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第1章 飞行时间（TOF）测距成像传感器的技术发展水平1

1 引言1

2 TOF相机的工作原理3

2.1 TOF探测系统3

2.2 TOF测量技术3

3 时间分辨成像传感技术4

4 结论5

参考文献6

第2章 基于5PAD的传感器9

1 引言9

2 SPAD的物理机制10

3 CMOS SPAD设计12

4 基于TCSPC的TOF相机系统14

5 单光子同步探测23

6 相位域△∑TOF成像28

7 前景与展望31

参考文献32

第3章 基于电子学的30传感器35

1 脉冲I-TOF 3D成像方法35

1.1 工作原理36

1.2 信号和噪声分析37

2 案例研究1：采用完全差分3D像素的50×30像素阵列38

2.1 传感器设计38

2.2 电路分析40

2.3 测量和未来展望41

3 案例研究2：160×120双级像素阵列43

3.1 传感器设计43

3.2 电路分析44

3.3 测试方案和测量结果46

4 相关I-TOF的3D成像方法49

4.1 传感器结构50

4.2 信号和噪声分析51

5 案例分析3：2×32双线TOF传感器52

5.1 传感器电路52

5.2 测试方案和测量结果54

6 案例分析4：16×16像素阵列TOF传感器设计56

6.1 传感器电路56

6.2 测试设置和测量结果58

7 讨论和比较59

参考文献60

第4章 基于像素光电混合器件的传感器61

1 引言61

2 基本工作原理62

3 电荷域电光解调器65

3.1 基于栅极结构的基本解调器65

3.2 电流辅助解调器件69

3.3 钉扎光电二极管解调器件70

3.4 静态漂移电场解调器件71

3.5 其他概念73

4 像素结构74

5 结论76

参考文献76

第5章 幅值调制连续波激光雷达中的混合像素和多路径干扰的认识和改进76

1 引言80

1.1 飞行时间测量技术81

1.2 混合像素和多路径干扰的形成84

2 混合像素和多路径干扰的模型86

2.1 距离测量理论86

2.2 混合像素建模87

2.3 由于多个回波信号所产生的扰动88

3 点扫描系统和探测方法90

3.1 法线角和边缘长度探测91

3.2 Adam的探测算法91

3.3 基于分类的检测方法92

3.4 空间非连续性误差的测量92

4 全视场系统和恢复93

4.1 使用场景纹理、结构光或正方形校准方法的散射恢复94

4.2 采用空间域卷积方式的恢复方法95

4.3 使用场景内部散射模型的恢复方法97

4.4 通过表面参数模型的混合像素恢复方法97

4.5 相关波形的反卷积／波形形状拟合方法97

4.6 多频测量方法99

5 结论99

6 混合像素和多路径干扰的认识和理解100

6.1 激光雷达调制技术100

参考文献100

第6章 30相机：误差、校准和定位103

1 引言103

2 几何模型104

3 定位106

3.1 基于标记物的定位106

3.2 基于传感器的定位107

3.3 数据驱动定位107

4 误差来源108

4.1 镜头畸变109

4.2 与场景无关的距离测量误差物理模型110

4.3 与焦平面位置相关的距离误差以及与振幅测量值相关的距离误差111

4.4 内部散射111

4.5 固定模式噪声113

4.6 与积分时间相关的测量误差113

4.7 相机预热误差114

4.8 模糊间隔115

4.9 目标空间中的多路径效应116

5 系统校准116

5.1 校准的目的116

5.2 校准方法117

5.3 自校准方法117

5.4 模型理论和解决方案119

6 总结119

参考文献120

第7章 用于建筑测绘的飞行时间测距相机123

1 引言123

2 TOF相机在建筑测绘中的分析应用124

2.1 预校准和数据采集方法126

2.2 入射角对距离测量的影响126

2.3 目标物体反射率对距离测量的影响128

2.4 文化遗产建筑测绘中的测试、数据处理、比较和结果130

2.5 飞行时间测距相机在建筑装饰雕塑中的测绘和精度性能评估131

2.6 两个窗户的数据采集和处理133

2.7 用于断裂线提取的数字摄影测量多帧图像匹配方法136

2.8 结果和讨论139

3 结论142

参考文献143

第8章 飞行时间相机在环境辅助生活中的应用146

1 引言146

2 主动视觉在环境辅助生活情境中的优势147

3 基于飞行时间相机的跌倒检测框架150

3.1 硬件平台150

3.2 相机安装设置150

3.3 外部参数的自校准152

3.4 背景建模，人体图像分割及跟踪158

3.5 跌倒检测策略159

3.6 模拟设置160

3.7 实验结果160

4 基于飞行时间相机的姿势识别框架165

4.1 实验设置167

4.2 拓扑方法168

4.3 体积测量法171

4.4 实验结果172

5 讨论和结论174

参考文献177

第9章 飞行时间相机在室内定位与导航中的应用179

1 引言179

2 基于CityGML模型的室内定位181

2.1 通过对象探测的房间识别183

2.2 采用距离测量的精确定位183

3 地图测绘和自身运动估计183

3.1 传感器数据处理183

3.2 地图测绘和自身运动估计185

4 3D防撞186

5 结论与展望187

参考文献188

第10章 飞行时间测距相机与立体视觉系统：比较与数据融合191

1 立体视觉系统191

1.1 立体视觉系统的基本几何原理191

1.2 立体视觉算法193

1.3 局部立体算法194

1.4 全局立体视觉算法195

1.5 半全局立体视觉算法196

2 飞行时间相机与立体视觉系统的比较197

2.1 基本测量参数197

2.2 飞行时间相机和立体视觉系统的准确性、精确性和分辨率198

2.3 实验比较202

3 飞行时间相机和立体视觉系统的数据融合204

3.1 采集系统的特性205

3.2 局部融合算法207

3.3 全局融合算法209

3.4 半全局融合算法209

4 结论210

参考文献211