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三维成像技术及其应用
其他题名Three Dimensional Imaging Technology and Applications
李托拓
学位类型工学博士
导师耿征
2013-11-22
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业控制理论与控制工程
关键词计算三维采集 计算三维显示 光场三维显示 基于图像引导的放疗技术 Computational 3d Image Acquisition Computational 3d Display Light Field 3d Display Image Guided Radiotherapy
摘要视觉是人类获取信息最重要的方式。随着电子信息技术的发展,图像采集和显示技术逐渐成为人类视觉信息获取过程中的重要载体,图像采集和显示技术极大的拓展了人类的视野,使得我们可以看到很多无法直接用肉眼观察的场景,如遥远的星系,微观世界或者穿透表面看到身体的内部。现实的物理世界是三维的,现有的二维图像采集及显示技术无法记录和重现出场景的三维深度感。三维采集与三维显示技术可以突破二维采集及显示技术的缺陷,真实的记录和重现出三维场景,使得通过采集和显示技术传递的信息更加真实直观,因此具有重要意义。 三维采集和三维显示技术是三维成像技术的两个重要分支,和三维信息的处理形成一个有机的整体。三维显示技术需要三维采集获取的三维图像作为内容,而三维采集获取的三维图像需要使用三维显示技术才能够准确重现。本文主要围绕三维成像技术展开研究,首先对现有的三维采集和显示技术及其原理进行简要介绍和分析。在这些现有的技术基础上,本文实现了几种不同的三维采集和三维显示技术,并且对三维采集技术在临床医学上的应用进行一些探索。 本文所实现的三维采集系统包括主动三维采集系统,基于内窥镜图像的被动多视重构系统以及计算光场采集系统。实时主动三维采集系统中将结构光与双目视觉系统进行结合,通过亚像素精度的实时双目图像匹配算法,实现对场景的高精度实时重构。基于内窥镜图像的三维重构系统通过对图像序列使用运动场景恢复算法,多视稠密点云重构算法和表面重构算法,实现了基于单目内窥镜图像序列的管道场景三维重构。计算光场采集系统则通过压缩感知的方法,从光场的随机采样数据中恢复出光场图像。 本文对几种三维显示技术也进行了深入的研究,实现了从实时三维采集到体三维显示的过程,并且开发了一套多视三维光场显示系统和一套多层液晶计算三维显示系统。结合三维采集技术和体三维显示,将三维采集得到的三维数据实时传输到体三维显示系统,实现了对场景的实时采集和显示。多视三维光场显示则是通过使用多投影仪对垂直散射膜进行投影实现。本文对多视三维光场显示使用光场的平面表示方法进行推导,并提出基于着色语言直接渲染产生多投影光场图像算法。通过对多层LCD计算光场显示的成像模型进行分析,本文推导出一种多变量迭代算法,并使用GPU实现了从光场图像到多层LCD显示 图案的实时处理。 本文还对三维图像采集技术在医学上的应用展开了一些研究。在放疗过程中使用主动三维成像技术对患者身体进行三维采集,可以得到患者的身体位置及运动信息,这些信息对于放疗过程的准确安全性具有重要的意义。 本文的主要工作及贡献有: 1. 三维采集技术 提出一种基于局部线性化反馈的投影仪相机系统自标定方法。 实现了一套基于结构光的实时高精度三维成像系统。 实现了基于内窥镜的准实时运动相机三维重构系统。 实现了基于压缩感知的光场采集。 2. 三维显示技术 实现了实时三维采集到实时体三维显示。 从光场函数的角度揭示了多视光场显示的原理,并且提出了基于着色语言的多视三维投影图像生成算法。 推导出基于计算的多层液晶显示迭代解法,并...
其他摘要Vision is the most important source of information for human beings. With advances in electronic and information technology, the importance of Image acquisition and Display technology in conveying information to our vision system is ever prominent. Image acquisition and display technology have greatly extend our vision, enabling us to see things that can’t be seen with naked eye, such as distant galaxy, micro world and the ability to see though our own body. However, the physical world that we are living in is a 3D world, while the traditional 2D image acquisition and display technology have limited our perception capability. The emerging 3D Imaging and 3D Display technology break the limits of traditional 2D imaging and display technology, greatly enhance our ability in information acquisition and comprehension. 3D image acquisition and display technology are two major branches of 3D imaging technology and they are an inseparable whole. 3D images acquired with 3D image acquisition are the major source of content for 3D display, while the acquired 3D images can’t be accurately presented without 3D display. There already exist several different types of 3D image acquisition and 3D display technologies. Based on existing works, we developed several 3D imaging systems and 3D display systems and investigated the possibility of applying 3D imaging technology in some clinical applications. Several different attempts to 3D image acquisition are presented in this work, which include an active 3D image acquisition system, a passive 3D reconstruction system for endoscope images and compressive light field imaging. The active 3D image acquisition system consists of a projector and a pair of cameras. Using a GPU based sub-pixel matching algorithm, it can perform real-time 3D image acquisition with high accuracy. The passive 3D reconstruction system uses shape from motion and bundle adjustment to recover scene structure, and then uses patch based multi view stereopsis to generate dense 3D point cloud. Surface mesh can be generated from the point cloud with Poisson surface reconstruction technique. The light field imaging system starts with sampling the light field randomly, by using l1 minimization and an over-complete light field dictionary, the light field can be restored. We also developed several different 3D display systems which include a multiview 3D light field display and a computational multi-layer LCD 3D display. The multi-view 3D light field display c...
馆藏号XWLW1949
其他标识符200918014628031
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6562
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
李托拓. 三维成像技术及其应用[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院大学,2013.
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