基于Contourlet变换的阴影恢复形貌方法及产品表面缺陷检测应用

为实现对物体表面三维深度缺陷检测,提出一种基于Contourlet变换的明暗恢复形状算法来解决三维物体表面重建问题。针对在传统的明暗恢复形状方法重建过程中出现的计算收敛速度较慢的问题,从图像多尺度几何分析的角度进行研究,利用Contourlet变换系数来表达图像,用基系数近似的计算微分算子,从而优化目标函数的求解过程。试验结果表明使用Contourlet系数的SFS算法比传统和小波系数的算法获得更优的迭代步长,可以使得计算过程中的误差项下降到较低的水平,从而获得更准确的三维信息。检测所使用的三维形状恢复方法只需要根据单幅测量图像,就可实现对零件三维缺陷的检测。     

联合全局与局部特征的深度压缩感知图像重构

从极少量的测量值中有效且高概率高质量恢复出原始信号是压缩感知图像重建研究的核心问题,学者们相继提出了传统和基于深度学习的压缩感知图像重建算法,传统算法通常基于优化模型迭代求解,重建质量和重建速度都无法保证;基于深度学习的算法重建质量相对较高,但缺乏物理可解释性。受滤波流的启发,本文提出了联合全局与局部的深度压缩感知图像重建模型（G2LNet）,其以卷积层执行压缩采样以及初始重建过程,利用快速傅里叶卷积与滤波流,同时考虑了图像全局上下文信息和图像像素局部邻域信息,联合学习优化测量矩阵与滤波流,建立了完整的端到端可训练的深度图像压缩感知重建网络。经实验验证,在压缩感知图像重建领域常用的Set5,Set11,BSD68测试集上取得了良好的重建效果,在采样率为20%的情况下,G2LNet的图像重建质量相比于经典的传统算法MH与基于深度学习的算法CSNet的平均PSNR分别提高了2.29 dB,0.51 dB,有效提升了重建图像质量。     

大腿骨骼三维超声断层图像配准方法研究

在三维医学超声断层成像中,由于受试者受到自主或不自主的运动等因素的影响,使得上下扫描的相邻切片之间存在一定的空间错位现象。本文以大腿骨骼的断层成像为例,提出了一种基于边缘特征点计算的配准方法。该方法利用二阶差分平方和评估重建三维物体数据表面的粗糙度,并将其作为配准的目标优化函数。通过经典模拟退火算法调整三维体各层之间的空间位置,目标优化函数可逐渐衰减并收敛到最小值。配准后的序列图经三维重建后与原始三维图像比较,层与层之间出现的运动错位现象已经基本消除,证明本方法有效地改善了三维超声断层成像质量,具有一定价值的临床应用价值与参考意义。     

金字塔光流三维运动估计与深度重建直接方法

针对基于图像序列光流的三维运动估计与深度重建问题,提出一种基于图像金字塔光流的三维运动估计与深度重建直接方法。首先根据光流计算亮度守恒假设和像素点光流与三维空间点运动的对应关系推导出基于图像亮度的三维运动守恒假设;然后借鉴变分原理,通过设计基于L1模型的鲁棒数据项以及图像与运动联合控制的平滑项构造基于变分光流的三维运动估计能量函数;为了应对图像序列中包含的大位移运动及运动遮挡问题,采用图像金字塔分层策略设计三维运动估计模型;最后根据图像三维运动估计结果重建图像中运动物体或场景的深度信息。实验表明,该方法能够较好地应对图像序列中光照变化、多目标大位移运动以及运动遮挡等情况,具有较高的三维运动估计与深度重建精度和较好的鲁棒性。     

深海原位激光扫描双目立体视觉成像系统

为满足深海物体原位三维测量需要,提出一种激光扫描双目立体视觉成像方法。该方法基于双目立体视觉原理,采用四维光场光线表示法,建立水下双目立体成像系统的测量模型;采用激光线扫描光条作为像素匹配线索,及基于共面约束的像素匹配算法,提高水下左、右两个相机图像像素匹配精度。通过耐高压结构设计、电气和软件设计,建立起相应的工程样机。静水压力试验表明,该工程样机能够适应4 000 m深海静水压力;实验室精度试验,采用标准球棒为测量对象,在距离样机3 m处,多次扫描三维重建后,得到两靶球球心距测量结果的标准差为2.28 mm;南海真实海域实测试验,表明样机具有深海原位三维测量重建功能,且在距离样机2 m处,对标准球棒两球心距测量结果的标准差为2.22 mm。上述研究和试验表明,研制的激光扫描双目立体视觉成像系统,具备深海原位测量功能,具有较高三维测量精度。     

基于工业计算机断层成像技术的三维CAD模型重构方法

为解决复杂形状产品的三维计算机辅助设计模型的重构难题,提出了一种基于工业计算机断层成像技术的三维计算机辅助设计模型的重构方法.首先用工业计算机断层成像技术对产品进行扫描,得到产品切片图像,然后通过切片图像获取体数据;在采用高斯滤波对体数据进行预处理后,使用移动立方体算法重建三维表面,并用顶点删除法和二次误差测度算法简化三维表面;在采用Laplacian算法平滑三维表面后,将三维表面模型保存为STL格式的文件;最后,将STL格式的文件导入到UG中,重构出产品的三维计算机辅助设计模型.实际应用验证了该方法的有效性和正确性.     

非完整ERT数据的两相层状流分布图像重建

针对电阻层析成像在气液两相层状流测量中会有电极被气相覆盖，无法正常重建图像的问题，提出基于有效数据和基于敏感场重建的两种气液两相层状流分布重建解决方法。基于有效数据直接重建方法是采用边界测量数据的幅值判断方法确定失效电极的数目和位置，进而对原始测量数据进行筛选，保留正常的测量数据对整个测量区域进行图像重建。基于敏感场重建的方法，是在判断出失效电极之后，将层状流的流动状态作为一种先验信息，去除失效电极包围的区域，图像重建只在有效电极包围的区域进行，从而减少了未知量的数目，期望达到提高重建图像的空间分辨率的目的。仿真与层状流实验结果证明了两种方法的有效性。     

基于激光扫描和SFM的非同步点云三维重构方法

室外场景具有测量数据量大、扫描数据易重叠及建筑物表面信息复杂等特点,单靠激光扫描方法能够获得场景精确的深度信息,但缺乏颜色和纹理信息,利用从运动中恢复结构(SFM)方法可获得丰富的彩色信息,但重构精度不高,若将两种设备固定进行在线实时同步测量,易受到测量环境和系统制约不易实现。针对此问题,提出了一种基于激光扫描和SFM结合的非同步点云数据融合的三维重构方法。首先,提出利用手动选择控制点进行7自由度初始配准,再利用迭代最近点(ICP)算法对初始配准结果进行精确配准,最后利用最近点搜索算法将分布在经基于面片的多视图立体视觉(PMVS)算法优化后的SFM数据中的颜色信息与激光扫描的点云坐标进行融合。实验结果和数据分析显示,本文的方法能有效地将激光扫描与SFM点云数据进行融合,实现了室外大场景的三维彩色重构。     

基于切片法的管道重构算法及其应用

针对激光扫描测量中广泛存在的各种管道点云数据,提出了一种基于迭代的切片方向优化算法及根据管线方向变化自动寻找新种子点与对应切片的算法,以此获取决定管道结构的特征参数—截面轮廓线半径及中心线点列,并利用CAD软件重构出管路模型。论文还针对管径突变处的数据处理及重构算法进行了研究。论文提出的主要算法分别在理想数据与实测管路数据上进行了验证,达到了预期的效果。     

层析扫描声学显微镜的研究

为了获得被测样品三维信息同时具有较高的分辨率，在电子科技大学光电声学信息处理研究中心研制成功的激光扫描声学显微镜的基础上，通过检测电路、数据获取等方面进行的硬件改进以及相应的算法研究，获得了合理有效的重建数据，将非线性衍射层析成像算法引入到改进后的SLAM系统中，得到了层析扫描声学显微镜的样机，并且在实验上获得了清晰的集成电路样品的三维层析图像。     

新型自由曲面三维激光扫描系统

从机械结构、控制系统及操作系统结构等几个角度介绍一种三维激光扫描系统设计方案。系统集成了先进的数据处理技术、激光扫描技术、先进控制技术及机器人技术,有效地借助于光机电一体化技术实现了表面检测及三维表面模型重构智能化及自动化。系统由具有电驱动装置的激光测头、C形滑臂、升降旋转台、电控系统及主控计算机组成。通过所设置测量参数,系统能够对不同的被测物体进行扫描路径规划,进而通过激光测头、C形滑臂及转台的全自动协调控制完成无盲点三维表面测量任务。试验结果表明,该三维激光扫描系统的扫描精度达到0.1 mm,速度为10 000点/s,能够应用于小型工件及模型、模具表面数据检测及模型重构。     

An extension of laser-interferometric CT measurement to unsteady shock waves and 3D flow around a columnar object

The 3D laser-interferometric CT measurement of the unsteady flow field induced by shock wave discharging from a circular nozzle next to a short columnar object in a shock tube experiment is presented as an extension of previous work of 3D measurement of open flow field. The 3D density distribution around the object is reconstructed with FBP (filtered back projection) and MLEM (maximum likelihood expectation maximization) algorithm from the incomplete projection data caused by the obstruction of the observation light for interferometry with an object in a test section. The 3D density-gradient distributions are also evaluated from the resultant 3D density distribution, we demonstrate that laser-interferometric CT measurement of interaction field of shock waves and an object come to sight.     

用于弱纹理场景三维重建的机器人视觉系统

为了实现机器人在弱纹理场景中的避障和自主导航,构建了由双目相机和激光投点器构成的主动式双目视觉系统。对立体视觉密集匹配问题进行了研究:采用激光投点器投射出唯一性和抗噪性较好的光斑图案,以增加场景的纹理信息;然后,基于积分灰度方差(IGSV)和积分梯度方差(IGV)提出了自适应窗口立体匹配算法。该算法首先计算左相机的积分图像,根据积分方差的大小确定匹配窗口内的图像纹理质量,然后对超过预设方差的阈值与右相机进行相关计算,最后通过遍历整幅图像得到密集的视差图。实验结果表明:该视觉系统能够准确地恢复出机器人周围致密的3D场景,3D重建精度达到0.16mm,满足机器人避障和自主导航所需的精度。与传统的算法相比,该匹配方法的图像方差计算量不会随着窗口尺寸的增大而增加,从而将密集匹配的运算时间缩短了至少93%。     

双振镜点扫描三维形貌测量系统

针对远距离大尺寸物体三维形貌测量的要求,设计并实现了基于激光三角法原理的双振镜点扫描三维形貌测量系统。介绍了系统的结构和测量原理,并对系统进行建模,推导了被测物体表面测量点的三维坐标计算公式。构建了原型系统,利用专用的二维平面靶标在测量空间内自由摆放数次,根据靶标上特征点及其像点间的位置关系,以坐标系转换为基础实现了测量系统结构参数的现场标定。利用李萨如图扫描模式分别对靶标平面、已知直径的球面及石膏像自由曲面进行了测量实验。结果表明,测量距离1m处,测量点到拟合平面的距离误差均值为0.70mm,球面直径测量误差均值为0.51mm;测量距离10m处,测量点到拟合平面的距离误差均值为17.85mm。该系统可用于远距离大尺寸物体表面的三维形貌测量。     

基于相干反斯托克斯拉曼散射的二维温度场扫描测量

开展了基于相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术的二维温度场扫描测量研究。通过同步扫描测量点及信号接收端的方式,实验测量了甲烷/空气预混火焰水平截面离散点的温度,并插值重建了二维温度场;用同步扫描法调节测量点与火焰的位置,实现了在扫描过程中对火焰同一空间位置的温度测量,排除了火焰空间分布不均匀性对扫描测温结果的附加影响。最后分析了提出的扫描CARS测量系统在实验设定状态下的扫描测温A类不确定度。结果显示:在扫描测量同一空间位置的实验中,测得该点平均温度为2 074K;测温A类不确定度优于21K。本研究量化了扫描CARS温度测量系统的不确定度,提高了扫描温度测量结果的可信度,为后续稳态火焰温度分布高精度测量、计算机流体动力学(CFD)模拟验证及燃烧基本问题研究奠定了实验基础。     

基于维诺图匹配的粒子跟踪测速法

针对密集颗粒流速度场分布的测量问题,提出了基于维诺图匹配的粒子跟踪测速法。首先,通过对图像粒子进行维诺图构建,给出面积相似度筛选匹配粒子的条件;其次,引入Delaunay三角网搜索结构,通过计算维诺多边形的形状相似度来匹配粒子;再次,研究了去除错误匹配粒子矢量的方法和匹配算法中的关键参数;最后,通过模拟二维旋转流场运动以及二维转盘中的颗粒流实验对算法进行了测试。结果表明:维诺图匹配的匹配准确率高于DT-PTV并且在处理密集粒子匹配效果上更好;维诺图匹配算法适用于测量密集颗粒流速度场分布,颗粒匹配准确率高达99%,并由得到的颗粒流速度场分布验证了算法的有效性。     

Estimation of the liquid velocity field in two-phase flows using inverse analysis and particle tracking velocimetry

In bubbly two-phase flow, the gas phase and liquid phase have different flow fields. The relative velocity of the two phases depends on the motion characteristic of the bubbles. The mathematical expression for the motion of a small bubble at low Reynolds number is already established. Using the equation, the liquid velocity along the trajectory of the bubble is calculated inversely using the motion equation. Whole field liquid flow structure is also estimated using a spatial and/or temporal interpolation method. This paper proposes an algorithm for estimating the liquid phase flow field from measurement data on bubble motion. In order to verify this principle, Taylor–Green vortex flow and Karman vortex shedding from a square cylinder have been chosen. The results reveal that by combining the inverse analysis and PTV with the spatio-temporal post-processing algorithm one can reconstruct well the carrier phase flow of the gas–liquid two-phase flow.     

一种线结构光自扫描测量系统的研究

为了实现对复杂自由曲面的快速精确测量,提出了一种由CCD摄像机、振镜和激光线投射器组成的全视觉自扫描测量系统。该系统利用光学三角法确定了一种新的测量物体表面三维坐标的方式。基于该方式,此测量系统使用平面靶标实现了对摄像机内部参数的标定,借助振镜转动驱动激光平面完成了对摄像机视场内被测物体的扫描,最终根据激光平面方程和计算机二维平面图像信息获得了被测物体的三维数据。试验结果证明,该系统能以较快速度实现自由曲面的精确测量。     

基于三维速度场构建的微流量测量方法研究

采用微流体粒子图像测速仪(microscale particle image velocimetry,micro-PIV)对200μm宽、60μm深的长直通道三维速度场进行了非接触定量可视化测量,并在此基础上计算了通道内的微流量。实验采用二维分层速度场测量方法,将通道沿物镜景深方向划分为11个流体层,通过高精度的位移平台实现流体跨层粒子图像采集。分别针对64×64像素和32×32像素2种判读域,采用micro-PIV系综相关算法对流体层二维速度场进行分析,获得三维全场速度分布,在此基础上利用截面速度离散积分原理计算出截面微流量。实验结果表明,基于微流体粒子图像测速仪的三维速度场分析能够实现对微通道流量的精确测量。对于64×64像素判读域,输入流量在2.481～5.788μL/min范围的测量结果精度较高,最大相对误差为3.87%;对于32×32像素判读域,输入流量在3.307～8.269μL/min范围内均有较高测量精度,最大相对误差为3.69%,表明采用32×32像素判读域的流量测量精度总体上优于64×64像素判读域。