Orthogonality-based beam shaping for three-dimensional surface imaging and long-wavelength infrared single-pixel imaging thermometry.

Jiang, Cheng (2023). Orthogonality-based beam shaping for three-dimensional surface imaging and long-wavelength infrared single-pixel imaging thermometry. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 168 p.

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Résumé

Les techniques de mise en forme de faisceau basées sur l'orthogonalité, qui préservent les entités de simplicité dans le calcul, la décomposition efficace du signal et la stabilité avec des informations non corrélées, sont essentielles dans divers domaines et applications. En particulier, cette thèse se concentre sur la mise en forme des profils d'intensité basés sur l'orthogonalité des franges sinusoïdales et des matrices S cycliques, qui sont intégrales pour la profilométrie de projection de franges (FPP) et l'imagerie à pixel unique (SPI). L'imagerie de surface tridimensionnelle (3D) à haute vitesse de la FPP répond aux secteurs industriels, médicaux et de divertissement. La demande croissante pour un retour d'information 3D en temps réel et précis dans des dynamiques rapides, y compris l'inspection des collisions et les évaluations de la qualité des produits, nécessite des améliorations continues de la technologie FPP pour assurer une imagerie 3D robuste et rapide. Pendant ce temps, le SPI offre une flexibilité et un rapport qualité-prix, devenant essentiel pour des tâches d'imagerie spécialisées, par exemple, l'imagerie non visible. Au milieu de la pandémie, il y a eu un intérêt croissant pour des solutions d'imagerie thermométrique, ce qui stimule l'exploration de l'application du SPI dans la plage spectrale infrarouge à longue longueur d'onde (LWIR).
Cependant, dans les systèmes FPP existants, la limitation de la vitesse de projection a empêché la frange sinusoïdale d'atteindre le niveau kilohertz (kHz). La bande passante limitée de la transmission de données a empêché la caméra de diffuser des données en continu, ce qui a donc entraîné des difficultés dans l'acquisition, le traitement et l'affichage d'images 3D au niveau kHz lors de la survenue d'événements dynamiques (c'est-à-dire en temps réel). Les méthodes existantes luttent pour atteindre un large champ de vision (FOV) à des acquisitions de niveau kilohertz (kHz) en raison d'un compromis entre les taux de lecture des capteurs et le nombre de pixels activés. De plus, elles ne peuvent souvent pas simultanément fournir robustesse, tolérance aux variations de réflectance et flexibilité des distances de travail réglables avec des FOV de niveau mètre carré à des taux vidéo.
Pour relever les défis de la FPP, nous avons développé une profilométrie d'illumination à bande limitée à grande vitesse (BLIP) en trois configurations. La première configuration, utilisant une seule caméra avec une interface CoaXPress (CI), permet la reconstruction d'informations de surface 3D en temps réel à 1 kHz. La deuxième configuration, utilisant deux caméras avec une CI, utilise une acquisition interlacée temporellement (TIA) pour améliorer l'imagerie 3D à plus de 1000 images par seconde sur un FOV allant jusqu'à 180 × 130 mm2. La troisième configuration est la BLIP multi-échelle (MS). Soutenue par la synergie de la projection d'intensité à deux niveaux, la projection de franges multi-fréquences et une méthode itérative pour la compensation de la distorsion, la MS-BLIP peut discerner avec précision des objets 3D spatialement séparés avec une réflectance très variable. La CI-BLIP a été appliquée à la mécanique des fluides en imageant la dynamique d'un drapeau, ce qui a permis d'observer la propagation des ondes, le déphasage induit par la gravité et le mouvement de battement asymétrique. Pendant ce temps, la TIA-BLIP a permis la visualisation 3D de la vibration du verre induite par le son. En outre, avec un FOV allant jusqu'à 1,7 m × 1,1 m et une distance de travail allant jusqu'à 2,8 m, la MS-BLIP est appliquée à la capture de mouvements corporels humains complets à un taux vidéo.
Contrairement à la BLIP, qui repose fondamentalement sur une illumination active, le SPI peut être utilisé en mode de détection passive, le rendant plus adapté aux applications avec des considérations de sécurité. Les méthodes traditionnelles de mesure de la température peuvent être invasives ou présenter des préoccupations de sécurité, telles que les thermomètres infrarouges qui utilisent une illumination active. Bien que la thermographie bidimensionnelle (2D) offre une alternative non invasive, elle est plus coûteuse et son large champ de vision ne cible pas entièrement les canthi internes, qui sont cruciaux pour des lectures précises de la température humaine. Cela entraîne une redondance dans l'acquisition de données et pourrait entraîner des inexactitudes en raison du mélange avec l'arrière-plan. Lorsqu'il est configuré pour se concentrer sur les canthi internes, le SPI peut réduire les ressources nécessaires pour la thermographie 2D et éliminer le mélange avec l'arrière-plan. Cependant, l'application du SPI à l'imagerie thermométrique LWIR a été entravée en raison de plages spectrales qui dépassent la fenêtre de transmission du verre de projection et les spécifications de revêtement optimisées des encodeurs spatiaux tels que les dispositifs à micromiroir numérique (DMD), entravant le dépistage efficace de la température corporelle humaine.
En réponse à ce défi, nous développons une thermométrie d'imagerie infrarouge à pixel unique (SPIRIT) avec détection passive dans la gamme spectrale LWIR. Utilisant des matrices S cycliques, l'agrégation diagonale est développée pour générer les motifs de masquage sur un masque physique, ce qui facilite le balayage unidimensionnel (1D). Tirant parti de la douceur 2D de la matrice de signaux encodée, un balayage linéaire compatible avec la détection comprimée et une interpolation de données sont mis en oeuvre pour une reconstruction d'image efficace. SPIRIT permet la première imagerie thermique des canthi internes par SPI avec une taille de trame de 11 × 13 pixels. Avec une analyse statistique, SPIRIT a effectué le dépistage de la vii température de sujets humains et a étudié les fluctuations de la température corporelle et l'impact de l'utilisation prolongée de lunettes.

Orthogonality-based beam shaping techniques, which preserve the entities of simplicity in computation, efficient signal decomposition, and stability with uncorrelated information, are critical in various fields and applications. In particular, this dissertation focuses on shaping the orthogonality-based intensity profiles of sinusoidal fringes and cyclic S-matrices, which are integral for fringe projection profilometry (FPP) and single-pixel imaging (SPI). FPP's high-speed three-dimensional (3D) surface imaging caters to industrial, medical, and entertainment sectors. The growing demand for precise real-time 3D feedback in rapid dynamics, including collision inspection and product quality assessments, necessitates ongoing enhancements in FPP technology to ensure robust, high-speed 3D imaging. Meanwhile, SPI provides flexibility and cost-effectiveness, becoming crucial for specialized imaging tasks, e.g., non-visible imaging. Amidst the pandemic, there has been a growing interest in solutions for imaging thermometry, which drives exploration of SPI’s application in the long-wavelength infrared (LWIR) spectral range.
However, in existing FPP systems, the limitation of projection speed has prevented the sinusoidal fringe to reach the kilohertz (kHz) level. The limited bandwidth of the data transmission has prevented the camera from streaming data continuously, which thus has brought difficulties in kHz-level image acquisition, processing, and display of 3D information during the occurrence of dynamic events (i.e., in real time). Existing methods grapple with achieving a wide field of view (FOV) at kilohertz (kHz)-level acquisitions due to a trade-off between sensor readout rates and activated pixel numbers. Additionally, they often can't simultaneously provide robustness, tolerance to reflectance variations, and flexibility of tunable working distances with meter-square-level FOVs at video rates.
To address FPP’s challenges, we have developed high-speed band-limited illumination profilometry (BLIP) in three configurations. The first configuration, employing a single camera with a CoaXPress interface (CI), enables real-time 3D surface information reconstruction at 1 kHz. The second configuration, employing two cameras with a CI, uses temporally interlaced acquisition (TIA) to improve the 3D imaging over 1000 frames per second on an FOV of up to 180×130 mm2. The third configuration is multi-scale (MS) BLIP. Supported by the synergy of dual-level intensity projection, multi-frequency fringe projection, and an iterative method for distortion compensation, MS-BLIP can accurately discern spatially separated 3D objects with highly varying reflectance. CI-BLIP has been applied to fluid mechanics by imaging dynamics of a flag, which allowed observation of the wave propagation, gravity-induced phase mismatch, and asymmetric flapping motion. Meanwhile, TIA-BLIP has empowered the 3D visualization of glass vibration induced by sound. In addition, with an FOV of up to 1.7 m × 1.1 m and a working distance of up to 2.8 m, MS-BLIP is applied to capturing full human-body movements at video rate.
Unlike BLIP, which fundamentally relies on active illumination, SPI can be utilized in a passive detection mode, making it more suitable for applications with safety considerations. Traditional temperature measurement methods can be invasive or carry safety concerns, such as infrared thermometers that use active illumination. While two-dimensional (2D) thermography offers a non-invasive alternative, it's more expensive and its wide field of view doesn't fully target the inner canthi, which are crucial for accurate human temperature readings. This brings redundancy in data acquisition and could result in inaccuracies due to background blending. When configured to focus on the inner canthi, SPI can reduce the resources needed for 2D thermography and eliminate background blending. However, SPI's application to LWIR imaging thermometry has been impeded due to spectral ranges that exceed the transmittance window of the prorective glass and the optimized coatings specifications of spatial encoders like digital micromirror devices (DMDs), hindering efficient human body temperature screening.
In response to this challenge, we develop single-pixel infrared imaging thermometry (SPIRIT) with passive detection at the spectral range of LWIR. Utilizing cyclic S-matrices, diagonal aggregation is developed to generate the masking patterns onto a physical mask, which facilitates one-dimensional (1D) scanning. Leveraging the 2D smoothness of the encoded signal matrix, a compressed-sensing-compatible linear scan and data interpolation are implemented for efficient imaging reconstruction. SPIRIT enables the first-time thermal imaging of the inner canthi by SPI with a frame size of 11 × 13 pixels. With statistical analysis, SPIRIT has performed temperature screening of human subjects and investigated body temperature fluctuations and the impact of prolonged eyeglass usage.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Liang, Jinyang
Mots-clés libres:	Mise en forme du faisceau basée sur l'orthogonalité ; franges sinusoïdales ; matrices S cycliques ; profilométrie par projection de franges ; imagerie à pixel unique ; imagerie de surface en trois dimensions ; thermométrie d'imagerie infrarouge à longue longueur d'onde ; projection haute vitesse ; dépistage de la température corporelle humaine ; Orthogonality-based beam shaping ; sinusoidal fringes ; cyclic S-matrices ; fringe projection profilometry ; single-pixel imaging ; three-dimensional surface imaging ; long-wavelength infrared imaging thermometry ; high-speed projection ; human body temperature screening
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	16 mai 2024 19:09
Dernière modification:	16 mai 2024 19:09
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15668

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