A sub-pixel edge detection algorithm based on Zernike moments

Abstract

A novel hybrid technique of combining an improved morphological gradient operator and Zernike moments, named MGZ edge detection algorithm, is developed to meet the stringent requirements for measuring accuracies of charge coupled device metrology system. The mathematical morphological gradient and Zernike moment algorithm are discussed based on the pixels grey-scale and spatial structure information of the images. To improve the algorithm process, the image edge is oriented and extracted by using improved morphological gradient operator firstly; then, the calculation errors of the typical ideal step edge model are analysed and corrected by the proposed error compensation formula. The edge point is relocated with sub-pixel accuracy by means of Zernike moment operator based on the edge point vectors and the threshold value. Finally, the sub-pixel edge detecting of the image is attained. The extensive experimental results show that the measuring error of the edge point is compensated reliably and accurately, and the new algorithm has short operation time, more precise and stronger robustness to noise than the prior similar algorithms. Meanwhile, the proposed method can well meet the need of charge coupled device metrology system for sub-pixel edge detection.     

基于亚像素边缘的摄像机标定板特征提取算法

目的在视觉测量领域,摄像机的标定精度是最终测量精确度的决定性因素,为了提高标定板特征的提取精度,提出一种基于亚像素边缘的提取方法。方法针对圆点标定板,首先采集标定板图像,对图像进行处理,获取像素级别边缘,然后以边缘像素点为中心,取3×3的数字窗口计算梯度方向,在梯度方向上进行像素点灰度的双曲正切拟合,获取亚像素级别边缘,最后对亚像素边缘按照圆形进行拟合,求得圆心坐标。结果实验表明算法的分辨率达到0.03个像素,精度可达0.1个像素。结论该算法具有稳定可靠,精度高,运算速度快等特点,能够应用于图像拼接和分割,特征提取和摄像机标定等领域。     

基于高斯积分曲线拟合的亚像素边缘提取算法

针对传统边缘提取算法定位精度低、对噪声敏感等缺点,提出一种基于高斯积分曲线拟合的亚像素边缘提取算法。通过曲面插值求取像素级边缘法截线上各离散点的灰度值,再进行高斯积分曲线拟合,寻找高斯积分曲线的均值点坐标,实现亚像素边缘的精定位。用量块直线边缘进行实验,并与现有亚像素边缘提取算法比较,实验证明基于高斯积分曲线拟合的亚像素边缘提取算法定位精度较高,可以达到1 μm,且算法可靠性高、计算速度快,能够用于高精度测量。     

一种无衍射激光图像亚像素边缘检测方法

为进一步提高无衍射激光图像的定中精度,提出了一种亮环亚像素级边缘点检测方法.首先,采用局域亮度最大方法,提取亮环像素级屋脊边缘点;然后,利用线性插值算法对每一像素级边缘点进行亚像素处理进而获得亚像素边缘点;最后,用最小二乘方法,将亚像素边缘点拟合定中.分别对距离光源40 m、50 m、60 m处,各连续拍摄的50幅图像(图像分辨率为640×480,光靶分辨率为0.057 2 mm/pixel)进行了处理,各位置处的亚像素级边缘点x方向定中标准差分别为0.021 4 nm、0.037 2 mm和0.042 3mm,y方向定中标准差分别为0.022 8 mm、0.035 1 mm和0.043 7 mm,明显优于像素级边缘点,实验结果表明,该方法切实可行.     

基于Zernike矩的快速图像配准算法

图像配准是机器视觉中的重要研究课题.本文针对任意角度图像配准问题,提出了一种基于Zemike矩的互相关算法.首先根据三角函数的对称性和反对称性,仅基于八分之一单位圆信息,快速计算Zemike矩;然后通过求取图像多个矩的互相关性,确定配准点位置;进而通过最小二乘拟合,得到亚像素配准位置;最终利用Zemike相位信息,估算旋转角度.同时,在线阶段采用径向多项式查表法加速配准过程.实验结果表明,该算法在保障配准精度的前提下显著提高了配准速度.     

利用Sobel-Zernike矩算子的快速亚像素边缘检测方法

利用Sobel算子快速检测出所有可能的边缘点;再利用Zernike矩算子以亚像素精度重新定 位边缘。为提高定位精度,根据Zernike矩理论,推导了2个77的模板。测试结果表明,该方法定位精度接近于Zernike矩算子,而算法运行时间仅为0.91s。     

基于微分几何法和粒子群算法计算椭球面面轮廓度误差

基于DGA算法和误差评定的最小区域准则建立了椭球面面轮廓度误差评定的数学模型,该模型将点到椭球面的最小距离求解问题转化为一个理想椭球面球心坐标的搜索问题;采用PSO算法求取所建立数学模型的最优解。实例表明在不考虑仪器测量误差的前提下,所提出的椭球面面轮廓度误差求取方法的有效性。     

高抗振性大口径钢管动态直径测量系统

针对目前各大行业对钢管直径在线测量精度的需求,设计提出了一种基于亚像素的双CCD测量钢管直径的系统方法。该系统利用双CCD横向拍摄钢管,利用摄像机标定确定钢管、相机及其他相关设备的相对坐标,以及测量系统的内、外参数,对两相机采集到的图像利用差分法确定大致边缘区域,利用边缘区域亚像素边缘检测方法确定精确钢管边缘。根据得到的坐标值做外接四边形,采用最小二乘法求其内切圆的圆心坐标(即钢管的圆心坐标),最终确定钢管的直径。实验结果表明:本文直径测量方法抗振性能强、精度高,钢管直径的精度误差≤0.2%。利用亚像素方法的钢管直径测量技术,测量精度高,抗振性能强,适用于工业高速在线测量。     

一种保持视觉特征的三维几何模型简化算法

针对三维模型简化中保留细节特征的要求,提出了一种基于视觉特征保持的三维几何模型简化算法.采用半边折叠操作,综合考虑了网格模型中半边的几何重要性和变化误差,并将其作为各半边的折叠代价来确定模型中边的折叠顺序,在模型简化后又利用顶点"微调"法对简化模型进行了局部视觉效果修正.实验研究结果表明:本文提出的三维几何模型简化算法能有效地保留模型的细节特征,并能显著改善模型因简化产生的形变,是一种简单、有效的模型简化算法.     

Self-calibrated subaperture stitching test of hyper-hemispheres using latitude and longitude coordinates

Limited by the f-number of the transmission sphere, it is impossible to test the whole surface of a hyper-hemisphere using a standard interferometer directly. This paper presents an extension of the subaperture stitching test method to hyper hemispheres. The stitching algorithm is based on the coordinate mapping from local measurement frame to a global frame, and overlapping correspondence is calculated by virtue of coordinates of latitude and longitude. The reference surface error is represented by Zernike polynomials and self-calibrated during the stitching to achieve higher accuracy. Then the stitched surface error distribution is presented by map projection. To realize accessibility to the whole surface of a hyper-hemisphere, we also propose a design for the subaperture test platform, according to the subaperture lattice design. Finally, a hemisphere and a full sphere are tested and figured, respectively, to validate the method and the experimental setup.     

基于机器视觉的制袋机裁切定位系统设计

目的针对圆角包装袋传统裁切工艺中存在的毛刺和废料问题,设计一种基于机器视觉的高精度制袋机裁切定位系统。方法利用LED背光源、低畸变镜头、CMOS黑白相机和工控机搭建视觉系统硬件平台,在Visual Studio开发环境中,基于OpenCV函数库设计视觉软件,用基于最小二乘法检测图像边缘,进而标定相机,提取包装袋圆角轮廓为特征信息。系统以特征信息为匹配模板对圆角位置进行精确定位,得到亚像素级角点位置,最终控制伺服系统执行误差补偿裁切。结果该定位算法可实现16 ms内精确定位圆角坐标,绝对误差小于±0.02像素点。结论基于机器视觉的定位系统具有运算速度快、定位精度高等特点,有效改进了传统制袋工艺,能够满足生产需求。     

A triangle mesh-based corner detection algorithm for catadioptric images

As with conventional images corner detection is an important aspect of many computer vision problems involving catadioptric images. However, classical image processing algorithms are no longer appropriate for catadioptric images due to nonuniform resolution and distortions of catadioptric images. In this paper, we propose a novel approach to corner detection for catadioptric images based on triangle mesh. First, we transform catadioptric images to spherical images by combining an improved projection model for central catadioptric cameras with triangle mesh for a unit sphere. Spherical images yield a spatially uniform resolution domain for processing catadioptric images. Then, based on the topology of a triangle mesh, variations of light intensity with respect to directions for each image patch are measured to detect corners. The proposed algorithm addresses problems of catadioptric image processing caused by non-uniform resolution and distortions of these images. Experimental results showed that comparing to widely used methods, the triangle mesh-based corner detection algorithm can achieve higher repeatability rate relative to different imaging condition changes.     

一种基于PFA的多子阵聚束合成孔径声呐成像方法

文章提出了一种基于极坐标格式算法（Polar Format Algorithm,PFA）进行聚束多子阵合成孔径声呐成像的改进方法,建立了非“停-走-停”条件下的斜视成像模型,推导了信号由时域到波数域的解析表达式,给出了信号处理流程。该方法首先使用场景中心点的精确距离史对平台运动误差进行补偿,并通过极坐标算法处理得到粗聚焦的图像。其次,为了解决非场景中心点的残余空变相位误差的补偿问题,对粗聚焦图像进行分块自聚焦处理,使场景边缘点的聚焦效果得到改善。最后,经过子图拼接及几何校正后得到完整的精聚焦图像。仿真及分析结果表明,该方法提高了方位向性能指标,同时也能准确补偿平台运动误差,可以很好地应用于多子阵声呐成像。该方法在大运动误差、大斜视情况下仍具有较好的鲁棒性。     

基于插值数浮动的MTF精确测量方法

采用刀口法测量成像系统调制传递函数(MTF)时,刀口装置与探测器矩阵夹角的准确测量是难点和关键点之一.针对这一问题,首先模拟刀口图像倾角对应的理论基准插值,研究了加载噪声情况下插值数浮动与线扩散函数(LSF)波动性变化以及MTF曲线衰减特性的定量关系;接着对实际X射线数字化成像系统获得的特定倾角下的刀口边缘图像进行了基于插值浮动的MTF测量,并将由其获得的MTF值与线对卡结果进行比较,证明了该方法用于成像系统MTF测量的有效性.结果表明:角度测量误差造成实际插值数偏离理想基准插值,导致LSF曲线光滑性变差,MTF衰减程度高于实际衰减.通过插值浮动方法,能够有效地避免角度测量误差引起的MTF测量的误差,降低角度测量的高精密性要求.     

高精度星敏感器星点光斑质心算法

高精度星敏感器星点光斑的质心精度是星敏感器整体精度的基础,它需要达到角秒级的量级。因此,提出了一种基于亚像元相关法的星像质心算法。这种算法是利用互相关匹配实现图像定位的原理,将星像质心定位到亚像素上来提高质心精度。它可以克服由于系统误差和图像采集所带来的误差。根据系统的光学参数设计以及星像的光谱、亮度及其在视场中的位置特征,仿真得到点列图模型,针对视场内与光轴的不同夹角仿真制作一系列亚像元理想模板,然后对星像加高斯随机噪声,把有随机噪声的星像与理想星像进行相关运算来求星像质心精度。通过仿真实验,得到相关法具有较高的星像质心精度,定位精度可以优于1/12个像素的量级。     

基于LOG-Zernike算子的快速图像测量

图像测量技术,一个很重要的方面就是图像的边缘检测定位,而边缘定位的准确与否又直接影响到测量的精度.常用的检测算法都是像素级的,对测量要求较高的场合无法满足要求.定位速度一直是边缘检测算法的一大瓶颈,本文正是在保证一定精度的前提下,研究了快速图像测量算法,即运用LOG算子先对工件进行快速边缘定位,在此基础上采用zernjke矩法将精度提高到亚像素级.为了得到实际的测量尺寸,应用块规进行了系统标定并进行了一系列测量实验,实验结果表明该方法定位精度接近于Zernike矩法,且算法的运行对间大约在1.5s左右.     

基于线阵CCD的曲面孔系位置精密测量系统

用线阵CCD扫描获取圆孔图像,通过图像识别确定圆心,实现孔系位置精密测量。以所提出的识别弦端点确定图像圆心坐标的算法,对500根弦的中点坐标进行滤波处理,可使识别误差接近图像像素距离。采用边缘慢、中部快的变速扫描方案,密化了有效采样点,使圆心坐标在X,Y方向的重复度均小于4μm。     

A Pupil-Positioning Method Based on the Starburst Model

Human eye detection has become an area of interest in the field of computer vision with an extensive range of applications in human-computer interaction, disease diagnosis, and psychological and physiological studies. Gaze-tracking systems are an important research topic in the human-computer interaction field. As one of the core modules of the head-mounted gaze-tracking system, pupil positioning affects the accuracy and stability of the system. By tracking eye movements to better locate the center of the pupil, this paper proposes a method for pupil positioning based on the starburst model. The method uses vertical and horizontal coordinate integral projections in the rectangular region of the human eye for accurate positioning and applies a linear interpolation method that is based on a circular model to the reflections in the human eye. In this paper, we propose a method for detecting the feature points of the pupil edge based on the starburst model, which clusters feature points and uses the RANdom SAmple Consensus (RANSAC) algorithm to perform ellipse fitting of the pupil edge to accurately locate the pupil center. Our experimental results show that the algorithm has higher precision, higher efficiency and more robustness than other algorithms and excellent accuracy even when the image of the pupil is incomplete.     

利用正弦条码尺实现位移测量

根据一维正弦条码对位移进行编解码的原理,提出了一种绝对位移和相对位移测量的新方法。该方法通过对一维正弦条码图像进行傅里叶频谱分析, 根据首条码的相位值进行粗定位,并对该条码进行中心几何定位实现连续位移的精确测定。误差分析表明:位移测量误差完全取决于首条码中心几何定位。为此,采用亚像素定位技术建立了正弦条码尺测位移的原理装置,并对 2米远处步距分别为 1.5cm 和 1mm 时正弦条码尺的两种垂直位移进行了测量,测量值的最大误差为 0.036mm,标准差优于 0.024mm。     

基于视觉的某炮弹药筒退弹槽槽底宽度精确测量研究

目的某炮弹药筒退弹槽底宽检测速度和精度要求比较高,传统的手工测量适应不了自动化生产的需要。方法用DH-SV1410型CCD摄像机及可调LED光源构建图像采集系统,并在VS2010平台上用C#语言编写一套基于机器视觉的测量系统。采用亚像素边缘轮廓提取方法精确定位退弹槽的边缘轮廓,并设计一个针对退弹槽底宽检测算法。结果通过对一个零件相同部位进行重复对比实验和多个零件测量对比试验表明,该系统在微米级上有误差,但最大误差最大不超过2μm。结论该系统的检测精度能够达到10μm,完全能满足某炮弹药筒在线测量的速度和精度要求,且测量结果不受主观因素的影响。