獲取一個(gè)物體的三維數(shù)據(jù)，需要多長(zhǎng)時(shí)間?南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院85后年輕教授的最新科研成果，一秒鐘可以獲取5000幅三維數(shù)據(jù)，捕捉到人眼都無(wú)法察覺的瞬間形態(tài)。
上個(gè)星期，左超在實(shí)驗(yàn)室展示了他的快速三維光學(xué)傳感技術(shù)。只見一個(gè)小型光學(xué)投影裝置、幾臺(tái)高速攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，當(dāng)物體一放到這臺(tái)成像系統(tǒng)前，顯示器上就立刻出現(xiàn)了該物體的三維影像。
“就在剛剛那一秒的瞬間，我們的光學(xué)儀器已經(jīng)向物體投射了兩萬(wàn)次變換的光學(xué)圖案，并利用高速攝像機(jī)進(jìn)行同步拍攝，最后由這些圖像重構(gòu)了5000幅的三維圖像。”左超介紹，之所以能達(dá)到如此高的三維成像速度，秘訣在于他們所用的光學(xué)投影系統(tǒng)以及三維重建的方法。
他解釋，三維數(shù)據(jù)的獲取主要有3個(gè)步驟，將結(jié)構(gòu)光投影到待測(cè)物體上，通過(guò)照相機(jī)拍攝圖像，再通過(guò)圖像重構(gòu)三維數(shù)據(jù)。“目前現(xiàn)有技術(shù)，一秒鐘最多只能向物體投射數(shù)十幅結(jié)構(gòu)光，而我們的技術(shù)可以達(dá)到兩萬(wàn)幅。”他介紹，這個(gè)突破借助了他們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)字微鏡陣列投影系統(tǒng)，在一個(gè)1厘米見方的平面上，設(shè)置了百萬(wàn)個(gè)角度可變的小鏡子，拍攝過(guò)程中，這些小鏡子能實(shí)現(xiàn)快速翻轉(zhuǎn)，從而達(dá)到光學(xué)圖案的快速切換。
在圖片的利用、三維數(shù)據(jù)的重建上，他們也突破了瓶頸。“以往的算法，需要十余幅圖像甚至更多才能重構(gòu)一次三維數(shù)據(jù)，而我們的新算法最少僅需3幅。瞬間生成的圖像多，重構(gòu)需要的圖像少，這樣一來(lái)一去，獲得的三維數(shù)據(jù)量大大增加，三維模型就更快速、準(zhǔn)確。”
左超介紹，即便是人眼無(wú)法捕獲的高速運(yùn)動(dòng)中的物體，如正在下落的乒乓球、快速轉(zhuǎn)動(dòng)的電扇葉片，在此系統(tǒng)前都“無(wú)處遁形”，能夠被捕捉到完完整整的三維數(shù)據(jù)。
2011年起，左超在該校陳錢教授的帶領(lǐng)下開始了三維光學(xué)傳感相關(guān)研究工作，并于2012年研發(fā)出了實(shí)時(shí)三維成像系統(tǒng)。“該系統(tǒng)一秒鐘可以實(shí)時(shí)拍攝120幅三維照片，比我們平時(shí)所看的電視機(jī)的刷新頻率都要高5倍，當(dāng)時(shí)這一技術(shù)在行業(yè)內(nèi)已非常領(lǐng)先。而我們最新的技術(shù)又比它快了一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。目前僅有美國(guó)的一所大學(xué)開展同類研究。”
據(jù)悉，這項(xiàng)成果近日發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域的著名期刊Optics Express上，并被選作OSA Image of the Week(美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)周圖)亮點(diǎn)報(bào)道。
“這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用范圍很廣。”左超舉例，比如在線檢測(cè)，流水線上生產(chǎn)出來(lái)的結(jié)構(gòu)零件，即使在運(yùn)動(dòng)著的流水線上，一通過(guò)該儀器，就可以精確獲得其長(zhǎng)、寬、高及體積等，并判斷其尺寸是否達(dá)標(biāo);還可以應(yīng)用到機(jī)器人導(dǎo)航，如機(jī)器人在抓取物體時(shí)，識(shí)別、判斷、抓取等在瞬間完成，不會(huì)造成動(dòng)作不連貫。
值得一提的是，除快速三維掃描系統(tǒng)外，左超和他的研究生們還研發(fā)出了具有全自動(dòng)拼接功能的三維掃描儀，物體經(jīng)掃描儀全方位自動(dòng)掃描并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，可在計(jì)算機(jī)中形成三維模型，模型隨即就可送入3D打印機(jī)，打印出一個(gè)一模一樣的立體塑像。
