Multispektrale und dreidimensionale Bildgebung im Nahbereich

This work explores the combination of 3D imaging technology with multispectral imaging. This combination can be divided into two distinct variants:
1. Multispectral 3D imaging: Pixel synchronous acquisition of 3D surface shape and its spectrally resolved optical properties.
2. 3D reconstruction from multispectral 2D image data: Reconstruction of 3D shape of an object’s surface from multispectral 2D image data.
In the field of multispectral 3D imaging, two camera systems are presented. One camera system consists of two filter wheel cameras and a digital pattern projector. This system enables a high number of spectral channels and very precise acquisition of 3D surface shape. Two industrial application examples are used to illustrate the benefits of multispectral 3D imaging. With the support of 3D data, a more reliable analysis of multispectral information can be achieved.
Furthermore, a real-time camera system featuring a GOBO projector is presented. The GOBO projection enables precise 3D imaging in real-time and robust pixel-level alignment of different 2D cameras. The developed calibration method facilitates the integration of cameras with different imaging modalities, enabling a so-called multimodal 3D imaging. The utilization potential of multimodal 3D imaging is demonstrated through an application example with the estimation of vital signs.
In the field of 3D reconstruction from multispectral 2D image data, the results of investigations on the dependency of optical 3D measurement using sequential pattern projection on the light wavelength are presented. It is shown that the 3D measurement at opaque and diffuse surfaces is independent of the light wavelength. However, a significant wavelength dependency can be observed at translucent and concave glossy surfaces.
Subsequently, an approach for snapshot 3D imaging of opaque and diffuse surfaces is presented. In this approach, different light patterns are simultaneously projected at different wavelengths using a multi-wavelength pattern projector and captured in a single-shot acquisition with two snapshot multispectral cameras. The 3D reconstruction is realized through the analysis of this spectral pattern sequence. Experimental evaluation provides a proof-of-concept for the proposed approach.

Die vorliegende Arbeit zielt auf eine Kombination der bildgebenden 3D-Technik mit der multispektralen Bilderfassung. Diese Technologiefusion kann in zwei Varianten unterteilt werden: 1. Multispektral-3D-Bildgebung: Pixelgetreue Erfassung der 3D-Form der Oberfläche und deren spektral aufgelösten optischen Eigenschaften. 2. 3D-Bildgewinnung aus multispektralen 2D-Bilddaten: Rekonstruktion der 3D-Form der Oberfläche aus multispektralen 2D-Bilddaten. Im Bereich der Multispektral-3D-Bildgebung werden zwei Kamerasysteme vorgestellt. Ein System besteht aus zwei Filterradkameras und einem digitalen Musterprojektor. Es ermöglicht eine hohe Anzahl von Spektralkanälen und eine sehr präzise 3D-Erfassung. Zwei industrielle Anwendungsbeispiele verdeutlichen die Vorteile der Multispektral-3D-Bildgebung, insbesondere die zuverlässigere Analyse multispektraler Informationen mithilfe von 3D-Daten. Des Weiteren wird ein Echtzeit-Mehrkamerasystem mit einem GOBO-Projektor vorgestellt. Die GOBO-Projektion ermöglicht eine präzise 3D-Erfassung in Echtzeit und gewährleistet eine sichere Verknüpfung verschiedener 2D-Kameras. Mittels des entwickelten Kalibrierverfahrens werden Kameras mit unterschiedlichen Bildmodalitäten integriert, was eine multimodale 3D-Bildgebung realisiert. Das Potenzial der multimodalen 3D-Bildgebung wird anhand eines Anwendungsbeispiels der Vitalparameterschätzung demonstriert. Im Bereich der 3D-Bildgewinnung aus multispektralen 2D-Bilddaten werden zunächst die Ergebnisse von Untersuchungen zur Abhängigkeit der optischen 3D-Messung mittels sequenzieller Musterprojektion von der Lichtwellenlänge präsentiert. Es wird gezeigt, dass die 3D-Messung bei opaken und diffusen Oberflächen unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes ist. Hingegen wird eine deutliche Wellenlängenabhängigkeit bei transluzenten und konkaven glänzenden Oberflächen nachgewiesen. Anschließend wird ein Ansatz zur Snapshot-3D-Bildaufnahme bei opaken und diffusen Oberflächen vorgestellt. Dabei werden gleichzeitig verschiedene Lichtmuster bei unterschiedlichen Wellenlängen mit einem Multi-Wellenlängen-Musterprojektor projiziert und mit einer einzigen 2D-Aufnahme von zwei Snapshot-Multispektralkameras erfasst. Die 3D-Rekonstruktion erfolgt durch die Analyse dieser spektralen Musterfolge. Experimentelle Evaluationen liefern einen Konzeptnachweis für den vorgeschlagenen 3D-Ansatz.

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