三维成像声纳BV5000在水下测绘领域中的应用

介绍了一种新型水下三维成像设备BV5000在水下工程中的应用.文章阐述了其系统构成、工作原理、应用领域、数据采集过程和数据后处理,并对影响其数据质量的因素做出了分析.     

基于相机阵列的三维集成成像记录系统

基于三维集成成像理论以及相机阵列和显示透镜阵列之间的对应关系,利用几何成像理论和光线追踪方法对不匹配全光学集成成像记录系统进行了理论分析,得到了主要记录参数(记录距离和相机间隔)和集成成像显示特性之间的关系。提出了一种非匹配系统中相机阵列记录系统参数的设计方法,并设计了相机阵列记录系统。计算得到了系统的关键参数为记录距离49.6cm,相机间隔25mm。对提出的方法进行了实验验证,结果表明,提出的相机阵列光学记录系统能够完整记录场景的三维信息,三维显示特性基本达到了设计指标,相机阵列的主要记录参数与集成成像三维显示特性的关系符合理论分析,验证了提出方法及系统设计的可行性。提出的系统可为不匹配全光学集成成像系统显示提供大场景、高分辨率微图像阵列。     

基于成像声纳的水下管线跟踪方法

针对传统光学传感器易受海水浑浊度影响,采用成像声纳作为自主水下机器人的信息输入,研究如何对水下管线进行跟踪控制。由于声纳图像噪声大、分辨率低,采用了相应的图像处理方法。首先通过多尺度膨胀滤波算法增强管线特征,然后进行Canny边缘检测,最后利用Hough变换提取管线。水下管线跟踪分为搜索和跟踪两个阶段,针对管线位置大体已知和未知的两种情况分别采用随机和往复搜索方式;跟踪阶段提出了基于行为的控制算法,即将跟踪任务分为找到管线、接近管线、跟随管线和管线丢失等四个子任务,在不同的子任务内执行不同的控制策略。将图像处理算法进行了实验验证,管线识别率达到90%以上,并将搜索和跟踪算法在三维仿真环境中进行了仿真验证,表明该算法具有较好的有效性和实时性。     

激光三维成像系统

由于“发现”号航天飞机成功与国际空间站接轨，并完成对飞船底部表面损坏的检查工作，负责航天飞机的“眼睛”——三维成像系统的厂商开始着眼于产品盈利阶段。     

基于最佳记录距离的三维集成成像光学获取技术

针对三维集成成像与显示技术中光学阵列式物体三维信息获取的要求,提出了一种确定最佳记录距离的新方法来减少相邻成像单元间的干扰和三维再现过程中的串扰现象.通过分析大小不同的物体在不同记录距离处的物点成像率和像点利用率,确定了合理的记录距离.分析结果表明,对于特定的集成成像系统,该新方法确定的最佳记录距离处的物点成像率和像点...     

基于双基地声纳的港口航道水深实时监测系统

针对部分港口航道航程较长、宽度狭窄、水深受限、淤积严重等特点,研制了一套基于双基地声纳实现港口航道水深实时监测的实用化系统.该系统采用1对收发分置的高频、小波束开角换能器实现声信号的发射与接收,利用GPS同步技术实现声纳发射单元和接收单元的同步工作,采用单片机与FPGA相结合的电路设计方案实现对水声信号的延时采集与处理.声纳发射单元和声接收单元分别安装在航道的两侧,不影响航道船舶的正常航行.海上定深监测和变深监测实验结果表明该系统稳定可靠,实时性好,尤其对狭窄航道的水深实时监测具有很高的应用价值.     

基于微透镜阵列的三维数字成像

基于微透镜阵列多视角成像特点, 利用几何光学原理,提出一种对物体进行三维数字成像的重构算法.利用这种算法,对CCD相机捕获到的基元图像阵列进行重构.与传统的利用光学系统对物体进行重构的方法相比,该算法不再受到重构过程中遇到的杂光以及衍射效应等因素的影响,具有实时性好、清晰度高的优点.搭建了基于微透镜阵列的三维数字成像系统实验平台,利用此算法对实验中获得的骰子基元图像阵列进行重构,成功地重构出原始物体的三维立体图像,在理论上和实验上证明了这种重构算法的有效性和可行性,并对实验中影响成像质量的因素进行了分析.     

基于MATLAB的三维超声成像及图像处理

三维超声成像与传统的二维超声成像相比,能提供丰富的立体结构信息,有着广泛的用途.专为研究目的设计了基于虚拟仪器的三维超声实验平台,因此可以利用基于计算机的各种处理软件,对该平台所采集的三维数据进行研究.利用MATLAB对实验数据进行了基于表面轮廓法的三维图像重构,观察不同的平滑领域参数以及轮廓提取阈值对三维重构效果的影响.还利用MATLAB对重构后的三维图像进行旋转、切割、切片,从各个角度对立体图像进行观察;并能够进行生物测量,距离测量的相对误差不大于8.00%,容积测量的相对误差不大于8.03%.重构后的图像保持了原物的形状与大小.     

基于小发散角的投影式集成成像三维显示再现深度的拓展

针对集成成像裸眼三维显示技术受三维再现像再现深度的限制而无法实现大规模应用的问题,提出了一种基于小发散角的投影式集成成像三维再现深度的拓展方法.该方法利用投影式集成成像显示系统和一个辅助透镜来控制元素图像阵列中各像素点的发散角度,利用小发散角度实现了再现深度的拓展.与传统的多中心平面拓展技术相比,该方法具有系统结果简单,扩展效率高,对显示器件要求较低的优点.光学实验结果显示,当元素图像阵列中各像素点的发散角为1.79°时,集成成像三维再现深度是原来的6.4倍,比传统的多中心平面扩展技术实现的4倍再现深度提升了60％,为提高集成成像三维再现像的品质提供了一种有效的解决方法.     

基于成像模拟法的镜面体表面三维测量

针对计算机视觉对表面光滑且连续的镜面体三维外形测量中存在的难题,提出一种基于成像模拟法的测量方法。分析镜面反射的几何光学原理,根据镜面体表面光线反射的特性,使用相机和液晶显示器组成测量装置对镜面物体进行测量。使用平面镜对相机和显示器进行参数标定,并使用时间相移法对显示器上的像素点进行编码,从相机拍摄的镜面物体反射的条纹图像出发,采用光线逆跟踪方法,使用参数曲面反向模拟镜面物体的反光过程,通过调整曲面参数使得模拟的反射光线和显示器交点与实际位置距离误差最小,即可获得镜面体表面的三维数据。通过试验验证了该方法的有效性,具有较高的测量精度。     

稀疏基阵水下声成像的压缩感知方法

声传感器基阵式成像是水下目标探测的主要方法之一。在保证成像质量的同时,采用稀疏基阵是降低系统复杂性的有效途径。另一方面,成像方法也是关键技术之一,其性能直接决定成像质量的优劣。在前期研究的稀疏阵基础上,提出了压缩感知成像方法用于水下成像。回波经传感器基阵接收并进行信号分离后,获得各虚拟通道信号,利用压缩感知方法进行成像。在提出的成像方法中,采用了自适应块贝叶斯算法,它能够在噪声环境下较为准确地恢复图像。此外,根据声信号特点设计字典,并按算法特性设计了数据排列规则。实验表明:通过自适应块贝叶斯算法的压缩感知成像能够可靠地对水下目标进行成像,目标的几何特征明显。     

多光谱3D成像方法

已有3D成像方法难以实现单目、单帧图像条件下同时获取场景图像及深度信息,也不能兼具时间效率高、体积紧凑、能耗低等优点。为此,创新地提出多光谱3D成像方法,通过具有纵向色散的光学成像镜头与快照式多光谱图像传感器两部分构成图像采集系统,使用离焦深度还原算法获取深度信息。其基本原理为:首先,增强纵向色差光学镜头使得同一物点在不同光谱波段图像上的成像离焦程度不同;其次,快照式窄带多光谱图像传感器单帧曝光同时获取多幅窄带光谱图像;再通过离焦深度还原算法根据多光谱图像边缘梯度获取3D信息。实验采用纵向色散增强型光学成像系统及快照式多光谱相机捕获450±10 nm、525±10 nm、620±10 nm 3通道光谱图像,对5 m内场景进行3D深度恢复,获得了深度误差不高于5 cm的测量结果。实验结果表明多光谱3D视觉方法可以实现单目、所提单帧图像的深度估计。该方法能同时获得视觉及深度信息且无需空间位置配准及预先深度刻度,单帧图像处理平均耗时0. 186 s,图像采集系统尺寸为120 mm×77 mm×65 mm,其工作功率约为10 W,兼具时间效率高、体积紧凑、能耗低等优点。因此,所提方法有望在无人驾驶及智能机器人等领域获得广泛应用。     

多视角沙姆成像的高精度结构光三维测量方法

传统结构光测量方法在测量高反射率和复杂结构表面存在诸多挑战,且测量精度受到测量视场的限制。本文提出了一种基于结构光投影和多视角沙姆成像的高精度标定及三维测量方法,充分利用系统的景深范围。提出结构光多目视觉测量模型,将投影仪坐标系作为系统测量坐标系,通过建立“三维点-投影图像点-4个相机图像点”的对应关系对系统进行一体化标定,然后利用多视图几何成像约束,通过计算最小二乘解融合多个视角的观测信息,提高三维数据的计算精度。实验结果表明,所提方法和系统可以对高反射率和遮挡表面进行准确测量,测量精度达到5μm,大大优于传统结构光测量方法。     

增大3D观看视角的会聚式集成成像

提出了一种会聚式集成成像法用于增大其3D观看视角。该成像方法包括会聚式集成成像3D拍摄和会聚式集成成像3D显示两个过程。在3D拍摄过程中,各透镜元的3D拍摄视角不再是中心对称的,而是根据透镜元在微透镜阵列中所在的位置来设置其3D拍摄视角,每个透镜元的拍摄视角分别由上、下、左、右拍摄视角组成。在3D显示过程中,设置的参数与3D拍摄时的参数完全相同,图像元节距大于透镜元节距,使得每个透镜元的观看视角互相会聚,从而增大了集成成像的3D观看视角。模拟实验显示:会聚式集成成像的3D视角是常规成像方式的近3.4倍,且消除了串扰。实验结果验证了理论推导的正确性。     

基于小型自主平台拖曳的细小型阵列的二维DOA估计

搭载了细小型线阵列的小型自主平台是实现水下声学移动监测的重要工具.通常,使用单个细小型拖曳线列阵只能估计信源的一维到达方向,而本研究采用小型无人自主平台拖曳的细小型线列阵,利用灵活的机动可实现二维波达方向估计.该阵列通过快速的转弯形成一组相互垂直的路径,在不同时刻位于这两条路径上的阵列组成一个L型阵列,利用这两条直线路径上的阵列分别估计信源的两个一维波达方向,进而可以对基于合成L阵的二维波达方向进行估计.数值仿真验证了所提方法的有效性,并对其理论误差进行了分析.     

成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法研究

在中医舌诊的客观化研究中,舌面的彩色三维数据能为医生提供更全面的信息,提高诊断的准确性。提出了一种基于成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法。在成像光线追踪模型的基础上,引入光平面约束,以准确确定成像点到空间测量点的映射,结合2个线结构光传感器的扫描测量,分别获取舌头上表面及下表面完整的三维信息,并根据空间测量点到成像点的映射,完成颜色渲染,获取对应测量空间点的颜色信息。设计并研制了舌面彩色三维成像系统,进行了测量及精度验证实验,实验结果表明该方法可以准确获取舌面的彩色三维信息。     

基于无人艇载侧扫声呐的水下目标定位方法研究

水下目标高精度定位是无人艇开展海底测绘、航道清理、沉船打捞等任务的重要前提。 然而,现有的基线式定位方法无法对未知水域内的目标进行精确定位。 实际任务中,无人艇往往需要搭载侧扫声呐并辅以其他手段来确定水下目标的准确位置。 针对无人艇水下目标定位难题,首先对侧扫声呐水下目标定位过程进行建模,然后分析姿态误差对水下目标定位造成的影响,利用姿态矫正矩阵消除姿态误差,最后利用离散卡尔曼滤波算法对多点测量数据进行最优估计,得到水下目标的精确位置。仿真实验和无人艇集成实验结果表明,该定位方法能够有效的减小测量过程中的误差,平均定位精度达到 0. 334 m。     

基于DSP+FPGA的信号处理实验系统研制

本文利用DSP＋FPGA技术,研制了一种信号处理实验系统,实现了滤波、MTI、求模、恒虚警等各种信号处理算法,对算法的实时性、效果进行了验证和分析,可对各种算法的工程应用价值进行客观评估,已作为实验室专用设备用于雷达、水声信号处理有关算法的验证和分析。该系统由DSP、FPGA、双路高速A/D和D/A等构成,可对串行、并行输入的信号进行处理,处理后的信号可以以串行、并行方式输出。本文对系统的硬件、软件结构和有关实验结果进行了介绍。     

室内场景下实时地三维语义地图构建

移动机器人自主建图是完成智能行为的前提。为提高机器人智能水平和直观的用户交互,地图需要扩展超出几何和外观信息的语义信息。研究了将基于深度残差网络(DRN)的像素级图像语义分割和三维同时定位与建图(SLAM)相融合的三维语义地图构建方法。首先,采用一种联合中值滤波算法进行深度图像的修复,使用改进的迭代最近点(ICP)算法得到相机估计位姿以及基于随机蕨类的闭环检测构建出三维环境地图;其次,采用优化的深度残差网络对输入的图像实现较精准的像素语义级别的预测与分割;最后,采用贝叶斯更新方法,渐进式的将图像分割获取的语义分类标签迁移到重建的室内三维模型中,获得完整的三维语义地图。实验表明,所设计的方法可以在实际的、复杂环境下实时地构建语义地图。