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麻省理工学院新技术可提升3D扫描仪精度千倍

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:天工社

2015-12-02 13:44

    近日,麻省理工学院(MIT)媒体实验室的研究人员开发出了一种新的偏振光技术,被称为Polarized 3D。据研究人员称,这种技术能够把一台标准商用3D扫描仪的分辨率提高1000倍。他们认为,该技术不仅比许多高精度的工业级激光3D扫描仪更便宜更好,而且可能实现在智能手机里内置高质量的3D相机以及令人难以置信的高分辨率3D打印,甚至可以将3D扫描仪植入更安全、更敏感的自动驾驶汽车里。

    作为3D建模人员、3D打印爱好者,以及一系列其他相关专业人员的得力工具,3D扫描技术在市场上已经存在了相当长一段时间了。从便宜到昂贵、从方便到精细,各种3D扫描仪都有,有的先进3D扫描仪甚至可以捕获对象的表面纹理、颜色以及光的吸收和反射。但是MIT的Polarized 3D技术却能使廉价的3D扫描仪获得前所未有的高精度,这一影响堪称颠覆性的。

    不过总的来说,此次3D影像方面的突破要得益于偏振光原理以及一个可靠的微软Kinect 3D扫描仪。据研究团队解释称,光的偏振是我们在偏光太阳镜和大多数3D电影系统中都能够看到的物理现象。从本质上讲,它影响了对物理对象的光反射。

    “今天,摄影师会在2D相机上使用偏振滤镜以获得令人惊叹的照片。我们因此 提出了一个问题:如果在一台3D照相机上使用偏振滤镜效果会怎样?答案是,普通商品级的毫米精度深度传感器,可提高到微米级的精度,也就是说将分辨率提升了3个数量级。”研究人员解释说。

    为了将偏振光用于3D扫描,MIT的研究团队创建了一个算法,来利用光的偏振现象准确定位和测量将光反射出的对象。尽管有先进的光计算公式,仅仅靠测量偏振光来计算表面对象的位置显然是很难做到的。但是柳暗花明的是,研究人员发现在大多数视频游戏机上的标准图形芯片能够做到这一点。

    为此,研究人员使用了一台微软的Kinect,并将普通偏光摄影镜头放在镜头前。在每一个实验中,研究人员使用三个不同的滤镜对同一个对象拍摄三张照片,并用他们的算法对所获图像的光强度进行对比。经过多次实验,结果是明确的:原本Kinect的分辨率为1厘米左右,但是通过结合偏振光信息,它可以实现高达100微米的分辨率,是之前的1000倍。

    不过Kinect毕竟是一款消费级的扫描设备,与一台高端的3D扫描仪相差甚远。所以,为了真正验证他们的技术,研究人员对价格高达数千美元的工业级激光扫描仪进行了同样的实验。再一次,Polarized 3D提供了更高的分辨率。

    “今天,已经有人开始将3D相机安装在手机上。”曾经参与过该项目的MIT毕业生Achuta Kadambi说:“但他们牺牲了3D传感能力,导致获得的几何图像十分粗糙。这只是光的偏振现象的一个自然应用,因为你仍然可以使用低质量的传感器,只需要添加一个偏振滤光器就能够使你的装置比许多机加工车间的激光扫描仪还要好。”

    “这项研究融合了两种各有利弊的3D传感技术。”以色列理工学院的电气工程副教授 Yoav Schechner解释说:“一个技术提供了扫描范围内的每个场景像素:这是目前大多数3D成像系统使用的技术。第二个技术则侧重于对象的坡度、局部。换句话说,对于每个场景像素,它去分辨对象的倾斜程度是什么样的……这项研究使得两种技术能够充分弥补各自的不足。”

    关于这项研究的细节信息发表在了一份公众能够获取到的MIT媒体实验室论文集中,其论文题目为《Polarized 3D:利用偏振光信息的高质量深度感知(Polarized 3D: High Quality Depth Sensing with Polarization Cues)》。作者Achuta Kadambi、Vage Taamazyan、Boxin Shi和Ramesh Raskar还将再12月份的计算机视觉国际会议上展示他们的研究成果。

    据了解,这种技术出了能够制造出便宜而又非常精确的3D扫描仪之外,对于当下最新的自动驾驶汽车的发展也有极大的推动作用。研究人员解释说,许多当下的无人驾驶汽车在正常光照条件下表现得十分不错,但是一旦出现雨、雪、雾等天气,它们立即就会变成公路杀手。而在他们对于偏振光系统进行的一些测试中,研究小组能够利用来自上述天气条件中包含着干扰光波的信息来处理光线是如何散射的。“减轻控制场景的散射只是小小的一步。”kadambi,“但是我认为这是解开问题很酷的一步。”