非线性畸变分布椭圆鱼眼镜头成像建模和校正

非线性畸变分布椭圆鱼眼镜头是面向视频监控应用的一种新型鱼眼镜头,与传统的鱼眼镜头不同,非线性畸变分布椭圆鱼眼镜头采用非角对称光学系统设计原理,其有效成像面为椭圆,并且采用非线性畸变分布成像函数,能够实现对大视场中关键区域的增强畸变。通过对其非相似成像的研究,建立一种全方向光线跟踪下的镜头成像混合畸变模型,使用B样条曲面和曲线分别拟合径向和切向畸变函数,然后通过五面立体角度标定空间实现对镜头成像函数的精确标定,最后实现畸变图像的校正。     

鱼眼图像校正软件的关键技术研究

为了满足全景监控工程的特殊要求,选用鱼眼镜头作为图像传感器的成像单元进行图像采集.提出了新的鱼眼图像校正区域的确定方法,并采用球面透视投影和柱面展开两种算法对鱼眼图像进行校正,同时实现虚拟PTZ控制.经测试,该软件对各种监控场合有很强的适应性,能够满足全视场无盲区的监控要求.     

航空变焦距斜视成像几何畸变的自动校正

针对变焦距航空摄像机斜视成像产生的几何变形,提出一种同时校正斜视梯形失真和变焦距镜头非线性畸变的自动校正方法。根据直线透视投影不变性原理,利用单参数除式模型通过变步长优化搜索方法得到不同焦距对应的镜头畸变系数和畸变中心坐标;研究了焦距变化对畸变的影响规律,校正了镜头畸变使其满足针孔成像模型;引入飞机位置、姿态和摄像机视轴指向方位等因素,将航空图像重投影到地图坐标系中,对坐标变换后的像素亮度值进行重采样得到校正斜视变形和镜头畸变后的正射投影图像。对不同焦距和位置姿态下拍摄的地面靶标畸变图像和实际航空变焦距斜视图像进行了校正。结果表明,该方法能够有效准确地校正图像的几何变形,当飞行高度为2 500m时,在文中给定的位置姿态精度下的图像几何校正均方误差约为2m,较好地满足了后续图像拼接需求。该方法效率高,便于自动化实现,对提高图像拼接精度和实现目标精确定位与实时稳定跟踪具有重要意义。     

鱼眼镜头径向畸变的校正方法

针对鱼眼图像存在的径向畸变,提出了一种通过计算鱼眼镜头径向畸变函数来校正鱼眼图像的方法。首先,根据鱼眼镜头本身的特性运用Hough变换获取鱼眼图像的圆心以及校正半径;运用所提出的圆柱形棋盘格模版来完成径向畸变的标定,通过多项式拟合出鱼眼图像直径上采样点到圆心的距离和实际该采样点像点对应的物点所在视角之间的关系,从而将鱼眼图像恢复到球形投影面上;最后运用平面投影模型矫正出符合人类视觉感官的平面透视图像,并用一个圆柱形的投影面校正出了360°全景图。最后的实验结果证明了此方法的有效性。     

基于双经度模型的鱼眼图像畸变矫正方法

针对鱼眼镜头拍摄图片桶形畸变大的问题,提出了一种基于双经度图像畸变矫正算法,以改善其视觉效果。首先,在未知镜头视角大小且鱼眼图像非圆形的情况下,利用鱼眼图像特征求得球面中心及其半径,并对半径大小做优化处理以减弱极点畸变;在此基础上采用双经度模型方法,通过正交投影策略将鱼眼图像映射到球面上,转化为球面横向经度和纵向经度坐标,从而投射为以横向、纵向双经度坐标为基础的正方形平面图像,实现图像的快速、精确变换。最后,利用2个实例验证了该文所提算法的有效性和可行性。     

基于椭球面模型的鱼眼图像校正方法

鱼眼镜头的大视角、短焦距等特点,使鱼眼图像校正算法成为目前图像研究的热点。提出一种椭球面校正模型,通过边缘检测算法获取特征点,运用伪特征点剔除法得到正确的特征点,利用这些真特征点得出校正模型的参数,并以网格图像为例进行研究。实验结果表明,特征点检测准确,得到的模型对网格图像的校正效果好,验证了该校正模型的准确性和有效性。     

基于共线特征点的摄像机镜头畸变校正

提出一种基于未知世界坐标共线特征点的未标定摄像机畸变校正算法以及基于预计算模板的快速实现方法。利用直线的透视投影不变性来估计镜头的畸变参数,不需要知道摄像机的内外部参数,也不需要知道任何空间特征点的世界坐标,简化了镜头畸变校正的过程。该方法的特点是需要的已知条件少,算法简单,易于实施,算法的计算速度快。试验结果表明,该方法能准确快速校正由摄像机镜头畸变引起的图像几何畸变,对机器视觉系统是可行的,预计算模板实现方法大大地降低了计算量,为镜头畸变校正实时应用奠定了基础。     

基于极曲线几何和支持邻域的鱼眼图像立体匹配

提出了一种基于极曲线几何和变支持邻域的立体匹配算法来解决鱼眼立体视觉中图像变形导致的极曲线求取和匹配代价计算问题。首先,对鱼眼相机进行标定并获取相机的相关参数;针对鱼眼镜头的畸变问题,根据鱼眼镜头的优化投影模型推导出系统的极曲线方程,并利用得到的极线方程确定对应点的搜索范围。然后,根据同源像点在左右图像上的位置关系确定各中心像素点的支持邻域,并计算出不同视差条件下该支持邻域在另一幅图像上的对应支持邻域,利用获取的支持邻域计算出各点的匹配代价。最后,利用WTA(Winner Takes All)策略选取最佳匹配点得到最终的匹配结果。基于提出的极曲线和支持邻域对两组鱼眼图像进行了匹配实验并与传统方法进行了实验对比,结果表明:提出的方法的匹配准确度比传统方法分别提高了4.03%和4.64%。实验结果验证了极曲线的应用加快了匹配速度并减少了误匹配;支持邻域的使用使其对匹配代价计算的准确度优于传统方法。该算法满足了鱼眼图像立体匹配对信息获取速度、准确度和数量的要求。     

鱼眼镜头光学系统的优化方法

在鱼眼镜头成像系统中,光线以很大的入射角打在前组透镜表面时往往会造成严重的像差,为了压缩超大视场角,提出应用非球面前组负弯月型透镜来控制鱼眼镜头系统的像差。基于光学前组具有平面对称的成像特性,应用平面对称光学系统像差理论发展的评价函数,对非球面系数及其他的系统结构参数进行优化设计。应用评价函数及Zemax光线追迹成像模拟对优化系统进行评估。研究表明,应用非球面组负弯月型透镜能够显著地提高鱼眼镜头的成像质量。     

基于2D模板与3D包围式标定块的鱼眼相机标定

对于视野范围超过半球的鱼眼相机,用于标定的2D平面模板通常不能覆盖整个鱼眼图像.直观上,一个3D包围式模板在鱼眼图像上能覆盖整个视野,因而在标定鱼眼相机时,能够比应用2D平面模板的标定获得更准确的相机参数.然而,到目前为止还没有这方面的报告.本文在给出3D包围式模板的鱼眼相机标定方法的基础上,对本文方法和2D平面模板鱼眼相机标定方法进行了比较,分别应用两种标定方法估计了鱼眼镜头的径向变形参数,主点的标准差以及特征点的反投影误差.模拟实验及真实图像实验结果表明本文的方法能获得较高的校正精度.     

一种求解鱼眼镜头入射光瞳球差的方法

鱼眼镜头成像系统在微小型机器人视觉导航和近距离大视场物体识别与定位中有着广泛的应用。由于鱼眼镜头的结构的特点,故使得这种光学系统一般存在很大的入射光瞳球差。现提出了应用逆向光线追迹计算求解鱼眼镜头入射光瞳球差的精确方法。并且通过一个鱼眼镜头的设计实例,得到入射光瞳球差的数值分布结果,然后应用多项式拟合求出其解析表达式。     

航空摆扫相机转弯成像像移分析及补偿

为保证航空摆扫相机转弯成像过程中的成像质量,对其像移计算及补偿方法进行了研究。根据航空摆扫相机的成像原理,利用几何建模及速度矢量分解建立了转弯成像像移计算模型,给出了基于均值补偿的转弯前向像移补偿方法。转弯前向像移补偿分析表明:相机焦距为500 mm,曝光时间为0.01 s,速高比为0.02 rad/s,纵向视场角为10°,转弯角速度为0.5(°)/s时,最大前向像移补偿残差量为2.22μm;转弯角速度为1.5(°)/s时,最大前向像移补偿残差量为3.36μm。另外,转弯横向像移补偿分析表明:横向像移量随纵向视场角幅值的增加而增大,曝光时间为0.005 s,横向视场角为30(°),转弯角速度为1(°)/s时,横向像移量在纵向视场角为4.5°时达到3μm。转弯成像试飞实验结果表明:得到的图像像质优良,无几何形变,前向像移补偿良好,验证了本文提出的转弯成像像移补偿方法的正确性。     

单相机几何量检测新方法

按照常规摄影测量,如果仅使用一台相机而要获取点的三维坐标则至少需要在2个不同的位置进行摄影.本文则提出了利用单台相机仅拍摄单像片,来对平面内的几何量进行检测的方法:借助一个带有3个以上基准长度的共面工装,来辅助计算原始图像与正射摄影图像的转换参数;使用上述转换参数,将原始图像转换为正射图像;由正射图像的相似比例关系,进行平面内几何量的检测.另外,通过实验验证了本文所述的单台相机测量原理及所达到的相关精度.     

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.     

基于贝叶斯自适应估计的光子计数集成成像

针对光子数极少环境下三维目标的重构问题,基于光子计数集成成像系统提出了一种贝叶斯自适应估计方法,来提高三维目标深度切片的重构质量。首先,通过光子计数集成成像系统获得一系列光子计数元素图像。接着,从光子计数过程的泊松分布出发,利用集成成像系统中对于同一个目标像素的多次采样特性,引入了局部自适应均值因子,从而建立起元素图像像素光子数估计的单参数后验概率模型。最后,通过后验概率模型的均值计算获得更新后的光子计数元素图像,并基于光束可逆原理重构出深度切片图像。实验结果表明:采用该方法在场景的两个深度处重构的切片图像相比传统贝叶斯重构图像的峰值信噪比提高了7.4dB和8.5dB,极大地提升了微弱光三维目标的重构质量。     

Composition mapping in InGaN by scanning transmission electron microscopy

We suggest a method for chemical mapping that is based on scanning transmission electron microscopy (STEM) imaging with a high-angle annular dark field (HAADF) detector. The analysis method uses a comparison of intensity normalized with respect to the incident electron beam with intensity calculated employing the frozen lattice approximation. This procedure is validated with an In_0.07Ga_0.93N layer with homogeneous In concentration, where the STEM results were compared with energy filtered imaging, strain state analysis and energy dispersive X-ray analysis. Good agreement was obtained, if the frozen lattice simulations took into account static atomic displacements, caused by the different covalent radii of In and Ga atoms. Using a sample with higher In concentration and series of 32 images taken within 42 min scan time, we did not find any indication for formation of In rich regions due to electron beam irradiation, which is reported in literature to occur for the parallel illumination mode. Image simulation of an In_0.15Ga_0.85N layer that was elastically relaxed with empirical Stillinger-Weber potentials did not reveal significant impact of lattice plane bending on STEM images as well as on the evaluated In concentration profiles for specimen thicknesses of 5, 15 and 50 nm. Image simulation of an abrupt interface between GaN and In_0.15Ga_0.85N for specimen thicknesses up to 200 nm showed that artificial blurring of interfaces is significantly smaller than expected from a simple geometrical model that is based on the beam convergence only. As an application of the method, we give evidence for the existence of In rich regions in an InGaN layer which shows signatures of quantum dot emission in microphotoluminescence spectroscopy experiments.     

Investigation of cross-sectional image analysis method to determine the blending ratio of polyester/cotton yarn

It has been considered as a great challenge to identify the blending ratio of polyester/cotton yarn in the field of textile industry. A new digital cross-sectional image processing method based on geometrical shape analysis is proposed to improve the measurement accuracy of polyester/cotton blend ratio. A self-developed microscope image capturing system is established to digitalise the cross-sectional images of polyester/cotton blended yarn. One set of image preprocessing algorithm is developed to conduct greyscale inversion, median filtering denoising and binarisation. The specially designed edge detection algorithm is used to identify the continuous profile of fibres. Finally, the roundness value of the cross-sectional fibre is calculated based on the proposed roundness algorithm, it can be used to identify the polyester/cotton fibres and calculate the blending ratio of them. Our experimental results show that the new digital analysis method proposed in this paper is feasible for the measurement of polyester/cotton blended ratio; therefore, it has a good application prospect in the field of textile quality control, including the development of new equipment, methods and standards.     

一种基于非均匀目标的空间相机平场定标方法

平场定标是空间相机研制过程中必不可少的定标项目。目前,普遍使用均匀照明目标进行空间相机的平场定标,而该方法由于依赖于目标的均匀性,其应用存在一些缺陷。提出了一种基于非均匀目标的平场定标方法,摆脱了对目标均匀性的依赖,具有实际应用价值。首先,基于多幅非均匀目标图像像元灰度的相关性,建立了相机像面响应度分布计算模型;采用最小二乘迭代法对该模型进行了求解,并编写程序进行仿真验证,验证结果表明,在图像信噪比高于25dB的情况下该方法定标精度优于0.5%;最后,根据该方法的特点,给出了实际定标试验的操作流程。     

基于灰度线性建模的亚像素图像抖动量计算

为了解决凝视遥感云场景序列图像的亚像素抖动量求解问题,提出了基于灰度线性建模的亚像素序列图像抖动量计算方法。首先,利用三参数线性模型描述像素及邻域灰度,提出了一种图像灰度的线性建模方法。其次,以序列帧图像相对参考帧图像的抖动量作为线性模型中的优化变量,以参考帧图像与序列帧图像之间的相似性为优化目标,建立了亚像素抖动量解算的最小二乘优化方法,并推导得到了解析计算公式。最后,利用云场景序列图像进行了算法仿真验证。结果表明,该方法抖动量的计算误差小于0.1pixel。将该方法与传统基于特征点的配准算法进行了比较,结果显示该方法具有较高的抖动量计算精度,可应用于遥感图像几何定标、目标定位以及时序图像中目标多帧关联检测等。