研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的3D方法，可用于以前所未有的高速度跟蹤快速移動(dòng)的物體。這種基于單像素成像的實(shí)時(shí)跟蹤方法可用于改進(jìn)自動(dòng)駕駛、工業(yè)檢查和安全監(jiān)控系統(tǒng)。
中國(guó)清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人耿子涵表示：“我們的方法不需要重建物體的圖像來(lái)計(jì)算其位置，這大大降低了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算成本。”
“具體來(lái)說(shuō)，獲取3D坐標(biāo)僅需要6個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間和2.4µs的計(jì)算時(shí)間。通過(guò)降低計(jì)算成本并提高效率，它可以降低高速跟蹤所需設(shè)備的成本，使該技術(shù)更易于獲取并實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。”
在《光學(xué)快報(bào)》上，研究人員展示了一種比傳統(tǒng)基于視頻的方法快200多倍的跟蹤速度。該跟蹤方法不需要任何先前的運(yùn)動(dòng)信息，并且可以用最少的計(jì)算資源來(lái)執(zhí)行。
“這項(xiàng)技術(shù)可以增強(qiáng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)等技術(shù)的感知能力，改善安全監(jiān)控系統(tǒng)，并為工業(yè)檢測(cè)提供更高效的監(jiān)控和質(zhì)量控制，”耿說(shuō)。“此外，這種高速定位技術(shù)可用于科學(xué)研究，例如昆蟲(chóng)飛行軌跡研究。”
單像素成像是一種計(jì)算方法，使用單個(gè)探測(cè)器而不是傳統(tǒng)的像素陣列來(lái)獲取測(cè)量值。它通常涉及用一系列圖案照亮場(chǎng)景，然后用單像素探測(cè)器測(cè)量相應(yīng)的強(qiáng)度值。
為了創(chuàng)建更實(shí)用的用于物體追蹤的單像素成像系統(tǒng)，研究人員實(shí)施了一種非正交投影方法，該方法比通常使用的正交方法更有效。
這涉及將幾何光圖案投射到兩個(gè)非正交平面上，從而創(chuàng)建用于計(jì)算物體位置的3D坐標(biāo)。非正交投影還可以減小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，使其更易于組裝和實(shí)施。
高速跟蹤
在使用模擬驗(yàn)證了他們的方法后，研究人員使用單像素成像裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該裝置包括用于主動(dòng)照明的532nm激光器、用于創(chuàng)建光圖案的具有20kHz調(diào)制率的數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)和兩個(gè)用于收集光信號(hào)的單像素探測(cè)器。
為了測(cè)試追蹤能力，他們讓一個(gè)帶有中心孔的金屬球在重力作用下沿著彎曲的螺旋線移動(dòng)，同時(shí)用光圖案進(jìn)行照射。他們利用探測(cè)器的信號(hào)計(jì)算物體的三維位置，然后利用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)來(lái)計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。
通過(guò)這種方法，他們以20kHz的調(diào)制率實(shí)現(xiàn)了DMD的6667Hz的跟蹤率。
研究人員表示，這項(xiàng)技術(shù)的主要挑戰(zhàn)在于，目前它只能用于追蹤單個(gè)物體。他們目前正在開(kāi)發(fā)一種使用單像素成像來(lái)追蹤多個(gè)物體的方法。
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