【《波前编码测距技术在国内外的应用和发展状况文献综述》2700字】

波前编码测距技术在国内外的应用和发展状况文献综述在现阶段，波前编码测距技术最主要也是应用最广泛的领域是在三维成像技术中，三维成像技术又可以分为主动式三维成像和被动式三维成像技术；顾名思义主动式三维成像技术就是由探测器（或者是激光器，照明器件）发出电磁波（可见光或者红外，紫外光）照射被测物体，然后经由相机将被测物体所反射的光中所含有的距离信息测量出来；在主动式三维成像技术中，除了波前编码技术，还有一些其他技术一样能够得到物体的距离信息，例如双目立体视觉成像技术，上个世纪六十年代，由美国MIT学院的Roberts团队就率先完成了对场景物体三维信息的分析[7]，在此基础上，Marr等人于上个世纪80年代结合心理学和数字图像处理等多个学科，阐述了计算机视觉技术，以及之后的Bornard等人将该技术进行高度概括总结，都为这项技术的发展打下了充实的基础.在国内双目视觉技术也得到了各大院校研究机构的重视，在“嫦娥三号”月球探测器上也使用了相关技术，浙江大学机械学院阮晓东等人结合双目视觉技术与透视成像原理，提出了一种无需提供被测物体规律，仅需目标特征点三维坐标进行提取与配准即可[8-11].图1.2双目视觉立体成像原理图而在结构光三维测量成像技术中，主动式波前编码测距技术已经称为主流；所谓结构光，是指通过三角化视差来计算物体的深度.在众多的结构光测量方法中，由于其较高的测量效率和较大的测量范围，编码结构光（又称多线结构光与面结构光）一度成为主流的结构光三维测量技术，在此基础上，应用于编码结构光的编码技术又以灰度编码为主，灰度编码又分为空间、时间两种编码技术；其中，前者于1985年最早由Carrihilla提出[12],而后由于受到环境光和物体本身所具有的纹理特征的干扰，1993年Maruyama提出了垂直条纹二值化编码技术[13]，并由Durdle于1998年提出了由三个灰度作为一个循环周期的周期编码技术[14]这项技术成功解决了稳定性和可靠性的问题并促成了之后混合编码技术的形成.时间编码技术最早由Posdamer提出，后经由Sato结合法国工程师Jean-Maurice提出的格雷码结合减小了误判和报错[15-16],是将多幅编码图像序列按照一定的时序投射到目标表面的，在此基础上，美国Cyberware公司以及日本Roland公司都设计制造相应的产品，通过移动被测量物体或者光学系统获取物品的三维数据，但这种方式也有弊端，例如测量时间长等；在国内，武汉大学的郑顺义团队设计了一套通过相移光栅获取物体三维数据的系统[18].被动式波前编码技术因其光源为自然光源，在景深延拓和图像处理方面有着非常迅猛发展和广泛的应用；但由于光学技术的不断发展，被动式波前编码测距技术的精度和准确度虽然不如主动式波前编码，但被动式波前编码测距和被动式波前编码三维成像技术也都非常成熟，当然这些应用都是基于与主动式波前编码测距原理相同的光学传递函数和原理，而因被动式波前编码相比较于主动式波前编码被动式波前编码因其不需要发射源，因此具有保密性高，体积小，等特点且较为廉价且系统易于维护保养，因此也受到广泛的关注和应用，本篇文章的目的在于着重介绍被动式波前编码测距技术的原理以及双孔径波前编码的光学系统设计，故被动式波前编码测距技术是文章的中心.被动测距系统中被动的含义是指通过物体发射的自然光辐射并借此分析出物体距离；在信息光学中，借助信号与系统的思想我们已经知道，可以将任何一种光学系统看作是空间中的一组滤波器，这个滤波器将空间中物体发射或者反射出的光中所包含的信息过滤出来，并表现在像空间上，波前编码测距是通过在光阑处放置一个特殊的光学掩膜，从而成像系统的光学传递函数进行调制，产生与被测目标距离有关的阵脚传递函数，且传递函数次极大波峰位置取决于被测目标的距离从而实现距离编码[17].波前编码测距与其他传统测距方法例如几何学三角法，光谱测距和图像序列法相比，有着独特的优势，其不需要对物体形状、强度传输特性，以及运动状态进行测定，就可以通过对目标图像强度分布进行频谱分析，估算出物体离焦程度从而推算出距离，并且只需要凭借单探测器，单图像就可完成测距。目前为止已知的被动式波前编码测距方法包括三种类型，其中，光学微分法和零空间波前编码法都受制于机有复杂景深的图像处理从而产生误差，光学微分法需要两幅图像的光强，而零空间法的主要问题是容易出现“频率竞争”问题，即探测交叠物体或非平面物体时存在周期“竞争”.相比较前两者，被动式正交波前编码法既可以从单幅图像中提取出距离信息，又能够防止频率竞争，从而在能够实现测距功能的基础上提高光学系统的鲁棒性.自1995年Dowski和他的团队首先提出波前编码技术开始，在此后的多年间，众多国内外单位对该项技术进行研究，研究方面主要包括：波前编码被动测距，掩模板设计和相差分析，并由类似Olympus和CMD公司将相应技术应用于显微镜中.而利用波前编码技术进行离焦像差的校正则是波前编码在虹膜识别领域中的主要应用.而对于波前编码测距，GregoryE.Johnson和他的团队提出了一种基于余弦振幅掩膜的被动式波前编码测距系统，其距离估计误差小于0.1%；虽然国内对波前编码技术的研究起步较晚，但该技术越来越得到各高校和机构的重视，南开大学的王金刚结合了继承成像和波前编码，湖北航天技术演就演设计所史要涛提出基于相位传递函数判定离焦的方法，华中科技大学的康竞然提出了一种利用波前编码技术改变液体变焦透镜焦距的方法，哈尔滨工业大学的张云泽利用MATLAB对波前编码成像进行相关研究，来自北京遥感设备研究所哈尔冰工业大学的周军团队提出了基于波前编码的大焦深弹载双色宏伟探测系统以及中南民族大学的陈家凤副教授将单孔径扩展到多孔径系统，提高了探测准确度和精度[17-23].被动测距技术最核心的应用还是集中于军事邻域，相关文献数量不多，我国总装备部在“十一五”预研项目中也加入了“光电被动测距系统研究”，于2006年6月完成了MATLAB仿真平台的搭建，并已对波前编码测距原理进行了基本验证.可以看出，无论是在三维图像识别和图像景深处理以及光学系统优化与改进，波前编码作为信息光学的发端，已经开始被广泛地应用到了各种社会生产活动中，并且受到了国家的高度重视.参考文献[1]YuF,JutamuliaS,YinS.IntroductiontoInformationOptics.AcademicPress,2001.[2]JOHNSONGE.Passiverangingsystemsusingorthogonalencoding[D].PhDthesis,USA:UniversityofColorado,2000.[3]EdwardR.Dowski,Jr,KennethS.Kubala,"ModelingofWavefrontCodedImagingSystems",SPIE,2002,4736,116~126.[4]RamkumarNarayamy,AlanE.Baron,etc,"ApplicationofWavefrontCodedImaging",IS&T/SPIEELectronicImaging2004,SanJose,CA,ComputationalImagingII-ProceedingsVol.5299[5]安宁,张秉隆,金建高,李博.应用波前编码技术提高空间相机的稳健性[J].光学学报,2015,35(09):137-142.[6]PaulZammit,GuillemCarlesAndrewR.Harvey.3Dimagingandranginginasnapshot[J].Proc.OfSPIE,2015,963004:1-9.[7]Roberts,L.G.MachinePerceptionofThree-DimensionSolids,In:Tippett,J.T.,etal.,Eds.,OpticalandElectro-OptimalInformationProcessing,MITPress,Cambridge,MA,1965:99-157.[8]MarrD.Vision:AComputationalInvestigationintotheHumanRepresentationandProcessingofVisualInformation[J].TheQuarterlyReviewofBiology,1983,58(2).[9]BoranrdST,FischlerMA.Computionalstereo[J].ACMComp.Survey,1892,4(4):553-572[10]介鸣,尹航,黄显林.月球探测器自主软着陆中的三维重构技术研究[J].宇航学报,2007(04):966-971.[11]阮晓东,李世伦,诸葛良,骆涵秀.用立体视觉测量多自由度机械装置姿态的研究[J].中国机械工程,2000(05):99-101+8.[12]B.CARRIHILLA,R.HUMMEL.ExperimentswiththeIntensityRatioDepthSensor[J].ComputerVision,Graphics,andImageProcessing,1985,32(3):337-358.[13]M.MARUYAMA,S.ABE.Rangesensingbyprojectingmultipleslitswithrandomcut[J].PatternAnalysisandMachineIntelligence,1993,15(6):647-651.[14]N.G.DURDLE,J.THAYYOOR,V.J.RASO.Aninprovedstrucuredlighttechniqueforsurfacereconstructionofthehumantrunk[C].IEEECanadianConferenceonElectricalandComputerEngineering,1998,2:874-877.[15]J.L.POSDAMER,M.D.ALTSCHULER.Surfacemeasurementbyspace-encodedprojectedbeamsystems[J].Computer