基于光场成像的三维测量方法的研究

光场有别于传统图像,不仅具有位置信息而且包含方向信息,为空间场景重建提供了可能。首先对光场成像技术进行光场变换建模,建立了像素光场模型,并提出光场变换准则,为光场重聚焦奠定基础。然后借鉴传统的对焦测距思想,建立了光场三维测量的方法,选择合适光场数据的清晰度评价函数评价成像质量,提出三角质心插值方法优化光场重建质量。最后,对光场三维测量系统进行了标定,建立像面误差补偿算法。实验表明,测量范围10~120 cm时,测距误差小于5%。     

基于超精密复眼加工的光场成像研究

复眼透镜是光场成像系统中的关键光学元件。提出一种针对复眼透镜的新型设计加工方法:该设计方法可根据不同的相机参数,优化复眼透镜的设计参数,提高成像质量;该加工方法主要包含超精密车削加工和模压注塑两道工艺,并对车削加工工艺进行了改良。在光场相机的基础上,对光场成像中合成孔径以及数字重聚焦等关键问题进行了深入探讨。试验结果表明,设计加工的复眼透镜阵列具有较高的精度和较好的一致性,可有效实现光场成像的核心功能。     

基于线阵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,它克服了采用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。该系统分别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,经空间解算,确定被测物体的姿态角。着眼于合作目标和相机光学系统的相对位置及呼应,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。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、实时的测量,且具有合作目标简单,价格低廉等优点。     

GPS双目摄像机标定及空间坐标重建

为减轻双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖,实现摄像机参数的精确标定,并对空间坐标进行高精度重建,提出一种GPS双目摄像机标定及空间坐标重建方法,采用GPS代替2D或3D靶标进行双目摄像机标定。将GPS的位置在视场中任意移动,由被标摄像机拍摄多组含有GPS的图像,利用空间三维坐标与图像二维坐标间的映射关系,结合摄像机成像模型和双目摄像机标定原理,标定出双目摄像机参数,并对空间坐标进行精确重建。通过空间重建坐标与GPS实际测量值之间的相对距离误差,对重建精度进行检验。实验证明,该方法能够克服双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖,空间重建坐标具有较高的精度,相对距离误差从1.56%减小到0.52%。     

火炮身管疵病深度测量系统

为了准确获取火炮身管疵病深度参数,提出了一种新的基于等效多基线立体成像的疵病深度测量方法,并采用单摄像机建立了疵病深度自动测量系统。首先,对摄像机采用Tsai两步法进行标校。接着,采用等效多基线立体成像法获取疵病图像。在此基础上,利用标校数据和图像的位置参数,通过疵病特征提取和疵病图像立体匹配处理,获取疵病深度图像的输出,从而得到准确的疵病深度值,实现对火炮身管疵病深度参数的精确测量。测试结果表明:该疵病测量系统得到的疵病深度测量绝对误差0.1 mm,相对误差5%,完全满足火炮身管疵病深度测量的需要,能够为火炮鉴定试验和伴装保障提供重要的技术支持。     

高精度影像测量系统中图像的超分辨率重建

为了提高影像测量系统的测量精度,研究了基于微位移错位的多幅图像超分辨重建技术.考虑制作成本和制作难度,提出了一种不苛求精确微位移的超分辨率重建技术.首先,获取随机微位移图像序列;然后,利用被测对象中易于实现高精度提取的特征点或采用模板衬底中的特征点计算出图像序列间的准确位移关系;最后,根据本文提出的数学模型重建出高分辨...     

Blind deconvolution of 3D fluorescence microscopy using depth‐variant asymmetric PSF

The 3D wide‐field fluorescence microscopy suffers from depth‐variant asymmetric blur. The depth‐variance and axial asymmetry are due to refractive index mismatch between the immersion and the specimen layer. The radial asymmetry is due to lens imperfections and local refractive index inhomogeneities in the specimen. To obtain the PSF that has these characteristics, there were PSF premeasurement trials. However, they are useless since imaging conditions such as camera position and refractive index of the specimen are changed between the premeasurement and actual imaging. In this article, we focus on removing unknown depth‐variant asymmetric blur in such an optical system under the assumption of refractive index homogeneities in the specimen. We propose finding few parameters in the mathematical PSF model from observed images in which the PSF model has a depth‐variant asymmetric shape. After generating an initial PSF from the analysis of intensities in the observed image, the parameters are estimated based on a maximum likelihood estimator. Using the estimated PSF, we implement an accelerated GEM algorithm for image deconvolution. Deconvolution result shows the superiority of our algorithm in terms of accuracy, which quantitatively evaluated by FWHM, relative contrast, standard deviation values of intensity peaks and FWHM. Microsc. Res. Tech. 79:480–494, 2016. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.     

成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法研究

在中医舌诊的客观化研究中,舌面的彩色三维数据能为医生提供更全面的信息,提高诊断的准确性。提出了一种基于成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法。在成像光线追踪模型的基础上,引入光平面约束,以准确确定成像点到空间测量点的映射,结合2个线结构光传感器的扫描测量,分别获取舌头上表面及下表面完整的三维信息,并根据空间测量点到成像点的映射,完成颜色渲染,获取对应测量空间点的颜色信息。设计并研制了舌面彩色三维成像系统,进行了测量及精度验证实验,实验结果表明该方法可以准确获取舌面的彩色三维信息。     

无执行机构的曲面形状精密测量装置与方法

针对目前三维表面形貌测量存在测量精度低与测量速度慢等问题,研发设计了一种无执行机构的曲面形状精密测量装置与方法,它具有测量精度高、速度快的优势。采用液晶空间光调制器改变照明角度,以及改变被测样品的探测深度,只需计算机控制即可完成,无需执行元件,测量速度快。综合运用了图像传感器成像技术和图像高清晰三维处理技术,使得整个测量过程智能化。     

基于图像差分的精密畸变校正研究

图像畸变是影响视觉检测精度的关键因素.通过图像差分建立畸变场微分方程,提出了摄像机光学成像系统畸变场微分方程参数的理论计算方法,实现了基于图像差分的精密视觉检测.首先给出差分成像方式及图像畸变场微分方程建立方法,然后高精度标定摄像机确定畸变场微分方程理想平移量参数,改进Harris角点提取法使其达到亚像素精度,再采用SAD角点特征匹配法确定畸变场微分方程局部位移量参数,最后利用Nelder-Mead-Simplex优化策略实现畸变场微分方程求解,获得图像畸变完整精确的描述.在石油管螺纹梳刀上的实验表明,该方法检测精度高,且仅需要2个平移自由度,极大地简化了图像检测机械装置.     

用于三维变形测量的数字图像相关系统

针对材料力学实验中的三维变形测量,提出并实现了一种基于双目立体视觉、摄影测量术和数字图像相关法的便携式三维变形测量系统。研究了该系统涉及的双目摄像机标定,图像相关算法,三维重建,以及三维位移、应变计算等关键技术。提出了一种基于摄影测量术的摄像机标定算法,该算法采用10参数镜头畸变模型,不需要高精度标定板即可实现摄像机的高精度标定。利用最小二乘非线性优化算法实现了数字图像的高精度匹配,针对非线性优化初值难求的问题,提出了一种基于种子点的初值计算方法,为非线性优化提供了可靠的初值。最后,介绍了三维重建以及计算三维位移、三维应变的方法。实验结果表明,标定结果的重投影误差为0.03 pixel,图像匹配的误差约为0.02 pixel,静态外形及位移的测量精度为0.05%,应变的测量精度优于0.5%。与传统的测量方法相比,本文提出的系统可以更准确、全面、直观地实现对位移场、应变场的测量。     

计算成像技术在光学检测领域的研究进展

成像系统在利用传感器记录图像信息时,只记录了强度信息而丢失了重要的相位信息。 传统的干涉相位恢复技术由于 需要满足严格的干涉条件,在使用过程中受到一定限制。 随着计算成像技术的蓬勃发展,以强度传输方程和相干衍射成像以及 在此基础上发展起来的相干调制成像、叠层扫描相干衍射成像为代表的非干涉相位恢复技术受到广泛关注,并被运用于光学检 测领域。 这类技术无需参考光,系统结构简单,可通过衍射强度图直接获得相位信息,在检测领域有巨大的应用潜力。 基于此, 介绍了几种典型的计算成像技术的研究现状与最新进展,同时讨论分析了各类方法的主要技术特点。     

利用偏振信息的雾天图像全局最优重构

针对雾、霾等强散射环境下相机拍摄图像严重退化的问题,提出了一种降低雾霾环境对图像质量影响的图像去雾重构方法。基于雾天偏振成像模型,分别估计图像每个区域的重构参数,获取全局最优的重构参数。利用偏振滤波的方法估计雾天大气散射光的偏振度分布,利用自适应亮通道方法计算无穷远处大气散射光的强度分布,从而重构出去雾图像。最后,利用偏振度的纹理信息对重构图像进行增强。该方法考虑了图像中不同位置大气杂散光参数的不一致性,对图像每一区域的重构参数分别运算,从而获得全局最优的重构参数图像。该方法还不要求图像必须包含天空区域,并且具有对灰度图像的处理效果较好的优点。     

基于并行共聚焦显微系统的物方差动轴向测量

差动共聚焦显微成像技术可以获得很高的轴向测量精度,然而已有的差动共聚焦测量技术主要适用于激光扫描共聚焦,还不能满足微纳加工过程中对工件进行非接触式的在线、在位测量的要求。本文在分析差动共聚焦显微成像系统能够实现轴向测量原理的基础上,提出了适用于并行共聚焦技术的轴向测量方法。该方法利用均匀白光照明,在像方只需要使用一台相机做探测器,在物方通过移动载物台分别对样品在焦前和焦后两次成像,根据预先刻度好的差动曲线就可以得出物体表面的高度。理论模拟与实验结果均表明,该方法可以实现高精度的轴向测量,对500nm的台阶样品测量的平均误差为2.9nm,相对误差为0.58%。该方法简单、廉价、测量精度高,可以用于普通显微镜,易于实现样品的三维快速形貌还原与测量。     

面向大型工件现场测量的光笔式视觉测量系统

研制了一种面向大型工件现场测量的光笔式视觉测量系统,对其中的关键技术进行了深入研究。该系统主要由带有红外LED光点的光笔、1台CCD摄像机、靶点亮度控制器、一维标定尺以及安装有测量软件的计算机组成。在对LED点光源光强控制方式及成像系统工作原理进行分析的基础上,设计并实现了以多靶点亮度自适应控制技术和主动离焦模糊技术相结合的靶点光斑图像生成技术。该技术保证了在大跨度测量范围内均能获得高质量的靶点光斑图像,解决了对焦成像中摄像机视场范围与景深有限的问题;针对光笔标定问题,提出了一种简便易行的现场标定方法,此方法只需要若干个辅助靶点和2个以上间距已知的圆锥孔,就可以同时确定光笔上各靶点及光笔测头在光笔坐标系下的坐标。实验结果显示:该测量系统在2~10 m空间长度测量标准差不大于0.095 mm,能够满足中等精度的大型工件现场测量要求。     

基于光栅投影的多摄像机标定方法

多摄像机是解决结构光测量系统中视场小和自遮挡等问题的有效方案,但同时由于摄像机分布广、无公共视场,存在全局标定困难的问题。提出了一种基于条纹投影的多摄像机标定方法。加入辅助设备投影仪并向视场内投影大幅面的条纹图案,借助相位算法建立起全局相位场,反求景物的投影仪虚拟图像。利用平面靶标标定摄像机的内参和投影仪的外参获取靶标平面的移动信息,进而求解相邻摄像机的位置参数。最后的优化过程中,再根据相位值对相邻摄像机的图像完成亚像素匹配,通过最小化重建偏差对系统参数进行迭代优化。在搭建的多摄像机三维测量系统上进行试验,结果表明本文的多摄像机标定和测量方案切实可行。     

Automated Acquisition and Processing of 3D GPR Data for Object Detection and Characterization

To improve image resolution of GPR data, proper data acquisition is the first key part of the whole imaging sequence. Obtainable down and cross range resolutions, insofar as they are related to acquisition, are determined by the frequency bandwidth of the GPR equipment, the temporal and spatial sampling rates and the accurate knowledge of the antenna positions. The key parameters for three-dimensional imaging algorithms are wave velocity distribution in the domain of interest, radiation (polarization and amplitude) characteristics of the antenna system and emitted waveform. To this end we have designed and manufactured a measurement frame with high horizontal position accuracy of the antennas, by using a servomotor that automatically moves the antennas over the whole area of the measurement frame for a fixed vertical position of the antennas. When acquisition is completed, the data needs to be processed such that object detection and characterization is most easily accomplished. In most cases, object detection can be carried out on the preprocessed data itself, but in some cases and certainly for characterization purposes improved image resolution is required. This is realized using imaging algorithms, preferably those that take into account the polarization and amplitude characteristics of the antennas.Now with Shell International Exploration and Production B.V.     

基于成像光线空间追踪的摄像机标定方法研究

摄像机测量模型和标定方法是视觉测量的关键,直接影响视觉测量系统的测量精度。针对这个问题,借鉴非成像模型的摄像机校准的思想,提出了基于成像光线追踪的摄像机标定方法。分析测量点经摄像机镜头成像的规律,通过空间直线确定摄像机图像坐标与测量空间的映射关系。使用像平面和两个空间平面的映射关系,建立空间直线表达方式,完成基于成像追踪方法的摄像机测量参数标定。通过噪声分析和精度测量实验对基于成像追踪的摄像机标定方法进行精度验证,实验结果表明该方法可以有效抑制标定数据噪声对测量结果的影响,提高摄像机标定精度。     

单光源双光路激光并行共焦测量系统设计

针对传统激光并行共焦测量过程中存在的泰伯效应,提出将数字微镜器件（DMD）引入激光并行共焦测量系统来正确辨识正焦面的位置。采用了DMD作为光分束器件,从理论上验证了它是一种投影式的阵列光源,对激光分束后不会在光路方向上产生泰伯像;同时,考虑DMD不能对分束后的光线产生会聚作用,并非高效的并行光源分束器件,本文将DMD与微透镜阵列(MLA)结合构建了单光源双光路并行共焦测量系统。该系统利用DMD光路探测正焦面位置,利用微透镜阵列光路进行精确的共焦测量。实验结果表明,两种光路下的正焦面位置仅相差2 μm,在一个泰伯间距范围之内,可以较好地克服泰伯效应对激光并行共焦测量的影响,进而保证较高精度的并行共焦测量。     

便携式多功能钻孔成像测量系统的研制

该文研究了一种基于OMAP4460嵌入式平台的便携式多功能钻孔成像测量系统,设计了钻孔成像测量系统的总体方案,详细阐述了微处理器、图像采集模块、深度采集模块、光源模块以及电源模块的硬件设计。为了实现钻孔成像测量系统的人机交互和信息展示,开发了钻孔成像测量系统APP,能够完成图像预览、拍照、录像、姿态显示、深度显示、参数设置、数据存储等功能。为了测试该钻孔成像测量系统的应用效果,选取了一个地面水文地质观测孔进行测量。试验结果表明:钻孔成像测量系统能够清晰观测孔内情况,准确采集钻孔轨迹和深度信息,完全满足目前地质勘测领域的测量要求。