一种基于投影校正的在机工件三维重构方法

提出了一种新的基于投影校正的移动式单目视觉三维重构方法。在投影校正后的立体图像对平面上,所有极线相互平行且处于水平方向,共轭极线位于同一条水平线上,使单目摄像机在移动前后的两个位置拍摄的图像的对应点匹配搜索从二维平面降至一维水平线,为图像匹配提供了极为有利的约束条件。采用该投影校正的方法对铣床上的工件进行了三维重构,证明了该方法的有效性。     

锥束ART算法快速图像重建

针对锥束ART算法重建速度慢的问题,提出了一种基于投影的三维射线与体素的快速遍历和求交算法.该算法将三维射线投影到两个互相垂直的平面上,通过计算投影线与投影平面的相交情况来确定三维射线穿过体素的索引及长度.利用该算法在图像重建过程中实时计算权因子,不仅节省了大量的内存空间,而且提高了投影和反投影运算的速度.基于该算法的特点,在重建过程中采用了一种按列优先的策略,减少了不必要的计算,大大提高了重建速度.仿真实验表明,该算法非常有效,与传统的Siddon算法相比取得了17倍以上的重建加速比.     

随机模式投影双目测量系统中的单目测量方法

针对基于随机模式投影的双目立体测量系统的特点,提出了一种由单摄像机-投影器构成两个单目测量单元的测量方法。首先给出了一个简洁有效的标定算法,该算法只需从不同角度拍摄随机光场在普通白板上的图像（称为标定图像）,就可以标定纯随机模板上每一点经投影镜头发出的光线。无需标定投影镜头畸变,且精度不受投影镜头畸变的影响。然后将随机光场照射下的被测物体图像与标定图像进行亚像素精度的像点匹配,根据三角测量原理获取物体表面的三维点云数据。最后采用标准平面对该方法进行测量精度验证,并给出了具体的测量实例。实验结果表明：平面度测量精度为0.0175mm,不确定度<0.05mm(3σ)。由于采用单目测量单元进行测量时,空间一点无需在两个摄像机视场内均可见,因此避免了因局部高光、被测物体自身遮挡等原因引起的三维测量数据丢失,有效地弥补了双目测量系统的不足。     

应用投影收缩的压缩感知锥束CT短扫描重建

由于锥束CT成像系统在短扫描方式下无法获得完全投影数据,从而限制了图像重建的质量,本文提出了一种基于投影收缩的压缩感知锥束CT短扫描重建算法。考虑BB(Barzilai-Borwen)梯度投影算法的非单调收敛,分析了投影收缩法的预测校正特性,并将校正过程引入到压缩感知图像重建算法中。结合目标函数下降方向和凸集投影下降方向,校正BB梯度投影算法,改善BB梯度投影算法的非单调特性。应用该算法对模拟投影数据和仿体扫描数据分别进行了重建试验。模拟试验结果表明,在25个采样角度下,用提出算法重建图像的信噪比值比自适应最速下降-凸集投影算法、投影收缩算法和BB梯度投影算法的重建结果分别高出9.487 0、9.802 7、3.615 9dB。仿真试验结果表明:在少量投影角度下该算法重建结果有效抑制了条状伪影,清晰重建出边缘细节,极大提高了少量投影数据重建图像的质量。     

基于光子计数激光雷达的时域去噪

激光雷达传统的成像方法需要经过长时间积分探测生成光子计数统计直方图的方式来减少背景噪声的影响,获得目标场景的深度估计信息。为了快速准确地获取目标场景的3D图像,提出基于光子计数激光雷达的三维距离图像时域去噪算法。该算法不需要生成光子计数统计直方图,利用信号和噪声在时间轴上不同的分布特性,结合了泊松过程统计规律。此算法提高了信号的探测概率,能够在低信噪比的环境下将信号和噪声分离,获得目标场景准确的3D图像。实验结果表明在低信噪比的条件下,此算法获得深度图像的RMSE与传统基于最大似然估计成像方法相比成像精度至少提高了3倍。有利于激光雷达三维成像在高背景噪声环境下的使用,拓宽了激光雷达的应用范围。     

基于各向异性空间投影的地铁列车底部巡检机器人避障研究

针对地铁列车底部的非示教场景，提出一种基于各向异性的空间投影的点云分割新算法。算法针对使用立体相机获取的三维点云数据，将点云数据投影到机器人坐标系下的不同平面上，然后利用聚类算法获得目标的分割区域，再映射回点云空间计算出相应的包围盒。在整列地铁车厢底部进行的多次实验验证取得了预期的效果，证明了算法的有效性，可以实现地铁列车底部复杂环境下的高效规划避障。     

基于空间相移技术的平面干涉仪系统设计

时域相移技术由于需要在时域采集多幅干涉图而只擅长用于静态检测。为改善测量的动态特性,现提出了基于空间相移技术的平面干涉仪系统。采用基于偏振干涉和光栅分光的单CCD成像空间相移系统设计方案,设计了具有折叠式布局特点的干涉仪光路系统,建立了系统机械结构三维模型,结构紧凑、调整方便,并运用四步相移算法进行了模拟试验后数据处理。结果表明,所设计系统能够满足动态测量要求。     

应用虚拟像平面方法的圆柱表面单目重建*

针对圆柱表面重建问题,采用单面阵相机和线结构光构成视觉系统。该视觉系统采用虚拟像平面相机模型,通过构建虚拟像平面上的虚拟投影图像去除畸变的影响,通过虚拟像点和相机光心确定投影射线。提出该模型下相机光心的定位方法;利用两个平行平面上的结构光条的虚拟图像实现结构光的标定。利用线结构光在圆柱表面的光条为空间中一条椭圆弧的特性,首先计算出光条点在结构光平面上的坐标,由此提取出椭圆特征;再利用椭圆的短轴长为圆柱直径的特性获得圆柱的空间方程,实现圆柱定位;最后利用光心和虚拟像点在标定平面的投影点确定投影射线,计算出虚拟像点在圆柱面上的投影点坐标,构成柱面点云,并恢复出圆柱表面图像。实际实验中该视觉系统的测量精度达到双目视觉系统的水平,说明了虚拟像平面方法的有效性。     

基于公垂线约束的立体视觉建模方法

为了解决实际测量中立体视觉的重建问题,本文提出了基于公垂线约束的立体视觉建模方法。该方法包含两个过程:首先,根据视觉测量系统的需要,使得空间点到两图像点对应的反投射线距离最短,确定空间点在两反投射线的公垂线段上的约束;然后以公垂线段中点为初始值,采用LM迭代算法,通过最小化空间点在两像平面上的投影误差求得空间点的最优解。该方法不仅保证了所求空间点到两条反投射线之间的距离最短,而且还消除了图像点误差以及空间点距两相机位置不同而造成的影响,快速、有效地收敛到空间点的最优解。仿真和实际测量数据的对比实验表明,该方法优于其它重构算法,在图像误差为0.04个像素的范围内,测量精度能达到0.023 mm。     

频域相位相干合成孔径聚焦超声成像研究

为提高合成孔径聚焦技术(SAFT)的成像质量和成像效率,提出一种基于相位环形统计矢量(PCSV)的频域SAFT超声成像算法。首先,通过希尔伯特变换和欧拉公式提取波场记录中信号的瞬时相位。然后,将瞬时相位的实部和虚部视作圆形复平面上分布的PCSV,并通过波场外推构建用于频域SAFT加权的相位相干因子。最后,通过加权处理获得高质量频域SAFT-PCSV图像。成像结果表明,频域SAFT-PCSV成像算法有效增强了图像分辨率和信噪比。在相同测试条件下,频域SAFT-PCSV成像算法的运算时间小于传统时域SAFT算法的1/46,所占内存空间低于时域SAFT算法的1/47。     

Three dimensional image restoration in fluorescence lifetime imaging microscopy

A microscope set-up and numerical methods are described which enable the measurement and reconstruction of three-dimensional nanosecond fluorescence lifetime images in every voxel. The frequency domain fluorescence lifetime imaging microscope (FLIM) utilizes phase detection of high-frequency modulated light by homodyne mixing on a microchannel plate image intensifier. The output signal at the image intensifier's phosphor screen is integrated on a charge coupled device camera. A scanning stage is employed to obtain a series of phase-dependent intensity images at equally separated depths in a specimen. The Fourier transform of phase-dependent data gives three-dimensional (3D) images of the Fourier coefficients. These images are deblurred using an Iterative Constrained Tikhonov–Miller (ICTM) algorithm in conjunction with a measured point spread function. The 3D reconstruction of fluorescence lifetimes are calculated from the deblurred images of the Fourier coefficients. An improved spatial and temporal resolution of fluorescence lifetimes was obtained using this approach to the reconstruction of simulated 3D FLIM data. The technique was applied to restore 3D FLIM data of a live cell specimen expressing two green fluorescent protein fusion constructs having distinct fluorescence lifetimes which localized to separate cellular compartments.     

基于滤波反投影的脑磁感应迭代重建算法研究

颅脑磁感应断层成像技术(BMIT)是一种非接触、无创的新兴颅脑医学成像技术,图像重建算法是提高重建图像质量的关键。依据BMIT反投影算法和迭代算法,设计出一套基于滤波反投影的脑磁感应迭代重建方法。首先根据滤波反投影重建算法原理,给出初始电导率分布,其次基于电导率变化敏感性加权计算滤波反投影矩阵,最后利用一步牛顿迭代构成滤波反投影迭代重建算法,通过设置理想条件数G来修正Hessian矩阵,改善重建过程的病态程度,并对待重建数据进行标准化位置校正处理。实验结果表明,该算法成像速度快,重建出的图像具有较高分辨率,能够准确反映成像区域内仿真病变的大小及位置信息,且轮廓清晰,为颅脑磁感应断层成像技术应用于临床监护奠定了基础。     

基于椭球包围盒的锥束CT三维加权重建算法

提高锥束CT大锥角圆轨道扫描下的重建图像质量一直是CT成像技术的重要研究方向。分析了圆轨道扫描下Radon空间的Z向数据缺失特点和FDK算法的灰度下降规律,提出了一种基于椭球包围盒的锥束CT三维加权重建算法。该算法无需重排,只需利用投影数据获取重建物体的最小包围盒,并根据其内接椭球的大小和空间位置自动生成三维加权函数,在反投影阶段加入该加权函数即可实现。该算法不会引入其他伪影,计算量增加很小,并且在中心层与FDK算法等价。仿真扫描实验表明,该算法显著提高了FDK算法的准确性,减小了锥角伪影。     

The 3D CT reconstruction algorithm to directly reconstruct multi-characteristic based on EMD

In the traditional three-dimensional CT reconstruction algorithms, high-frequency characteristics are difficult to obtain, and the noise is difficult to filter. In addition to, the reconstruction purpose is of diversification, and the three-dimensional filter to extract feature is more difficult to design and implement. Based on the characteristics of three-dimensional reconstruction algorithm and the RADON transform, a 3D CT reconstruction method to directly reconstruct multi-characteristic based on EMD was proposed and derived from the theoretical possibility and feasibility. EMD algorithm could firstly be used to decompose projection image before the reconstruction, and we could combine different IMF components to achieve a variety of feature, then use three-dimensional reconstruction algorithm to directly reconstruct the characteristics. The experimental results showed that the algorithm can better highlight a variety of useful information, simplify the filter design, and is of a certain practicability.     

基于符号相干因子加权的双层介质频域 相干复合平面波成像

为同时提高双层介质下超声相干复合平面波(CPWC)成像的质量和效率,提出一种频域波束形成与符号相干因子加权(SCF)相结合的算法。提取平面波数据的相位符号,通过修正后的频域波束形成算法对其进行波场外推。利用外推后的相位符号构建SCF加权因子对波束形成后的平面波图像进行自适应加权。结果表明,经过SCF加权,时域和频域波束形成后图像中缺陷的平均半峰值宽度基本相同,分别为时域DAS的78%和75%,频域图像的信噪比高于时域5 dB左右,在提供相同分辨率和信噪比的前提下,相比于时域波束形成下的SCF加权算法,本文所提的复合算法成像效率提升4倍以上,同时兼顾较高的成像质量和较低的运算复杂度,进而形成一种适用于双层介质无损检测的高质量、低复杂度的超声相控阵成像技术。     

复合扫描计算机分层成像研究

针对薄板类工件成像,计算机分层成像(CL)技术因无损、直观而应用广泛。 CL 成像方法主要分为直线扫描和圆周扫 描, 直线扫描效率高, 圆周扫描数据均匀性好。 然而, 由于两者的投影数据均不完备, 均存在分层图像混叠及图像边缘不清 晰的问题。 基于此,提出了一种复合扫描 CL(HyCL)成像方法, 由直线扫描和圆周扫描组成。 建立了几何模型, 采用同时迭代 重建图像(SIRT)算法进行了仿真及成像实验, 分析了成像效果及层间混叠表现。 实验结果表明, 相比于相对平行直线移动扫 描 CL(PTCL)、正交直线移动扫描 CL(OTCL)及圆周扫描 CL(RCL), HyCL 的重建结果能够有效减少混叠伪影, 图像特征轮廓 信息能够保留得较为清晰且均匀, 对比度更好。     

徒手设计效果图的三维重建技术研究

将徒手设计效果图,根据透视图的基本原理、应用数据融合算法进行透视反求,分析计算确定透视条件,实现二维信息到三维信息的转化,从而进行三维重建.     

锥束螺旋CT半覆盖扫描的重建算法

目的：锥束螺旋CT能够解决长物体的检测问题,但是它的视场直径受限于面板探测器的宽度。为扩大锥束螺旋CT的视场直径,本文研究了一种视场区域半覆盖扫描的螺旋CT扫描方法和相应的重建方法。方法：扫描时,转台沿垂直于中心射线的方向水平平移一定距离,然后用普通螺旋CT的扫描方式即可获得需要的投影。重建时,利用推广的偏心锥束螺旋FDK（Feldkamp-Davis-Kress）算法,推广后的重建算法与标准的螺旋FDK算法具有同样的计算效率,而且不需要重排投影数据。结果：实验结果表明,本文提出的扫描方法能够将螺旋锥束CT的视场半径扩大0.86倍;重建图像的质量与使用大探测器全覆盖的标准FDK算法基本相当;由于投影数据量的减少,使重建时间比使用大探测器的标准FDK减少了376.66秒。结论：锥束螺旋CT的半覆盖扫描可以有效扩大视场直径,且具有较高的计算效率和较少的重建时间。     

条纹投影三维形貌测量的变分模态分解相位提取

针对条纹投影三维形貌测量涉及的相位提取,提出了一种基于变分模态分解的单幅条纹投影相位提取方法。通过建立变分模态分解模型和极小化变分模态分解将单幅投影条纹图分解成背景部分、条纹部分和噪声部分。然后对得到条纹部分进行Hilbert变换和反正切变换得到包裹相位;对其进行质量导向相位解包裹和Zernike多项式去载频得到解包裹相位。将该方法与Fourier变换、连续小波变换进行了对比,结果显示:本文提出的相位提取方法相位误差为3.14×10-4,小于Fourier变换和连续小波变换方法对应的误差3.30×10-4和6.52×10-4。模拟和实验结果表明:本文提出的方法在处理具有边缘信息投影条纹图时具有优势,能够提取出更准确的相位信息,可有效地用于含边缘不连续和突起的三维物体测量。     

基于相位恢复原理的SAR振动目标成像方法

在SAR成像系统中,振动目标成像具有成对回波的多普勒特征,不利于振动目标的检测和识别。提出一种基于相位恢复原理的振动目标聚焦成像方法。首先基于条带式SAR成像模式建立了振动目标空间几何模型,理论推导了将相位恢复原理应用到SAR振动目标成像的可能性;然后以振动目标回波数据和支撑域信息作为过采样平滑算法(OSS)的先验信息,通过改变平滑滤波器的参数,调整滤波器的带宽,以减少支撑域外部信息对振动目标的干扰,同时通过减少支撑域,提高迭代算法的收敛性,消除振动目标成对回波,最终得到聚焦的高分辨率振动目标图像。仿真和实验结果证明所提方法的有效性。