(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210951440.X (22)申请日 2022.08.09 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 黄玲玲　景晓丽　 (74)专利代理 机构 北京正阳理工知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11639 专利代理师 邬晓楠 (51)Int.Cl. G01B 11/24(2006.01) G06T 17/00(2006.01) (54)发明名称 基于超表面全息投影的三维 成像方法 (57)摘要 本发明公开的一种基于超表面全息投影的 三维成像方法， 属于微纳光学、 光学检测和机器 视觉应用技术领域。 本发明通过建立基于超表面 全息投影的三维成像系统， 由于全息投影的图案 化光束包含超表面编码设计的特征图案和激光 光源相干性引入的激光散斑， 且散斑的高度随机 性使特征图案的细节更加丰富， 结合超表面全息 重建图案的特点和三角测量技术， 根据特征图案 的空间偏移和变形恢复物体的三维信息， 获得稠 密的三维重建点云， 实现对待测物体纹理信息不 敏感的主动式三维成像， 具有三维重建精度高的 优点； 基于局部子区的非线性优化和全局连续性 约束， 算法计算量小， 可并行化处理， 不仅能够获 得稠密的三维数据， 而且适用于移动设备等轻量 化计算平台。 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 CN 115493511 A 2022.12.20 CN 115493511 A 1.基于超表面全息投影的三维成像方法， 其特 征在于： 包括如下步骤， 步骤一： 建立基于超表面全息投影的三维成像系统， 所述三维成像系统包括超表面和 采集模组； 所述超表面用于全息投影产生编码的特征图案化光束； 所述采集模组包括采集 镜头和相机， 用于采集经物体反射后的特 征图案； 步骤二： 由于全息投影的图案化光束包含超表面编码设计的特征图案和激光光源相干 性引入的激光散斑， 且散斑的高度随机性使特征图案的细节更加丰富， 结合超表面全息重 建图案的特点和三角测量技术， 基于原始投影图案和经物体反射后获取的图像平面上位置 偏移和变形确定物体深度信息， 基于局部图案自身的全局唯一性确定其空间位置， 获得稠 密的三维重建点云， 实现对待测物体纹 理信息不敏感的主动式三维成像。 2.如权利要求1所述的基于超表面全息投影的三维成像方法， 其特 征在于： 步骤一中， 所述超表面全息投影产生的特征图案化光束具有全局唯一性， 局部的特征图案与图案 其他区域的相关性极低， 该性质用于确定图案的空间位置； 所述超表面全息投影的视场FOV与距离L的关系为： FOV＝L ·NA， 其中FOV是投影视场的 边长， L是投影平面与超表面的距离， NA是超表面全息的数值 孔径； 所述采集镜头和相机构成的采集模组， 其镜头中心与超表面中心的距离为： B＝L/tan α， 其中α 是采集镜 头光轴和镜 头中心与超表面中心连线的夹角； 所述三维成像模组的深度分辨率Δz满足公式： Δz＝B ·f/Δp， 其中f是采集模组中光 学镜头的焦距， Δp是可区分的最小像素尺寸， 因此根据三 维成像系统所需精度要求合适选 择B和f。 3.如权利要求2所述的基于超表面全息投影的三维成像方法， 其特征在于： 步骤二中， 根据特征图案设计由矢量组成的特征描述子， 并通过最小余弦距离确定特征点的对应位 置； 在此基础上， 基于局部空间连续性， 设计优化目标(如式1所示)和非线性优化算法， 获得 图像平面上亚像素点的空间位置对应关系， 并获得更加稠密的三维点云信息； 其中， 式(1) 的f(x,y)和g(x,y)分别对应于参考图像和拍摄图像， u*(x,y)是待求解的最优变形场， 最优 变形场需满足是参考图像在每个子区域Ωi中经子区域变形场ui(x,y)变换后与参考图像相 差最小， 且 满足在整个空间上 连续约束Fc； stFc(ui(x,y)),         (1) 4.如权利要求3所述的基于超表面全息投影的三维成像方法， 其特征在于： 所述轻量化 的三维重建算法中， 原始投影图案由基准平面事先拍摄得到并存储， 只需要两幅图片的存 储量即能够实现所述 三维重建算法， 满足轻量 化的要求。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115493511 A 2基于超表面全 息投影的三维成像方 法 技术领域 [0001]本发明涉及一种基于超表面全息投影的三维成像方法， 属于微纳光学、 光学检测 和机器视 觉应用技 术领域。 背景技术 [0002]三维信息作为描述真实物理世界的关键手段， 是当今信息获取技术中的重点对 象， 在光探测、 自动驾驶、 人机交互和机器视觉等领域中应用十分广泛。 其中三维信息获取 技术分为主动 成像技术和被动成像技术， 其中被动 成像技术无法处理弱纹理的目标物体， 且易受环境影响导致精度 受限， 因此主动 成像技术在 复杂真实场景中的应用越来越多。 随 着主动成像技术的广泛应用前景， 近年来结合超表面等微纳器件的新型硬件结构以小 型化 高集成的优点逐渐显现， 这 为三维成像技 术的硬件升级提供了 十分明朗 的发展方向。 [0003]超表面是一种亚波长尺寸的平面光学元件， 具有灵活的光场调控能力， 超表面的 主动点云投射其物理实现是通过激光与超表面的光场调制和传播 实现的， 本质是基于衍射 理论的全息再现以实现投影。 然而， 结合基于超表面的点云投射和三维成像技术还面临着 诸多问题尚未解决。 超表面点云投射器的三维成像系统整体参数设计与精度分析， 是解决 三维成像系统工程化设计的首要工作， 用于实现面向应用对 象的定制化设计和标准化； 除 此之外， 投射图案化光束的物理特点与三维重建的数学算法设计， 基于衍射光学理论开发 具有可泛化通用性的计算框架将有助于该技术的大规模应用； 同时面向轻量化计算平台的 系统少参数存储设计等问题， 可用于解决工程硬件的实际问题， 实现移动设备等平台的生 物识别技术升级。 发明内容 [0004]本发明的主要目的是提供一种基于超表面全息投影的三维成像方法， 由于全息投 影的图案化光束包含超表面编 码设计的特征图案和激光光源相干性引入的激光散斑， 且散 斑的高度随机性使特征图案的细节更加丰富， 结合超表面全息重建图案的特点和三角测量 技术， 根据特征图案的空间偏移和变形恢复物体的三 维信息， 获得稠密的三 维重建点云， 实 现对待测物体纹理信息不敏感的主动式三 维成像。 具有如下优点： (一)、 基于三角测量的几 何模型和 三维重建的算法精确度， 建立有效的三维成像系统参数与性能的数学关系， 提供 通用化的系统配置技术路线； (二)、 充分利用图案化光束的空间特点和散斑特征， 实现高精 度亚像素的配准精度， 具有三 维重建精度高的优点； (三)、 基于局部子区的非线性优化和全 局连续性约束， 算法计算 量小， 可并行， 可作为 通用性算法跨平台使用。 [0005]为了实现上述目的， 本发明采用如下技 术方案： [0006]本发明公开的基于超表面全息投影的三维成像方法， 包括如下步骤： [0007]步骤一： 建立基于超表面全息投影 的三维成像系统， 所述三维成像系统包括超表 面和采集模组。 所述超表面用于全息投影产生编码的特征图案化光束。 所述采集模组包括 采集镜头和相机， 用于采集经物体反射后的特 征图案。说　明　书 1/5 页 3 CN 115493511 A 3