連立眼光学系を用いた超小型立体内視鏡における3次元計測システムの開発

使用多目光学系统的微型立体内窥镜三维测量系统的开发

基本信息

批准号：
16700388
负责人：
山田憲嗣
金额：
$ 2.37万
依托单位：
Hiroshima Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16700388/
关键词：
画像処理超解像マイクロレンズアレイ立体内視鏡撮像素子

项目摘要

本研究では、昆虫などにみられる複眼構造である連立眼光学系に着目した超小型立体内視鏡システムの開発を行った。特に、連立眼光学系より取得した多数の画像群から画像処理により高精度な3次元形状を計測するアルゴリズムの検討を行った。連立眼の1つの眼に対応する単眼像の解像度はかなり低い。そのため、従来の3次元形状抽出に用いられてきた特徴抽出などによる対応点探索問題を本装置に適用することは、画像群の画像点数不足のため、位置精度を向上させることが困難であった。そこで、統計的手法であるベイズ推定法を用いて位置精度を向上させ、高密度な3次元形状の再構築を行った。対象の表面形状モデルと物体の表面特性モデルを仮定し、コンピュータグラフィクス分野で一般に用いられている3角形のメッシュ格子を用いた。このメッシュの頂点の値が、高さ方向(位置)の情報となり、3次元座標情報を表現する。また表面特性モデルには、ランベルトモデルを使用した。これはポリゴンの法線ベクトルと照明ベクトルの内積により面の輝度を計算するシンプルで高速なシェーディング技法である。単眼像の投影による対象物体の3次元位置情報を幾何光学的に2次元マップに投影する。得られたデータは、物理的な要因によりボケが生じるので、各単眼像から得られたデータをもとにこれらのモデルのパラメータをベイズ推定により最適化した。厚さ1.8mm、12 x 14mmの大きさの試作システムを作製し、開発したアルゴリズムの原理確認実験を行った。対象物体5 x 5mmの鶏肉を撮影距離25mmで撮影した。3次元形状を解析した結果、1mmほどの誤差があった。これは実際に鶏肉を配置した際の誤差や光学系の歪による誤差が考えられる。今後は、光学系の歪みを考慮したアルゴリズムの改良を行う。また、取得した情報をもとに3次元表示する技術としてインテグラルイメージングを用い、試作システムを作製した。

在这项研究中，我们开发了一种超紧凑立体内窥镜系统，重点关注多目光学系统，这是昆虫中发现的复眼结构。特别是，我们研究了一种算法，用于通过对从同时眼睛光学系统获得的大量图像组进行图像处理来测量高精度三维形状。系统的一只眼睛对应的单目图像的分辨率相当低。因此，由于图像组中的图像点数量不足，将传统的三维形状提取中使用的使用特征提取的对应点搜索问题应用于该装置很难提高位置精度。因此，我们使用贝叶斯估计这种统计方法来提高定位精度并重建高密度的三维形状。我们假设了物体的表面形状模型和物体的表面属性模型，并使用了计算机图形学领域常用的三角网格。这个网格的顶点的值就成为高度方向（位置）的信息，表达三维坐标信息。另外，使用Lambert模型作为表面特性模型。这是一种简单而快速的着色技术，通过多边形法线向量和照明向量的内积来计算表面的亮度。利用几何光学将通过投影单目图像获得的目标物体的三维位置信息投影到二维地图上。由于物理因素导致获得的数据模糊，因此根据从每个单目图像获得的数据通过贝叶斯估计来优化这些模型的参数。我们创建了一个厚度为 1.8 毫米、尺寸为 12 x 14 毫米的原型系统，并进行了实验来确认所开发算法的原理。以 25 毫米的拍摄距离拍摄尺寸为 5 x 5 毫米的鸡物体。三维形状分析显示误差约为1毫米。这可能是由于实际放置鸡的错误或光学系统的错误造成的。未来我们将改进算法，将光学系统的畸变考虑在内。我们还使用积分成像创建了一个原型系统，这是一种根据获取的信息显示三维信息的技术。