需求、提高质量、追求卓越”为主线,深入推进研究生教育改革,不断提升拔尖创新人才自主培养质量。

学位论文质量作为衡量研究生教育质量的重要标准之一,是研究生科学研究能力和水平的集中体现,也是其理论基础和专业知识素质的综合反映。为充分发挥优秀学位论文的示范引领作用,激励我校研究生聚焦国家重大战略开展高水平、创新性科学研究,营造“矢志创新,追求卓越”的高质量学位论文发展氛围,研究生院推出“榜样领航,奋励有为”主题优秀研究生学位论文及国家一级学会优秀论文“微展”活动,将向广大师生分期展示我校获评的2023年江苏省优秀博士硕士学位论文、国家一级学会优秀论文(选编)的风采。


论文题目

基于结构光投影的高速小型化全方位三维测量技术与应用研究


作       者:    尹维

指导老师:   左超


获奖名称

第八届中国光学工程学会创新论文奖

作者简介

尹维,2022年毕业于南京理工大学光学工程专业,获工学博士学位。现就职于南京理工大学电子工程与光电技术学院,副研究员。目前主要从事光学三维成像的技术研究与系统应用,主持科技部国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金青年基金、博士后特别资助(站中)和面上项目等。以第一作者在Opto-Electron. Adv.、ACS Photonics、Sci. Rep.、Opt. Express、Opt. Laser Eng.等期刊上发表学术论文11篇,获中国授权发明专利13项。入选2023年度全球前2%顶尖科学家“年度影响力榜单”、江苏省卓越博士后计划,获第九届中国光学工程学会技术发明一等奖、第二届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜银奖、江苏省三好学生等。


导师简介

左超,教授、博士生导师。南京理工大学智能计算成像实验室(SCILab: www.scilaboratory.com)学术带头人、南京理工大学智智能计算成像研究院首席科学家。研究方向为计算光学成像与光信息处理技术。发表SCI论文200余篇,其中40余篇论文被选作Light、Optica等期刊封面论文,20余篇ESI高被引/热点论文,论文被引超过15000次。国际光学工程学会/美国光学学会/英国物理学会会士(SPIE/Optica/IOP Fellow),连续入选科睿唯安全球高被引科学家。


背景介绍

研究对象

针对传统结构光投影方法在测量精度、测量速度、测量范围以及系统小型化等方面存在的不足,开展理论与应用研究。


研究方法

将结构光投影技术与多视角几何约束、立体视觉、深度学习等技术相结合,以高效相位展开、高精度散斑匹配与全方位形貌测量为视角,研究高速、小型化与全方位三维测量应用系统设计与方法。


研究目标

1. 针对时间相位展开方法在测量精度与测量效率上难以兼容的问题,分别对多频法和数论法进行算法优化;

2. 针对立体相位展开方法在测量精度与测量稳定性上难以兼容的问题,对复合立体相位展开进行算法优化;

3. 针对基于单帧散斑投影的快速三维测量方法存在的测量精度较低的问题,对立体匹配算法的匹配精度与计算效率进行算法优化与系统设计;

4. 针对传统测量系统无法同时实现三维全方位形貌测量的问题,对基于平面镜的全方位三维测量方法进行算法优化与系统设计。


主要工作

1. 首次将深度学习引入时间相位展开,提出了基于深度学习的多频相位展开方法,有效提升了高频相位展开性能。

图1 基于深度学习的多频相位展开方法


2. 提出了基于优化复合编码的立体相位展开方法。仅用4幅复合条纹图案即可展开64周期的条纹相位,实现了精度为61.73 μm、速度达5000 FPS的高速三维测量。

图2 A4纸撕裂的高速三维重建结果


3.研制了基于红外散斑投影的小型化单目三维传感器,在桌面计算机和移动处理平台上分别以75 FPS和15 FPS实现了精度为1.277 mm的快速大视场单帧三维成像。

图3 基于红外散斑投影的小型化单目三维传感器


4.提出了基于平面镜的高精度全方位三维测量方法,建立了多视角三维成像模型及其快速、准确标定方法,实现了精度为65.12 μm的全方位三维测量。

图4 基于平面镜的高精度全方位三维测量方法


主要创新点

1.分别提出了基于深度学习的多频相位展开方法和基于几何约束的数论相位展开方法,有效提升了传统多频法与数论法的相位展开成功率,仅用6幅条纹实现了周期分别为64与51的包裹相位无歧义展开。

2.提出了基于优化复合编码的立体相位展开方法,提升了立体相位展开的稳定性,仅用4幅复合条纹实现了周期为64的高速三维测量;提出了基于深度学习的复合立体相位展开方法,在1幅散斑图的辅助下实现了周期为57的单帧条纹相位无歧义展开。

3.提出了基于深度学习的单帧散斑投影三维测量方法,有效提升了散斑匹配精度,实现了精度为110 μm的单帧三维测量;设计了基于红外散斑投影的小型化单目三维传感器,在移动处理平台实现了快速大视场单帧三维成像。

4.提出了基于平面镜的高精度全方位三维测量方法,研制了基于平面镜的单帧全方位婴幼儿头颅检测系统,实现了被动式单帧全方位三维头颅测量,可为婴幼儿头颅畸形诊断与医学矫正提供数据支撑。


在读期间科研成果

读博期间以第一作者身份发表期刊论文6篇,申请或授权中国发明专利13项。代表性成果如下:

[1] High-speed 3D shape measurement using the optimized composite fringe patterns and stereo-assisted structured light system. Optics Express. 2019. (SCI、Google Scholar引用112次)

[2] Temporal phase unwrapping using deep learning. Scientific Reports. 2019. (SCI、Google Scholar引用138次)

[3] Calibration method for panoramic 3D shape measurement with plane mirrors. Optics Express. 2019. (SCI、Google Scholar引用41次、封面论文)


复审 | 左超

终审 | 徐峰



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