行车环境下钢轨轮廓激光条纹中心的提取方法

研究了行车环境下激光条纹图像中心线快速、准确且可靠的提取方法。基于ENet深度学习模型实现了激光条纹的多区段快速分割;通过统计各区段内光条梯度方向的直方图来确定各分段光条的法线主方向,并构造了相应的方向模板;利用分区域多模板匹配的灰度重心法实现了光条中心的亚像素坐标提取。研究结果表明,该方法可以有效克服室外行车环境中各类干扰信息对光条中心提取的影响,单幅钢轨轮廓图像的光条提取时间仅为2.1 ms,误差均值约为0.082 pixel,标准差为0.047 pixel,兼顾了光条中心提取的时效性和准确率。     

摄像机标定中的特征点自动提取方法

提出了一种在复杂背景下,无需人工干预、自动提取二维正弦标靶特征点的方法。以液晶显示器作为平面标靶,标定图像为正弦强度条纹。摄像机拍摄标定条纹图后,算法根据条纹调制度自动分离背景和有效条纹区域;先将水平和垂直相移条纹的截断相位进行相位展开,再将两个相位分布构造成新的二维正交条纹图,通过多项式拟合建立各相位分布与其像素坐标的关系,以正交条纹亮点(对应相位为2π)作为标定特征点,并对这些亮点进行定位操作,获取其对应的亚像素坐标;最后利用展开相位的级次与条纹周期信息自动计算出它们的世界坐标,用于后续的摄像机标定。与常用的二维棋盘格对比实验结果表明,该方法标定结果可靠,而且精度更高,最为关键的是,该方法无需人机交互的手动操作,自动易行,可在以二维正弦条纹为标靶的摄像机标定中推广应用。     

基于双重虚拟圆靶标的激光扫描测头标定

提出了一种基于双重虚拟圆来标定光平面的新方法。该方法利用棋盘的角点在图像坐标系下构建双重虚拟圆,虚拟圆与激光光条直线建立了相对的位置关系,根据交比不变原理计算出光条上的特征点在摄像机坐标系下的坐标。在摄像机视场范围内多次变换棋盘位置,构造出的虚拟圆也相应变换,由此计算得到更多的特征点,利用最小二乘法拟合光平面方程。实验表明,该方法求得的精度要明显优于实际的圆形靶标标定的精度,光平面标定的均方根误差为0.04mm,且棋盘靶标更易于制作,标定计算简单可靠,适合现场标定。     

一种高精度线结构光视觉传感器现场标定方法

针对现有线结构光视觉传感器标定方法存在的局限性,提出一种不需要求解光平面标定点的标定方法.根据光条图像求解平面靶标上光条在摄像机坐标系下的Plücker矩阵.在视觉传感器前合适位置将平面靶标摆放多次,联立所有光条空间直线的Plücker矩阵,求解光平面在摄像机坐标系的平面方程.最后通过非线性优化方法得到光平面方程在最大似然准则下的最优解.在标定过程中,所有光条点都参与光平面参数的计算过程,因此该方法标定结果精度高、稳健性强.实验证明,与现有方法相比该方法标定精度提高30%左右.     

基于共面靶标的线结构光传感器标定新方法

现有的线结构光传感器标定方法中,结构光平面上标定点的计算精度将会直接影响到传感器最终的标定精度。提出了一种基于共面靶标的线结构光传感器标定新方法,该方法无需计算光平面上的标定点,也无需反复计算摄像机的外参数。多次移动共面靶标计算不同方向激光条纹直线的消隐点,并对其拟合直线得到光平面的消隐线,完成光平面法向的标定。根据交比不变原理计算共面靶标上标定点间的距离,并以其为约束来标定剩余参数。考虑到误差传递的影响,定义了优化目标函数,以已求得参数为初值进行非线性优化。对比实验表明了该方法具有较高的标定精度,测量误差均方根为0.0306mm,且标定过程简单,计算复杂度低,适合现场标定。     

线激光辅助的皮带撕裂视觉检测方法

为了快速、准确地检测出输送机皮带工作时发生的纵向撕裂事故,提出了一种基于线激光的视觉检测方法.“一”字线激光器向皮带底面投射直线激光条纹,使用CCD相机获取图像并提取出光条中心,通过分析光条中心畸变特征来判断皮带表面是否存在撕裂.首先采用阈值法对激光条纹进行分割;然后在光条区域上利用重心法实现光条中心的粗略提取;最后利...     

基于傅里叶条纹分析的多摄像机标定方法

提出一种新的摄像机标定方法,该方法基于2D共面参照物摄像机标定方法和傅里叶条纹分析方法.将已知相位分布的平面二维正弦灰度调制条纹图作为平面标定靶,通过傅里叶条纹分析方法计算出两个截断正交相位分布,利用截断正交相位分布并结合二维正弦条纹图特点提取相应的图像特征点,建立像素坐标与2D平面坐标的对应关系.将该二维平面靶在摄像机成像空间中放置不同的位置,并完成相应的特征点提取,根据2D共面参照物摄像机标定方法即可完成摄像机标定.该方法利用平面相位测量的高准确度来提高标定特征点的提取准确度,从而提高标定准确度.实验对双摄像机系统进行了标定,标定后该系统对标定靶进行测量,标准偏差达到0.010 mm.     

轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列,将轴平面成像技术与光镊结合,实现了沿轴向对二氧化硅微球的多光阱同时捕获与实时观测.通过视频分析法测量了多个二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,并标定了光阱刚度.本文提出的轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术为光学微操纵提供了一个新的观测视角和操纵方法,为生物医学、物理学等相关领域研究提供了一种新的技术手段.     

基于参考靶标的线结构光传感器标定

为提高线结构光传感器(LSLS)的标定精度,提出了一种基于平面参考靶标的标定方法。给出了相机坐标系下参考靶标点中心坐标及激光平面方程的计算方法;将参考靶标点中心向激光平面投影,并以左下角投影点为原点建立世界坐标系,得到了靶标点中心像素坐标所对应的世界坐标;采用多项式拟合得到了任意像素点到世界坐标的转换关系,实现了传感器的标定,标定结果仅为多项式的系数,便于存储和使用;对标定误差进行了分析。结果表明,所提方法得到的各测试点与第一个点间距离误差的均方根值为0.0216 mm,相对于传统方法减少了22%,所提方法在LSLS高精度标定方面具有一定的优越性。     

光条亮度对线结构光测量精度的影响

光条中心的提取精度直接影响线结构光传感器最后的测量精度,而光条亮度是影响提取精度的主要因素。提出了光条中心提取精度的评价方法,通过实验获得光条亮度与光条中心提取精度之间的关系曲线;为了在实际测量中能获得最佳光条亮度(对应最高的提取精度)设计了基于D/A转换的光条亮度自适应调节电路。实验结果表明:光条过暗或过亮都会使线结构光传感器的测量精度降低,在测量不同颜色的表面时通过光条亮度的自适应调节均可获得最高的提取精度。     

高噪声背景下激光条纹亚像素中心的提取

针对线结构光三维形貌测量中大量噪声易干扰激光条纹中心提取准确度的问题,提出了一种条纹亚像素中心提取方法。分析条纹图像中的噪声,采用平均法和中值滤波预处理图像;利用迭代阈值分割及形态学方法,获取条纹目标,引入距离变换提取条纹的像素级中心;根据像素级中心、二值信息及光强灰度,结合曲线拟合及重心法精确提取条纹的亚像素中心。仿真分析和实验验证下,相邻行条纹中心列坐标最大偏差值像素小于2 ,平均偏差像素值约为0.3,与传统方法相比,2项指标值更小。实验结果表明,算法有效利用条纹灰度分布规律,可降低噪声对中心定位精度的影响,更逼近条纹真实中心位置,抗噪能力极强。     

基于法线引导的激光中心线提取方法

在线结构光三维测量系统中,高精度激光条纹中心线提取是提高测量精度的关键。针对现有激光中心线存在提取精度不高、保留细节差等问题,提出了一种基于法线引导的激光中心线提取算法。该算法具体实现步骤为:首先,对图像进行预处理,结合边缘检测和几何中心法对激光线初步提取;然后,用主成分分析法(principal component analysis,PCA)求取其法线,在激光中心点处划分角度八邻域,通过法线角度引导搜寻有效点集;最后,利用灰度重心法对点集进行亚像素提取。实验结果表明:该算法均方根误差与灰度重心法相比提高了0.233 9像素,比Steger算法、方向模板法更好地保留了光条细节,可以更精确地提取光条中心,达到亚像素级的精度。     

Line structured light vision sensor calibration using parallel straight lines features

Line structured light vision sensor (LSLVS) calibration is to establish the relation between the camera and the light plane projector. This paper proposes a geometrical calibration method for LSLVS via three parallel straight lines on a 2D target. The approach is based on the properties of vanishing points and lines. During the calibration, one important aspect is to determine the normal vector of the light plane, another critical step is to obtain the distance parameter d of the light plane. In this paper, we put the emphasis on the later one. The distance constraint of parallel straight lines is used to compute a 3D feature point on the light plane, resulting in the acquisition of the parameter d. Thus, the equation of the light plane in the camera coordinate frame (CCF) can be solved out. To evaluate the performance of the algorithm, possible factors affecting the calibration accuracy are taken into account. Furthermore, mathematical formulations for error propagation are derived. Both computer simulations and real experiments have been carried out to validate our method, and the RMS error of the real calibration reaches 0.134 mm within the field of view 500 mm × 500 mm.     

光笔式双目视觉测量系统标定技术研究

针对光笔式双目视觉测量系统的标定问题,讨论了关于相机内参、双相机外参以及测量笔的相关标定理论,开发了一整套基于LabVIEW的标定系统。运用张氏平面标定法实现了相机内参标定。结合基于标准长度的外部参数标定方法,实现了双相机外参数标定。运用粒子群算法和LM算法相结合,加快了目标函数高维寻优速度。在测量笔标定环节,提出了一种基于最小二乘法的现场校准方法。标定系统完成了后期开展相关测量前的所有准备工作,具有较高的精度和实用性。在测量系统标定结果基础上对直径25 mm标准陶瓷球进行测量,测量结果标准差达到0.019 mm。     

Experimental determination of the reference plane of shaped diffusers by solar ultraviolet measurements

The optical reference plane of a J1002 shaped dome diffuser from CMS-Schreder was determined using direct normal spectral solar UV irradiance measurements relative to a flat Teflon diffuser. The spectroradiometers were calibrated relative to the same irradiance standard. The optical reference plane of the shaped J1002 diffuser is 5.3 mm behind the top of the dome with an uncertainty of 1.0 mm. Solar UV irradiance measurements based on a lamp calibration using the top of the dome as the reference will overestimate the global solar irradiance by 2.1% for the usual calibration distance of 500 mm.     

Constructing feature points for calibrating a structured light vision sensor by viewing a plane from unknown orientations

To calibrate a structured light vision sensor, it is necessary to obtain at least four non-collinear feature points that fall on the light stripe plane. We propose a novel method to construct non-collinear feature points used for calibrating a structured light vision sensor with a planar calibration object. After the planar calibration object is moved freely in the range of measuring of the structured light vision sensor at least twice, all the local world coordinates of the feature points falling on the light stripe plane can be readily obtained in site. The global world coordinates of the non-collinear feature points in the local world coordinate frame can be computed through the three-dimensional (3D) camera coordinate frame. A planar calibration object is designed according to the proposed approach to provide accurate feature points. The experiments conducted on a real structured light vision sensor that consists of a camera and a single-light-stripe-plane laser projector reveal that the proposed approach has high accuracy and is practical in the vision inspection applications. The proposed approach greatly reduces the cost of the calibration equipment and simplifies the calibrating procedure. It advances structured light vision inspection one step from laboratory environments to real world use.     

基于平面互补靶标的线结构光标定系统

为提升线结构光传感器的标定效率与精度,设计了一种集成自背光可调节位姿的平面棋盘格-同心圆互补线结构光标定系统。该系统基于同心圆圆心的真实投影位置与投影椭圆圆心位置的几何关系,建立非线性优化偏心误差补偿模型,精确得到透射投影下圆心偏心误差补偿位置。该方法与传统标定方法对比降低重投影误差84.7%,有效解决了圆形标志物偏心误差补偿的高精度标定难题。通过将相机坐标系下过光心、光条中心线的平面与靶标平面结合,多次获取空间交线的坐标信息增加特征点,并使用最小二乘法拟合光平面方程,解决了因特征点少从而平面拟合标定精度较低的问题。在复杂环境下重复实验测得大尺寸砂轮外径误差均值为0.005 1 mm,结果表明该标定系统具有一定的准确性和简便实用性。     

基于单目视觉和圆结构光的目标姿态测量方法

为解决实际工程中无法在被测目标表面设置固定特征来配合单目视觉系统实现目标姿态测量的难题,将圆结构光源引入单目视觉系统中。通过建立圆结构光的视觉姿态测量模型,提出了一种基于单目视觉和圆结构光的目标姿态测量方法。利用图像处理获取不同姿态下目标表面的结构光光条图像的数学参数;然后将其输入到姿态测量算法中,得到目标表面结构光光条的法向量;最后利用目标表面的参考点与结构光光条中心之间的距离约束关系确定唯一解。实验结果表明,该方法有效可行,测量误差平均在0.5°以内,更便于机器人抓取等工程领域的应用。     

激光投影成像式运动目标位姿测量与误差分析

为了实现室内运动目标位姿的高精度测量,建立了一套激光投影成像式位姿测量系统.该系统利用两两共线且交叉排列在同一平面上的点激光投射器作为合作目标捷联在运动目标上,通过与光斑接收幕墙的配合共同组成运动目标位姿测量基线放大系统,利用高速摄像机实时记录幕墙上投影光斑的位置,利用摄像机标定结果求解投影光斑的世界坐标,利用投影光斑之间构成的单位向量建立运动目标位姿解算模型.最后,根据测量原理推导了图像坐标提取、摄像机外部参数标定、光束直线度与目标位姿解算结果之间的误差传递函数.实验结果表明,当摄像机的视场范围为14 000mm×7 000mm时,测量系统的姿态角测量精度为1′(1δ),位置测量精度为5mm,且误差大小与目标位姿测量误差传递函数理论计算值一致,验证了本文提出的目标位姿测量方法与测量误差传递模型的准确性,能够满足目标位姿测量高精度的要求.     

结构现场可调的点激光精密测量系统

为了实现激光传感器测头可以根据现场条件来实时改变入射角度,建立了结构可调的点激光测量系统。建立了相机的针孔模型,利用张正友标定算法得到该相机模型的内部参数,定义点激光测量系统中的光心角,推导出利用像点坐标和相机内部参数实时求取光心角公式。建立了点激光测量系统的数学模型,引入点激光测量系统的结构参数:基线距和基准角,利用零平面和两个基准面标定系统结构参数。利用标定得到的系统结构参数进行实时的逆向工程在线测量。实验结果表明:测量系统量程为75mm时,该标定算法最大标定误差≤0.02mm,点激光测量系统的测量误差≤0.06mm,达到精密测量的要求。