超越点对点三角测量全局照明下的动态三维成像

三维测量技术作为“工业的眼睛”，为高端精密制造提供全面、准确、可靠的三维信息，结构光投影等光学测量方法已广泛应用于工业检测、智能装配、先进制造、材料分选等各个领域。

这些方法基于三角测量原理，依赖于传统几何光学“点对点”成像概念。因此，它们通常仅限于直接照明条件的场景。

随着制造工艺的演进和智能应用场景的增多，测量任务的需求正从简单环境下的静态三维测量，转变为复杂混合环境下的高精度动态测量。例如，在工业检测和智能装配中，测量通常涉及各种反射面。

挑战包括金属或镜面表面相互反射引起的多路径间接照明，以及玉石、冰、皮肤和蜡等混合表面的次表面散射。同样，先进制造和材料分类需要通过复杂的传输介质进行动态3D测量。

例如，金属增材3D打印成型状态的实时监测必须应对体积散射间接照明，而在材料分类中对半透明表面内的物体的快速识别和分类则涉及多路径直接/间接照明，如图1所示。所有这些具有挑战性的照明条件统称为全局照明。

全局照明下，光的传播路径破坏了传统成像模型所要求的“点对点”单次反射条件，常规三维测量方法的直接应用可能会因深度编码信息的混入或丢失而失败，大大限制了现有测量技术的适用场景。

多尺度并行单像素成像

为此，提出了一种具有深度约束局部化的傅里叶双切片投影，以有效分离和利用不同的照明和反射成分，这可以显著减少每个序列中的投影模式数量从数千个减少到15个，如图2(a)所示。

随后，在提出并证明的位置不变定理的基础上，提出了多尺度并行单像素成像(MS-PSI)，打破了局部区域假设，实现了动态三维重建，如图2(b)所示。

结果

与传统结构光方法不同，所提出的MS-PSI方法不再受点对点三角剖分规则的限制，打破了现有PSI方法的区域光接收假设，通过记录四维光传输系数，为分离复杂的照明信息(包括次表面散射、相互反射、多层叠加和薄体积散射介质)提供了一种高效且通用的解决方案。

实验结果为复杂光场反射和传输条件下的动态三维重建奠定了基础，有利于先进制造、自动驾驶和生物医学成像中的成像和传感应用。