清华大学研究团队开发追踪快速移动物体新方法

为了创建一个更实用的单像素成像系统来进行物体跟踪，研究人员采用了一种非正交投影方法，这种方法比通常使用的正交方法更有效。具体来说，为了利用空间效率高的光学装置实现三维坐标合成，研究人员在两个空间分辨率为125μm的非正交平面上投射几何矩形图案。

研究人员用于测试实验的光学装置

近日，清华大学的研究小组开发出一种新的3D方法，可用于高速跟踪快速移动的物体。这种新方法能在没有任何先验运动信息的情况下，以极低的计算成本实现对快速运动物体的实时三维跟踪。这种基于单像素成像的实时跟踪方法，未来有望改进自动驾驶、工业检测和安全监控系统。

研究团队负责人Zihan Geng说：“我们的方法不需要重建物体图像来计算其位置，大大降低了数据存储和计算成本。具体来说，获取一个3D坐标只需要6个字节的存储空间和2.4µs的计算时间。通过降低计算成本和提高效率，可以降低高速跟踪所需的设备成本，使这项技术更加普及并实现新的应用。”

这种跟踪方法不需要任何先验的运动信息，只需极少的计算资源即可完成。单像素成像是一种利用单个探测器而非传统的像素阵列获取测量值的计算方法。它通常是用一系列图案照亮场景，然后用单像素探测器测量相应的强度值。

为了创建一个更实用的单像素成像系统来进行物体跟踪，研究人员采用了一种非正交投影方法，这种方法比通常使用的正交方法更有效。具体来说，为了利用空间效率高的光学装置实现三维坐标合成，研究人员在两个空间分辨率为125μm的非正交平面上投射几何矩形图案。

这种方法是将几何光型投射到两个非正交平面上，从而生成用于计算物体位置的三维坐标。此外，非正交投影法还缩小了系统尺寸，使其更易于组装和实施。在通过模拟验证了方法后，研究人员使用单像素成像装置进行了实验。该装置包括一个用于主动照明的532nm激光器、一个用于创建光图案的20kHz调制速率数字微镜装置（DMD）和两个用于收集光信号的单像素探测器。

为了测试跟踪能力，他们让一个带有中心孔的金属球在重力作用下沿着弯曲的螺旋线向下移动，同时用光图案照明。他们利用探测器的信号计算出物体的三维位置，然后利用坐标系旋转获得计算出的物体运动轨迹。实验结果表明，使用20kHz数字微镜设备（DMD），跟踪速度达到了惊人的每秒6667帧（FPS），比广泛采用的基于视频的跟踪方法快200多倍。

但同时，研究人员也表示，目前这项技术面临的主要挑战是只能用于追踪单个物体。不过，由于研究团队正在开发能够用单像素成像技术跟踪多个物体的方法，让他们对这项技术的用途也有了期待。

“这项技术可以增强自动驾驶汽车等技术的感知能力，改善安全监控系统并为工业检测提供更高效的监控和质量控制，”Geng说，“此外，这种高速定位技术还可用于科学研究，如昆虫飞行轨迹研究。”