光学前沿动态
OPTICS FRONTIERS
01
2025
-
04
Optica | 融合偏振与偏折信息的镜面三维成像
作者：
导读
对镜面物体进行高精度且快速的三维重建在工业检测、文化遗产保护、医学成像及虚拟现实中具有重要意义。然而，当前先进的三维成像方法在面对形状复杂的镜面物体时仍存在显著挑战。
近日，美国亚利桑那大学光学中心Florian Willomitzer教授课题组提出了一种融合相位测量偏折术与偏振成像的三维重建方法。该方法结合偏振信息提供的入射角与偏折术获取的几何对应关系，实现了对镜面物体表面法向量与深度信息的同步重建。这一新方案不仅弥补了相位偏折术与偏振成像在各自应用中的局限性，也为镜面物体的三维重建开辟了更多可能与新的研究方向。
该成果发表在Optica，题为通过融合偏振和偏转信息实现复杂镜面表面的 3D 成像。论文第一作者及通讯作者均为亚利桑那大学光学中心（Wyant College of Optical Sciences）王珈璋博士，西北大学Oliver Cossairt 教授与亚利桑那大学Florian Willomitzer教授为本研究提供了重要指导与支持。
光学计量和计算机视觉中的镜面三维重建
镜面三维重建问题在光学计量与计算机视觉领域均受到广泛关注。光学计量方法拥有出色的测量精度，但通常依赖严格的实验条件，例如多设备间的高精度联合标定，因此其应用范围主要集中于光学元件测量和高端工业检测等场景。相比之下，计算机视觉方法具有更强的通用性与适应性，适用于多种环境和目标类型，但这类方法通常更注重视觉效果的重建，在精度方面则相对有所妥协。
相位测量偏折术（PMD）是光学计量领域广泛采用的方法之一，以其使用低成本标准组件（如显示器和相机）即可实现亚微米级深度分辨率而著称。其基本原理是在显示屏上投影已知图案，并通过镜面反射由相机观测该图案的变形，进而计算出表面法线，最终恢复三维形状。然而，PMD存在“法线-深度歧义”问题[见图1(a)]：由于入射光的精确路径无法仅通过其在显示屏上的发射像素确定，因此通常需要对物体的空间位置或大致形状作出强先验假设。为克服该歧义，有方法引入第二台相机或第二块显示屏，但这会显著增加系统复杂度与几何标定难度
偏振立体成像（SfP）是近年来在计算机视觉领域中备受关注的三维重建方法，近期更与深度学习和事件摄像技术相结合。SfP通常利用非偏振光源照射物体表面，根据菲涅尔方程，反射或散射后的光会呈部分偏振状态，并由偏振相机采集。通过分析偏振状态可解析出被测表面法向量图。然而，该方法也存在显著局限性：一是假设正交投影模型，这在实际中难以满足，会造成法线误差高达5°至25°；二是偏振信息在镜面反射条件下存在多解歧义（两个可能的仰角与两个可能的方位角，组合成四个可能的法线）[见图1(b)]，通常需要借助额外信息（如先验形状或第二个传感器）加以消除。
图1：（a）&（b）PMD与SfP原理图及其自身局限（c）融合PMD和SfP的新型三维重建方法
光学×视觉：新一代三维感知技术
本研究提出了一种融合偏振信息与偏折信息的三维成像方法，通过联合克服PMD与SfP的各自局限，实现了绝对表面法线与三维形状的同步重建。
如图1（c）所示，系统由一个非偏振显示屏和一台偏振相机组成。该偏振相机可在单次曝光中同步获取四个不同偏振角度的图像。图像采集完成后，我们通过PMD方法从其中一幅图像中提取显示屏与相机之间的像素级对应关系，建立了显示屏像素D与相机图像中对应点C之间的映射。
随后，结合四通道图像所提供的偏振信息，我们为每个物体表面点提取反射角θ。需要强调的是，我们并未将θ简化为法线的天顶角，以避免引入正交投影模型的假设，而该假设在实际应用中可能导致显著误差。传统PMD方法无法直接求解物体表面信息，因为表面点位置S与反射角θ同为未知量，形成所谓的“法线-深度歧义”。本方法的关键创新在于，SfP可通过偏振度（DoP）直接估计θ，从而使PMD与SfP实现互补融合。通过测得的θ及像素对应关系（C, D），我们便可无歧义地同步恢复表面法线图与三维形状。此外，该方法无需依赖正交投影假设，适用于常见的透视相机系统。相较于现有SfP的透视模型方法，本方案显著提高精确度且不依赖多视角几何结构，也无需表面形状的先验信息，具有更强的适应性与实用性。
实验结果如图2所示。为验证所提方法的精度，研究团队首先测量了一个已知尺寸的反射金属钢球（图2(a)–(d)），实验采用单帧投影方式，成功重建了其表面法线与三维形状，法线平均误差为0.56°，半径误差为70μm，表明该方法具备亚毫米级的三维重建精度。随后，研究进一步评估了该方法在复杂自由曲面镜面物体（图2(e)–(l)）上的适用性，采用多帧相移投影方式进行测量。重建结果显示出良好的表面结构还原能力，能够准确捕捉局部几何细节。由于此类物体缺乏可获取的真实值参考，因此仅进行了定性分析。相比之下，传统的PMD和SfP方法在本实验条件下难以实现对上述镜面物体的有效重建，往往依赖强先验假设或额外硬件支持。而本文所提出的方法在无需先验信息与额外设备的条件下，仍能实现高质量重建，体现出其良好的灵活性与应用潜力。
图2：实验结果
总结与展望
本研究提出了一种融合偏振信息与偏折几何的新型三维成像方法，实现了无需先验、单帧下对复杂镜面表面法线与形状的同步重建。相比传统PMD和SfP方法，保证精度的同时避免了常见的几何歧义和建模假设。该研究为融合光学计量与计算机视觉提供了新思路，并在医学、AR/VR、机器人等领域具有广泛应用潜力。
论文信息
Jiazhang Wang、Oliver Cossairt 和 Florian Willomitzer，“通过融合偏振和偏转信息对复杂镜面进行 3D 成像”，Optica 12， 446-450 （2025）。
https://doi.org/10.1364/OPTICA.538331
课题组介绍
Florian Willomitzer教授领导的Computational 3D Imaging and Measurement（3DIM） Lab致力于解决计算成像领域中一系列广泛且具有挑战性的关键问题。研究融合了物理光学、图像与信号处理、计算机视觉与信息论等多学科理论，旨在设计、开发并构建新一代二维/三维计算成像与显示系统，以突破传统成像技术在分辨率、动态范围和成像速度等方面的限制，实现“让不可见之物可见”的研究愿景。实验室开发的核心技术已广泛应用于医学、虚拟/增强/混合现实（VR/AR/MR）、机器人技术、工业检测、遥感、汽车感知、精密计量与文化遗产保护等多个领域。当前研究方向包括：用于高分辨率全息显示的创新方法、面向虚拟现实的高精度眼动追踪方案，以及将高精度计量技术集成至低成本便携式设备的技术实现。此外，实验室还在开发具有百微米级深度分辨率的新型飞行时间（ToF）与结构光成像系统，为高精度三维感知提供先进解决方案。
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