基于立体匹配技术的数字全息三维形貌重构

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1、万方数据VIll弘驸弱『：¨●～一～●～一～一～一～一～●～一～明一书声～诺性～承●____■●．i创～信独～诚文明文论声论位权位学授学学用学大使大范文范师论师江位江浙学浙万方数据1．1数字全息术概述●1绪论数字全息术思想早在1967年由J．W．Goodman和R．W．Lawrence提出【l】，其原理是在D．Gabor光学全息术【2】基础上，用电子成像器件代替光学感光材料记录全息图干涉条纹，然后再利用计算机进行模拟再现。1971年由T．Huang[3]得到实验证实。在20世纪90年代之前，由于受到光电耦合器件和计算机处理速度的影响，使得这项技术一直没

2、有重大的进展。90年代中后期，由于光电成像器件的完善及计算机相关技术的开发，对数字全息术的研究进入了一个蓬勃发展的阶段。1．1．1数字全息术特点和应用数字全息术与光学全息术都利用了光的干涉和衍射现象。不同之处在于：在全息图记录和再现过程中，光学全息术使用全息干版来记录全息图，然后通过光路再现物光场；而数字全息术使用光电成像器件来记录全息图，用计算机数值模拟再现物光场。对于两者在记录和再现方面的不同，使得数字全息术具有以下的特点：(1)数字全息术在记录过程中主要采用CCD等光电成像器件来记录全息图，不仅避免了化学湿处理的过程，而且光电成像器件具有可控制的

3、曝光时间、较高的灵敏度。另外，还可以降低对系统稳定性的要求。(2)在全息图再现时，数字全息通过计算机模拟再现，该过程不但可以实现实时测量和分析，还可对数字全息图进行图像处理。(3)由于数字全息利用计算机模拟再现，所以一个最大的特点是可以定量得到物光场的振幅信息和相位信息，进一步可对物体的三维形貌进行定量测量。基于上述数字全息术的种种特点，使得在某些领域的应用相当广泛，如应用于三维面形检测、三维物体的识别、数字全息术的加密、数字全息显微术等多方面。随着光电成像器件的逐步完善，数字全息术将涉及更多的应用领域。万方数据1绪论1．1．2数字全息三维重构研究现状

4、三维形貌的检测在诸多研究领域中都具有举足轻重的作用。数字全息术具备安全无损伤、非接触、高分辨率和快速处理成像等优点141151161，使其在物体的三维形貌测量中显示出独特的优势。目前，利用数字全息术重构物体三维形貌的方法，国内外学者做了很多的研究工作。在国外，瑞士的E．Cuche等人于1999年利用一张全息图，通过数值计算得到了活体细胞的相位分布，取得了物体的三维形貌[7118]。2005年，美国的M．K．Kim研究小组利用角谱重现算法获取了血细胞的三维信息【9】【lo】【ll】。2006年：2007年，意大利的P．Ferraro等人利用横向剪切重建法

5、对生物细胞以及MEMS系统的三维成像进行了测量[12]113]。2010年，T．Colomb等人对双波长数字全息和双波长相位解包裹算法进行了研究和分析，并搭建了双波长数字全息实验系统，测量了五级阶梯的三维形貌114][15]。另外，还有Pentland提出了从不同模糊程度的一系列图像中获取深度信息，恢复物体三维形貌的方法[161。Pedrini．G提出了检测微结构物体三维形貌的短相干数字全息【17】。在国内，天津大学的张以谟等人提出了数字显微像面全息术，实验中用分辨率板作为样品，实验结果表明此项技术可用于测量微观物场【18】。昆明理工大学的钱晓凡等研究

6、小组设计了气套基于相移技术的数字全息重构细胞相位的实验系统【19】，对洋葱细胞的相位进行测量，实现了三维形貌的重建。南开大学的袁操今、翟宏琛等人对短相干数字全息术作了相关研究，以反射型微小物体为样品进行实验研究，实现了物体三维形貌的测量f20】。北京工业大学的江竹青等人搭建了一套双波长数字全息的实验系统，获得了相位型凹槽的三维形貌【2l】。另外，浙江师范大学的马利红等人结合数字全息术和计算机视觉理论的特点，利用聚集度算法获取了数字全息的三维再现像【捌。1．2基于立体视觉理论的三维面形测量技术简介随着微机电系统、微光学元件、材料科学的迅速发展，在很多领域

7、对物体三万方数据1绪论维面形的检测变得越来越重要。三维面形检测的方法有很多，这里主要介绍基于立体视觉理论的三维面形测量技术，希望从立体视觉理论的角度来实现数字全息再现像的三维重构。1．2．1立体视觉理论Roberts于20世纪60年代开展了所谓“积木世界”的研究工作【23】，借助计算机编程获取了多面体的三维结构，并且给出了物体形状与空间位置的关系，这一工作对立体视觉的研究起了推动作用。1977年，Marr教授提出的Marr视觉理论【241更是创造了计算机视觉领域中的一项巨大成就，使计算机视觉得到进一步的发展。计算机视觉主要是借助计算机来恢复物体真实的三

8、维场景，采用多种方法相结合的方式，对一幅或多幅图像进行分析和处理，以此实现人的视觉功能。立体视