嚴(yán)建偉

一、引言

為了有效改善TOF類產(chǎn)品的視覺圖像效果， 提高產(chǎn)品的質(zhì)量。本文嘗試通過研究、改善產(chǎn)品中的算法軟件，達到完善圖像處理效果的目的。

二、TOF 技術(shù)和PMD算法的起源及其應(yīng)用

1、TOF 起源及TOF技術(shù)

1607年，意大利科學(xué)家伽利略，通過在相鄰的兩座山的山頭上用燈光閃現(xiàn)接收光源，通過光速測量兩點的距離，這是TOF 技術(shù)的最初起源。TOF （Time of Light）技術(shù)是根據(jù)光在往返過程的傳播時間， 對光源到被測物體之間的距離進行有效測量的技術(shù)。

工作原理概述：激光發(fā)射光源向被測物體發(fā)送連續(xù)光信號。入射光信號在被測物體上產(chǎn)生反射光，利用光、電探測器接收反射光信號，根據(jù)光的傳播速度和傳播時間， 確定光源到被測物體之間的距離。

現(xiàn)代TOF 測量技術(shù)主要分為直接測量和間接測量法兩種，TOF測量技術(shù)主要是連續(xù)波調(diào)制方法和脈沖調(diào)制方法，連續(xù)波調(diào)制方法能夠?qū)崿F(xiàn)諸多不同的調(diào)制、檢調(diào)和檢測方式，并能夠利用頻率調(diào)制方式和幅度調(diào)制方式。連續(xù)波調(diào)制方法中的幅度調(diào)制主要分為單頻調(diào)制和幅度調(diào)頻，利用光發(fā)射信號與接收信號之間的相位延遲和頻率偏移，測量出被測物體到光源的距離。

PMD （Potonic Mixer Device） 是TOF技術(shù)的三維成像系統(tǒng)，能夠?qū)崟r獲取動態(tài)場景的距離信息，PMD算法可以通過正則化算法圖像處理重建，用于提升空間分辯率， 抑制隨機噪聲，實現(xiàn)距離圖像的超分辯率重建。

2、 PMD-TOF 算法工作原理

系統(tǒng)如圖1所示。

◎溫度校正；

◎FPPN （固定相位模式噪聲）校正；

◎計算雙頻距離；

◎自適應(yīng)處理后， 計算雙頻距離；

◎計算三維坐標(biāo)， 按式（15）、（16）和（17）計算坐標(biāo)；

◎有效圖像生成。

4、各類圖像生成

距離圖像又稱為深度圖像，可以矩陣表達方式顯示，距離像素按行列排布，圖像矩陣中任何一點的元素值是表示相機到被測物體之間測量的距離值。三維建模圖像以被測物體為中心來詳細地描述物體所具有的三維形狀。PMD算法在TOF 相機的應(yīng)用， 形成一種新型的3D成像系統(tǒng)，能夠?qū)崟r地獲取距離圖像信息。

（1）雜散光校正

雜散光形成，是成像系統(tǒng)中不需要的噪聲（光），非成像光線所成的像。由像面離焦或由明亮光源呈鬼影一樣的像，由透鏡表面反射形成。視場以外的光線穿越主鏡，以雜散光形式匯聚焦平面，如圖4和圖5所示。

（2）應(yīng)用實例

應(yīng)用PMD 算法，通過LIBSPECTURE和 SDK，對雜散光進行校正處理，如圖6所示。

經(jīng)算法處理雜散光后，圖像如圖7所示。

（3）歧義距離去除

應(yīng)用PMD 算法，通過LIBSPECTURE SDK，修正圖像，如圖8所示。

（4）自動曝光

應(yīng)用PMD 算法， 通過LIBSPECTURE SDK，控制曝光過程，修正設(shè)定相關(guān)參數(shù)和圖像，見公式（18），如圖9所示。

曝光參數(shù)修定前后的圖像比較，如圖10、圖11所示。

（5）多徑干涉

光線會在目標(biāo)場景中多次反射，一個物體不僅會反射相機發(fā)射的調(diào)制光，也會反射來自其他間接路徑的光。多個來源的反射光之間會導(dǎo)致干擾，從而引起深度測量的誤差。這種現(xiàn)象就是大家熟知的多徑效應(yīng)， 影響成像質(zhì)量，如圖12、圖13和圖14所示。

四、算法標(biāo)定和坐標(biāo)確定

1、 標(biāo)定值坐標(biāo)確定

設(shè)定O為TOF 系統(tǒng)（X、Y、Z）坐標(biāo)系中心，0為系統(tǒng)圖像（X，Y）坐標(biāo)系中心， 空間任意物點為P，經(jīng)TOF 系統(tǒng)模組成像后， 在TOF 系統(tǒng)成像坐標(biāo)系（X，Y）中為p點，TOF 系統(tǒng)對亮度圖像的標(biāo)定主要是確定系統(tǒng)內(nèi)外 部參數(shù)和畸變系數(shù)、焦距。如圖像的真實中心坐標(biāo)u0，v0，徑向畸變系數(shù)k1，k2，切向畸 變系數(shù)P1，P2等。通過參數(shù)和畸變系數(shù)，可以準(zhǔn)確獲得TOF 系統(tǒng)坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)系的變換關(guān)系，建立以下模式。TOF系統(tǒng)齊次坐標(biāo)表達為（xc yc zc）T，存在如下數(shù)模關(guān)系，見公式（20）。

2、PMD算法標(biāo)定、環(huán)境和設(shè)備

進行PMD算法標(biāo)定需要如圖18所示的設(shè)備，BOX1為LED box，BOX2為Fiber box。 BOX1 LED box 主要用于透鏡參數(shù)（Lens Parameters）和固定圖像相位噪聲（FPPN）標(biāo)定， LED box 中的標(biāo)板上按規(guī)律布滿 LED 燈，標(biāo)定前需標(biāo)記每個 LED 燈的位置，通過矯正后的透鏡參數(shù)， 計算相應(yīng)三維坐標(biāo)系的參數(shù)。Fiber box 主要用于擺幅（Wiggling）標(biāo)定。 如圖18所示，F(xiàn)iber box 連接 30 根長度不一的光纖，標(biāo)定前需設(shè)定光纖的長度。通過30個不同距離得幅度值，擬成擺幅函數(shù)。

同時完成視場角（FOV）、暗電流和固定模式噪聲（FPN）標(biāo)定測試。

五、結(jié)論

TOF 技術(shù)廣泛應(yīng)用于三維可視化、模式識別、計算機視覺和多媒體等技術(shù)領(lǐng)域，已成為工業(yè)、軍事檢測控制和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域不可缺少的技術(shù)，PMD算法的改進和提高，超分辨率的重建和降噪聲，有效提升圖像質(zhì)量，在圖像處理領(lǐng)域中有一定的科研價值和實用意義。