运动跟踪测量相机的设计与实现

针对运动跟踪问题,设计了一种千兆网测量相机,在相机中做基本的单点空间运动坐标的抽取计算,极大简化了系统结构并提高了系统性能。千兆网测量相机采用CMOS图像传感器CMV2000,具有高帧高清的性能;采用高速高性能FPGA做驱动器和数据处理器,集成度高。在FPGA内嵌入Micro Blaze软核处理器设计了片上系统(SOC);采用了一种基于直线段的连通域快速检测算法,实时计算数字图像的多个标志点的空间坐标;用以太网MAC核(TEMAC)和88E1111高速以太网收发器实现千兆网传输,将运动物体的空间坐标数据发送到上位机。测试结果表明,系统运行稳定,数据测量的实时性和精度都满足要求,具有很大的应用价值。     

基于IBIS5-B-1300的视频采集和显示系统设计

设计了一个基于CMOS图像传感器的视频采集和实时显示系统,详细介绍了系统的软硬件设计。系统采用IBIS5-B-1300作为视频采集的核心器件,通过数字编码器BT856将图像传感器采集到的图像数据实时地转换为兼容模拟监视器的复合视频信号,实现了视频的高速采集和实时显示。实验结果表明:该系统成像清晰可靠,实时性高,图像采集和显示帧率均达到50帧/s,能够很好地完成高速视频采集与监视的任务。     

高速立体视觉与机械运动异常动作三维检测

建立了高速立体视觉系统,实现了高速周期性机械运动的500帧/秒实时检测,可以对高速运动中瞬间发生的异常动作进行智能检测,并且自动保存该时刻的高帧率图像.为保证高速处理,提出了利用周期相位提取理论创建特征样本库的方法,建立了2套图像与特征样本空间;同时提出了双目高速视觉实时检测算法,可以在2 ms内同步完成双目相机的图像匹配、异常动作检测和自动录像功能.为计算异常动作的空间位置,利用双目立体视觉计算异物的三维运动轨迹.实验使用缝纫机的机械部分模拟约12 Hz的高速周期性机械运动,本系统可完成双目视觉的实时检测和三维轨迹追踪,结果证明了高速立体视觉系统和检测算法的有效性.     

动态三维测量中图像同步高速投影与采集的原理及实现

基于结构光的动态物体三维面形测量对航空航天、能源和汽车等领域的科学研究与工程应用具有重要作用。然而现有测量设备单次测量时间过长,难以实现对动态物体三维面形的测量,其中主要的难点在于图像高速同步投影与采集。提出了一种图像精确同步高速投影与采集的方法,该方法通过实验测定出数字微镜翻转延时和触发曝光延时,设计了帧触发信号、数字微镜翻转、LED光源点亮和相机曝光之间耦合工作的精确时序,从而实现了220帧/秒图像的精确投影与采集,为动态物体三维面形测量设备的开发提供了良好的技术基础。     

基于CPLD硬件提升帧率的图像采集系统

目前的CCD图像采集系统中通常采用算法提升图像采集帧率,然而该技术所增加的不真实图像帧数据会导致图像质量下降。针对这一情况,提出了一种基于CPLD(复杂可编程逻辑器件)硬件提升帧率的图像采集方案,并开发了一套相应的硬件系统。该方案通过分析CCD(电荷耦合器件)器件ICX285AL的时序特征,采用压缩帧内消隐时间和提高像素输出速率的方法提升原始数据帧的产生速率实现帧率提升,新增加的帧是CCD图像采集器件实际采集得到的真实数据,可以保证图像的完整性和真实性。最后的测试结果表明,设计的硬件系统可行性高、性能稳定,可操作性强,可以推广到其他的CCD采集系统上。     

激光共焦高速扫描显微成像的高帧速重构算法

针对激光共焦扫描显微镜的往复式逐行扫描成像方式带来的帧图像数据分割难的问题,在分析系统扫描方式、振镜的实际运动方式与理论运动方式差异的基础上,利用相邻两帧图像相似性大的特点,提出了一套完整的高帧速重构算法。该算法通过连续帧特征区域差分的方式实现了一维信号序列的自适应分割,即实现了对一维信号序列进行动态排列及分割成二维阵列图像数据,从而重构出多帧高精度图像。实验表明,该算法的成像误差低于1.6%,适用于成像速度高达300帧/s的激光共焦扫描显微成像。     

用于机械系统瞬时目标的双视角高速视觉检测系统

基于高速相机研发了双视角高速视觉检测系统。该系统可从不同角度对周期机械运动进行长时间、无接触的同步实时检测,并可自动判断和存储异常动作的瞬时高帧率视频图像。基于机械系统运动特性提取理论,提出了多视角高帧率视频图像的离线处理算法,利用两个高速相机准确建立了样本图像数据库及它们的对应关系。提出了多视角同步实时检测算法,完成了对目标的实时视觉检测,并实现了瞬时保存关键图像的功能。为验证算法的有效性和系统的稳定性,搭建了双视角高速视觉检测系统,对真实的机械系统进行了实验。结果显示,提出的系统实现了500fps的双目高速相机同步检测,以及0.1s内运动目标的自动判断,同时完成了对关键图像的瞬时保存。文中的研究为机械系统的非接触检测提供了一种高速可视化的检测方法。     

基于激光鼠标传感芯片组的机床位移测量仪

设计了一种基于反射原理的机床刀具位移测量仪.采用激光鼠标芯片组连续拍照获得刀具移动中的高速图像帧,对比相邻2帧图像,计算得到刀具在这段时间里的移动间隔数,同时经单片机计算输出刀具精确位移值,实现刀具位移和工作位置坐标实时测量.为机床的数控设计提供了一种保证精度、操作方便、经济实用的位移测量方案.     

高帧率彩色线阵CCD实时成像系统的设计与分析

文中设计了一种满足工业需求的彩色线阵CCD实时成像系统。该系统实现对线阵CCD的驱动,控制专用的ADC采集芯片对CCD模拟信号进行采集。将采集到的数字信号由FPGA内部预处理后,通过USB2.0传输至上位机实现图像的拼接、显示与保存。最后,对线阵CCD静态图像噪声和动态成像特点进行了分析。研究结果表明:设计的线阵CCD图像采集系统,像素分辨率最大5 340,帧率可达6 250 fps,满足工业应用要求。CCD所选用的TDI模式,对于高速目标有更好的成像质量。     

基于EZ-USB FX2的CMOS图像采集系统设计与实现

本文介绍了一种由USB控制器EZ-USB FX2和CMOS图像传感器OV9620构成的图像采集系统,给出了系统的工作原理,以及软、硬件的设计和实现方法。系统采用全数字模式进行图像传输,克服了模拟信号在传输过程中失真的缺陷。另外,高分辨率CMOS图像传感器和高速USB2.0接口保证了图像采集系统具有高分辨率和高帧频率。     

高速机械系统运动特性的实时视觉检测技术研究

介绍一种利用高速视觉传感器,对机械系统高速运动进行实时运动特性提取的技术,并搭建高速视觉检测系统,可以对复杂的高速机械设备进行长时间、无接触的运动频率检测。本技术将高速相机视为多传感器系统,对预存储的多周期高帧率图像进行离线处理,设计周期运动特性关键像素点提取算法,以这些像素点为固定的多个子传感器,将图像简化为一维向量,并建立周期运动特性样本序列数据库,实现基于视觉平台的高速机械运动相位和频率检测技术。为验证算法的有效性和系统的稳定性,利用步进电动机带动的旋转装置和缝纫机的机械运动部分进行试验,结果证明了本算法和系统可以正确的提取周期运动特性关键像素点,建立样本数据库,完成高速实时视觉检测。     

应用线阵CCD的空间目标外姿态测量系统

设计了9路线阵CCD相机组合的空间目标外姿态测量系统,该系统解决了面阵图像传感器用于姿态测量时存在的速度和精度的矛盾,能够实时重构放置于被测物体上的点合作目标在世界坐标系下的三维坐标,并经空间解算,确定被测物体的姿态角.该系统着眼于合作目标和相机光学系统的相对位置,解决了多相机与多点合作目标一一对应时的目标干扰问题;设计了新的光学系统构架,提高了精度,节省了空间;实现了多相机测量系统的局部标定和全局标定.图像采样率为1 316帧/s时,姿态测量精度为1′.测试结果表明,该姿态测量系统可以实现对被测对象高精度的实时测量,且具有合作目标简单,价格低廉等优点.     

气象卫星闪电识别系统的设计与实现

设计了一种能够完成帧-帧背景去除算法的闪电识别系统,用于实时识别闪电事件并编码.该系统将闪电成像仪拍摄到的高速图像数据分成8个区域,用8个相同的子系统分别完成各个区域的闪电探测;在每个子系统中利用7片静态随机存储器(SRAM)以流水读写的方式完成7帧背景评估,并利用该方法实现7帧数据的帧-帧背景去除算法.实验结果显示,该系统可以完成2.88 Gbps高速数据流的接收,背景信号评估和去除,并且可实时识别闪电事件.这些结果表明该系统能够完成气象卫星闪电识别的任务.     

高速三维数字图像法测量手机跌落全场应变

为了测量手机跌落时的变形与应变,基于数字图像相关法及双目立体视觉原理,提出一种用于手机跌落试验中变形与应变测量的方法,并研制了相应的高速三维全场应变光学测量系统。针对手机跌落碰撞过程中,角度变化导致散斑匹配失败率高,变形应变场缺损严重的问题,利用高速相机高速采集图像,并改进图像匹配方法,采用顺序逐帧基准匹配,保证了测量精度,提高了应变场完整度。研制了光学测量系统,设计了试验方案,进行了数字图像测量方法与动态应变仪测量结果的对比,对改进的散斑匹配方案进行了验证。试验结果表明,本文的方法使变形应变场的完整度提高了21%,其位移动态测量精度为0.42%,应变测量精度为0.5%。本文的方法和系统可以满足手机跌落碰撞全场变形与应变测量的要求,与传统测量方式相比有明显优势,是研究手机跌落碰撞变形规律的有效途径。     

单色光干涉面接触润滑膜厚在线测量

提出了滑块-玻璃盘形成的面接触润滑油膜厚度光干涉在线测量方法。以单色激光为光源,根据油膜厚度变化引起平行干涉条纹平移的物理特征,基于光流和动态时间规整技术构造复合算法,测量干涉图像相邻帧空间域上一维光强曲线的位移,从而得到相邻帧之间的油膜厚度差。从零速度开始记录每一帧干涉图像对应的膜厚变化,实时计算出当前帧对应的膜厚,实现了膜厚的在线测量。当前算法的测量结果与离线膜厚测量结果进行了对比,验证了该系统的测量准确性。进行了阶跃载荷、匀加速及匀减速工况下的膜厚测量,揭示了膜厚变化规律。     

基于高速相机的多叶光栅机械性能测试方法研究

基于高速相机搭建了多叶光栅机械性能测试平台,进行了实验测试和数据处理,研究了高速相机图像分辨率、采集速度及图像处理方法对机械性能测试精度的影响。结果表明,采用视野分区的形式,在40 mm×40 mm区域视野中,选用高速相机在单方向图像分辨率4000、帧率500帧/s时,对叶片运动速度不高于250 mm/s的多叶光栅进行机械性能测试,测量精度可以达到0.01 mm。     

基于PCI总线多路图像采集卡的研究

设计了支持4路标准视频信号输入,采集的像素阵列为720×576,每s采集25帧8位黑白图像的高速图像采集卡,实现图像的动态采集.该视频采集卡以FPGA为逻辑控制中心,采用SAA7111将4路视频信号分别转换为数字图像数据,经FIFO缓存后,由PCI总线接口芯片PCI9052将数据送入计算机,最后通过应用程序将图像显示出来.实验分析表明该视频采集卡能实现4路实时传榆显示.     

无人月球探测器缓冲着陆抛投试验视觉测量系统

针对无人月球探测器缓冲着陆运动抛投试验中对探测器缓冲着陆过程中三维姿态、三维速度等运动参数和缓冲着陆机构缓冲行程的测量,设计了基于计算机视觉的抛投试验测量系统。首先,在探测器主体结构上喷绘若干对顶角标志,并用全站仪测量出这些标志的空间坐标。然后,用高速摄像机采集探测器缓冲着陆过程的序列图像。最后,利用单目视觉的方法对标志的空间坐标及探测器的序列图像进行处理得到上述参数。该系统硬件设备简单,软件操作方便。理论分析和实验验证均表明,采用该系统测量探测器运动参数,其姿态角测量精度优于4′,运动速度测量精度约为0.02m/s,探测器缓冲行程精度约为4mm,完全满足无人月球探测器缓冲着陆运动试验中的测量精度要求。     

基于RGB三基色的实时相位测量轮廓术

提出一种基于彩色三步相移算法和DLP Light Crafter 4500的实时相位测量轮廓术。在测量系统中,DLP Light Crafter 4500快速有序地投影MATLAB生成的三帧相移量为2π/3的R、G、B调制正弦相移光栅条纹到被测物体表面,一台与DLP Light Crafter 4500投影光栅条纹信号同步的高速黑白CMOS相机拍摄受被测物体面形调制的变形条纹。由于捕获的变形条纹间存在颜色失衡,需要采用校正算法进行校正。基于传统的三步相移技术,利用校正后的三帧变形条纹图像可以实时重建被测物体的三维形貌。     

微纳尺度材料内耗测量系统的设计与实现

提出了一种非接触式的内耗测量方法。通过对碳纤维材料试样进行交变静电激发,在显微系统下记录强迫振动过程的高帧率图像,完成了微纳尺度材料内耗测量系统的设计。实验结果表明该系统能实现低频和高频内耗的非接触式测量,测量频率范围大,系统扩展性强。