基于高斯积分曲面拟合的亚像素边缘定位算法

针对现有亚像素边缘定位算法存在精度不高、计算复杂的问题,提出一种基于高斯积分曲面拟合的亚像素边缘定位算法。根据单边阶跃状边缘特征,构建边缘法截线的高斯积分模型,在确定边缘过渡带的基础上,将拟合曲面区域内的像素点信息转化为边缘曲线的活动坐标,并对转化后的像素点坐标与灰度值按照高斯积分模型进行拟合,准确定位图像的亚像素边缘。采用所述视觉测量系统,用量块直线边缘进行实验,并与传统高斯曲面拟合亚像素边缘定位算法比较,证明基于高斯积分曲面拟合的亚像素边缘定位算法具有较高的定位精度,一等量块的直线度误差在1μm以内,计算速度提高一倍。采用该算法确定亚像素边缘时,可通过修正高斯积分模型的均值,有效补偿光源强度造成的误差。本算法可以应用于齿轮等高精度机械零件的测量。     

CCD像素响应不均匀性的校正方法

从理论上分析了CCD暗电流和光电响应不均匀性产生的原因,根据光电响应模型提出了CCD像素光电响应不均匀性的校正方法,给出了像素光电响应不均匀性的校正系数用以计算校正量;并针对实际情况中干扰光的影响,提出了采用变波长去除干扰方法,对校正方法进行了修正;最后通过仿真对算法进行了验证.结果表明,能量和噪声的不同对算法的影响不大,校正量是随着光信号能量分布变化的,标定过程不受信号的影响,具有自适应性.该校正方法可以有效地减小CCD像素光电响应不均匀性带来的图像噪声.     

起重机轨道测量激光光斑中心识别与定位算法

在轨道测量装置中,激光光斑中心检测算法的精度和速度直接影响轨道测量效果,传统的中心算法如灰度质心法、Hough变换等在检测精度或速度上存在不足。文中提出了一种基于高斯积分曲线拟合的光斑中心定位算法,在光斑降噪、特征增强的图像预处理基础上,插值拟合光斑灰度曲面,进行边缘计算、追踪及细化,得到光斑的像素级边缘点,计算其法向等距线及高斯积分拟合点,并通过贝塞尔曲面拟合其对应灰度值,再采用高斯积分曲线拟合得到亚像素级边缘点,对亚像素边缘点进行圆拟合方法最终确定光斑中心点。与灰度质心法、Hough变换椭圆中心法相比,此算法的拟合精度较高,抗干扰性好,达到了实验室环境下轨道测量的精度要求。     

CCD像素响应非均匀的校正方法

分析了造成CCD像素灰度不均匀的原因,提出了一种基于最小二乘法的CCD非均匀校正算法.在不同辐照度下,采集每个像素的灰度值.用最小二乘法估计出辐照度和期望灰度值的对应关系.计算出每个像素的校正参数,形成CCD的校正矩阵.最后,对每个像素的实际灰度值进行校正,实现了在同一辐照度下,各像素灰度响应的一致性.校正前,各像素灰度值的最大偏差为76.5;采用该方法校正后,像素的灰度值最大偏差只有0.001 08.实验结果表明:该方法有效地校正了CCD像素响应的非均匀性.     

CCD辐射响应函数矩阵的建立与应用

为了能采用物理意义明确的函数式来表述大格式电荷耦合器件(CCD)的性能参数,直观地实现对面阵CCD辐射性能的评价,本文提出利用“辐射响应函数矩阵”概念来表述CCD每个像元的辐射性能参量.首先,分析了该矩阵各元素的物理意义,提出了对CCD每个像元的绝对辐射响应度、响应非线性度、暗噪声、信噪比以及非均匀性的描述方法.其次,对面阵CCD KAI-16000进行辐射性能检测,并利用回归分析计算出各像元的响应系数.最后,以测试结果为例,讨论和描述该矩阵的应用和结果.实验结果表明:该CCD近似成线性响应,通过矩阵函数可以计算出CCD非均匀性为3.1％,暗噪声为3.84.此方法实用,满足对大格式CCD直观表述的要求.     

数字图像相关中非迭代相关系数曲面拟合算法的研究

相关系数曲面拟合算法是数字图像相关中一种简单而有效的亚像素位移求解方法,具有计算效率高、实时性好等优点。在相关系数曲面拟合算法中,二元二次多项式曲面拟合算法和二元高斯曲面拟合算法可通过直接推导出的解析解获得亚像素位移量,无需迭代计算,且二元高斯曲面拟合算法无需对拟合后曲面函数求导获得极值点位置。因此对上述两种简单而非迭代的曲面拟合算法性能进行了研究。应用真实散斑图像从两种算法的计算精度与效率两方面进行了对比实验。实验结果表明,二元高斯曲面拟合算法具有较高的计算精度,且两种算法在相同的条件下的计算效率并无实质性的差异。     

光电测量设备光学系统的像面照度均匀性检测

提出了一种光电测量设备光学系统像面照度均匀性的检测方法.该方法首先对被检设备的CCD进行标定,然后用给出的均匀性检测系统对整机光学系统进行检测.该检测系统利用积分球产生均匀背景光信号,将光测设备置于积分球通光口处,利用计算机采集CCD图像.根据CCD的标定结果,用两点多段校正算法对采集到的图像进行校正,通过对校正后的图像进行分析,得到像面照度的不均匀度.此外,将图像分为多个区域,计算各个区域的灰度与像面中心区域灰度的比值,得出图像的灰度分布,实现了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的室内检测.利用研制的光电测量设备光学系统像面照度均匀性检测系统对某型号光电测量设备进行了检测,得到了该设备光学系统像面照度不均匀度达到18.7%,不满足不均匀度≤10%的要求,应对该光测设备进行重新装调.在重新装调后对该设备进行复检,得到重新装凋后的不均匀度为6.7%,像面照度均匀性得到了提高,验证了该方法的有效性.     

不同光照条件下数字CCD相机响应不均匀性研究

数字CCD相机光电输入输出响应不均匀特性是其用于光束远近场能量分布测量的重要参数,因此研究数字CCD相机的响应不均匀性,是保障激光参数测量系统测量精度的关键技术环节。从理论上分析了数字CCD相机光电响应不均匀性的原因,通过建立数字CCD相机响应不均匀性测试系统和三维模型,推导出了数字CCD相机相应不均匀性的计算公式,对数字CCD相机的响应不均匀性进行测量与分析,给出了测试系统的结构框图和部分测试结果。     

光电测量设备光学系统像面照度均匀性检测方法

提出了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的检测方法,该方法首先对被检设备的CCD标定,然后用给出的均匀性检测系统对整机光学系统检测。该检测系统利用积分球产生均匀背景光信号,将光测设备置于积分球通光口处,利用计算机采集CCD图像。根据CCD的标定结果,用两点多段校正算法对采集到的图像进行校正,通过对校正后的图像进行分析,得到像面照度的不均匀度。并且将图像分为多个区域,计算各个区域的灰度与像面中心区域灰度的比值,得出图像的灰度分布,实现了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的室内检测。     

“日盲”紫外ICCD的信噪比

分析了“日盲”紫外增强型电荷耦合装置（SBUV-ICCD）噪声的来源及特点。SBUV-ICCD工作时增益高,单光电子的响应会扩散到CCD邻近像素中去,将SBUV-ICCD作为线性时不变系统,引入单光电子冲激响应到SBUV-ICCD信噪比计算中,利用傅立叶变换原理推导出其信噪比模型。模型中采用二维高斯函数拟合SBUV-ICCD单光电子冲激响应的方法,较传统间接分析的方法[3]更为简单,适用。分析了增益对SBUV-ICCD信噪比的影响,通过实验测量了在特定波长不同的辐照度条件下的信噪比,验证了该模型。     

CCD图像灰度与照度的转换标定方法

本文提出了一种基于CCD摄像机利用图像灰度获得实际照度的新方法,该方法适用于摄像机的任意曝光和增益参数,且考虑了摄像机安装位置和角度对测量的影响。CCD摄像机照度测量法的实际应用主要涉及两个过程:一是标定过程,即应用CCD摄像机进行照度测量前,标定CCD图像灰度与照度之间的转换参数和转换模型;二是照度测量过程,即通过CCD摄像机拍摄图像,将图像灰度代入已定的转换模型,获得测量对象的照度值。其中,灰度与照度转换模型的标定是利用CCD摄像机实现照度测量的基础和关键,文中主要讨论了该模型的推导过程以及标定方法。具体为:首先通过理论推导获得图像灰度与CCD传感器感应的相对辐照度的关系,然后借助以均匀光源搭建的实验系统标定CCD传感器相对辐照度与物面实际照度之间的关系,进而获得图像灰度与物面实际照度的转换关系。在转换过程中讨论了曝光时间、增益以及CCD相机与照度测量点之间的距离和角度对转换模型的影响,为CCD摄像机照度测量法的实际应用奠定了基础。实验结果表明本测量及标定方法适用于摄像机任意曝光和增益条件,经过本方法标定后,应用CCD摄像机进行照度测量,测量结果的相对误差在4.5%以内。     

基于面阵CCD图像的温度场测量研究

推导出具有实物面的高温辐射体温度和CCD像素点亮度之间的关系。结合比色测温法，给出一种基于彩色CCD图像的温度场测量方法。用一套经黑体炉标定过的测温系统，分别在黑体炉和普通煤炉上进行测温试验，取得较好结果。通过比较计算温度值和热电偶测量值，分析了本测温方法的误差来源。     

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CCD相机的光纤传像器件光谱透过率测试仪设计

光谱透过率是分析光纤传像器件透光性能的一个关键参数,提出了一种用积分球与CCD相机的光谱透过率测试仪的原理、组成和图像处理软件。方法是通过计算不同波长下图像的灰度值,测量光谱透过率。对仪器所需的光源、滤光片的特性进行了分析。测试结果表明,对于不同厚度的光纤传像器件,光谱透过率的变化规律基本一致。检测证明这种仪器测试速度快、操作方便,测量结果准确可靠。     

基于莫尔条纹测量扭转变形角的方案研究

为了精确检测大型光电测量设备之间的三维变形,提出了基于双光栅干涉产生莫尔条纹测量的一种高精度光学测角方法。采用平行光管模拟设备,通过微调机械结构调节平行光管的扭转角来模拟三维物体的扭转变形,在独立的地基平台上进行测量实验。通过实验比较不同的设计方案,采用使CCD靶面在平行光管内像面处安装固定的实验方案;并采用滤波细化等图像处理方法对采集的莫尔条纹进行处理得到条纹宽度,进而根据条纹宽度变化通过数学模型计算出扭转变形量。实验结果表明,当微调机构使平行光管在±7'的视场范围内旋转时,该方案可以得到较为清晰的莫尔条纹图像,经过算法处理后,当莫尔条纹宽度在1615~1712 范围内时,扭转角的测量精度为4.3"(3 )。该方法满足了设备间扭转角高精度测量的要求,为提高光电测量设备的测量精度奠定了基础。     

用干涉条纹图像重建反射镜的三维面形

给出了用干涉条纹图像重建反射镜三维面形的方法,用泰曼-格林干涉仪采集被测镜面的干涉条纹图像,通过对干涉条纹图像进行处理得到镜面高度采样,采用泽尼克多项式拟合镜面的曲面函数,测量到了镜面的三维高度数据。干涉条纹图像上相邻条纹与参考面之间的距离相差一个标准光源波长,因而该测量方法的关键是得到条纹波峰或波谷的精确位置,从而达到了镜面相对高度的采样的目的。采用巴特沃斯低通滤波对条纹图像进行滤波,去掉噪声的影响,然后对图像二值化分割出亮条纹,用数学形态法对二值条纹图像细化得到条纹的中心线,结果表明,低通滤波方法能有效地减少细化条纹的分支和断裂。最后定义每条条纹中心线的相对高度,利用前39项泽尼克多项式对镜面高度进行最小二乘法拟合,计算了镜面被测区域的曲面高度数据。该方法可以用来测量强激光引起的镜面热变形。     

一种多结构光条纹亚像素中心提取方法

在使用结构光方法进行工件或物体的三维信息快速测量中,需要对工件或物体投射多条结构光条纹,快速准确地提取各投射光条的中心是实现精确检测的关键问题之一。文中提出了一种多结构光条纹亚像素中心提取方法,首先扫描整个图像确定光条数目;接着提取各光条的边缘坐标信息;最后利用高斯拟合求取各光线条纹的亚像素中心。实验表明,该方法能有效识别多结构光条纹并提取其亚像素中心。     

自动阿贝折射仪的研究

提出了基于光的全反射原理,利用单色发光二极管作为光源和线阵CCD作为传感器,结合计算机图像处理技术,实现了WYA-Z自动阿贝折射仪的设计。并简要介绍了仪器的工作原理、光路系统、仪器组成、关键技术、设计要求及实验验证。实验结果表明:仪器的折射率测量范围:1.3000～1.7000,精度n_D:±0.0002,重复性n_D:±0.0001。该仪器不仅能自动测量液体的折射率,还能自动测量液体的浓度,因此具有广阔的市场前景。     

集成双光栅干涉微梁位移测量方法

介绍了一种基于集成双光栅干涉和CCD图像测量的微梁位移测量方法,并利用相位差约为π/2的一组光栅实现了扩量程位移检测。利用表面牺牲层工艺制作敏感芯片,在玻璃基底上刻蚀深度约为入射激光波长1/8的凹槽,凹槽上下的两组光栅与正上方对应的梁分别构成两组相位敏感集成光栅单元。利用1级衍射光将集成光栅单元成像在CCD靶面上,梁的位移变化通过CCD图像上对应光斑的灰度值变化来反映。实验结果表明,虽然玻璃凹槽腐蚀深度的误差导致光栅之间的相位差偏离π/2,但所制作的集成双光栅结构实现了多周期的扩量程位移检测,通过接近π/2相位差的两个光栅得到的光强信号的错峰使用,避免了干涉法正弦位移检测信号的峰谷不灵敏位置,实验测得微梁的位移变化为650nm。     

线阵CDD光电参量测试系统的研究

讨论了线阵CCD光电参量测试系统的标定、调试以及CCD光电量的测量方法。重点进行了以下几个方面的讨论:积分球光源色温标定原理、方法及结果验证;线阵CCD光电参量测试系统的调试与标定(用标准探测器标定辐照度,用标准探测器标定参考探测器,用参考探测器标定辐照度,积分球出射光均匀性校正);线阵CCD各光电参量测量方法及计算程序.