三维测量工业内窥镜的双目光学系统

针对国内工业内窥镜只限于观察,无法满足工件三维尺寸测量的现状,设计了一种探头外径为6 mm并且可以向任意方向弯曲的三维测量工业内窥镜,并介绍了该内窥镜的双目光学系统及镜体内部结构的设计。首先,基于双目立体成像的原理,提出了一种具有双物镜、单图像传感器的新型双目光学系统。其次,根据光学系统的技术要求,设计了内窥镜的头部结构。考虑到一些工件内部结构比较复杂,分别设计了内窥镜的可弯曲结构以及后部操控机构以方便一些精密工件的检测。最后,通过三维图像处理软件对待测物表面两个特征点进行长度测量试验,得到了两个特征点的间距。实验结果表明：待测物表面两个特征点的长度测量误差在±0.2 mm内。该系统基本实现了工业内窥镜的三维测量功能。     

基于双平行平面相机模型的钢板尺寸视觉测量

提出基于双平行平面相机模型的视觉测量方法,用于测量生产线上运动钢板的尺寸。该方法采用数据驱动的方式计算像点在标定平面上投影点的世界坐标;采用k近邻(k-NN)方法生成目标在标定平面上的无畸变投影图像,并建立投影图像与世界坐标系的直接关联。提出了双平行平面模型下相机光心位置标定算法,利用线结构光进行板材厚度测量;在无畸变的投影图像上利用钢板边缘间的平行和垂直性进行钢板边缘特征提取,通过边缘直线的世界坐标方程求取长宽尺寸。最后,给出了针对大尺寸钢板测量的多相机测量系统框架。提出的方法为单目视觉测量方法,相比于其他方法具有现场安装简单和标定工作量小的特点。通过图像分辨率为640×480的相机对尺寸为80mm×50mm×15mm的标准铝块进行了测量,结果显示:厚度测量误差为0.1mm,长度和宽度的误差在0.2mm以内。实际应用中测量精度远高于加工精度,能够满足产品计量的要求。     

基于彩色图像的高速目标单目位姿测量方法

针对风洞分离实验对于视觉测量系统的高精度、大视场、高速的测量要求,提出一种基于单目摄像机的风洞运动目标位姿测量方法。该方法利用单目摄像机进行运动目标位姿信息测量,相比于双目测量方法具有设备简单、视场大的优点。首先提出一种基于靶标特征点相互约束关系的参数优化方法,采用复合式靶标实现摄像机的快速高精度标定;针对目标运动图像处理,提出一种基于图像差叠法和标记点位置估计的图像快速分割与目标定位方法,实现图像特征的快速准确定位;针对单目测量要求及目标运动特性,提出一种基于方向估计标记点布局方式,实现合作标记点的快速识别和提取;最后利用单目视觉原理求解运动目标的位置和姿态信息,通过实验室模拟实验完成了测量系统的精度验证,在1 m×1 m视场范围内,其位移测量精度可达到0.19 mm,俯仰和偏航角测量精度可达到0.18°。     

位感条纹三维振动测量原理及试验研究

针对当前单目视觉测量方法难以实现结构三维振动同步测量的问题,提出一种基于位感条纹和高速相机的结构三维振动同步测量新方法。在建立测量系统完整的原理模型基础上,系统描述单相机成像坐标下采用单个位感条纹获取结构三维动态位移信息的测量原理,建立成像位感条纹三维编码动态参数与结构实际三维位移之间的内在联系,推导各维位移的计算公式。通过结构三维运动和视觉成像系统的联合仿真模型,验证位移测量原理和算法的正确性;并通过仿真和试验分析系统的测量性能及其影响因素。通过对结构已知三维运动的测量,并与基于三维加速度传感器的接触式测量方法进行对比试验,验证基于位感条纹的视觉测量方法及系统在实现结构三维振动位移准确同步测量的有效性。     

基于矩形永磁体磁场信息的6自由度微位移精密测量

利用矩形永磁体自身有规律分布的磁场信息,提出一种使用霍尔传感器阵列作为传感检测模块的非线性计算测量方案。该方法可实现空间六自由度的微位移精密测量,并能保证测量轴间的严格数学正交特性。此方案利用矩形永磁体分布磁场与空间位置间的对应关系,建立永磁体的磁感应强度空间分布数学关系B(X),作为测量模型,并设计均匀布置的霍尔传感器阵列检测空间磁感应强度B。然后,基于运动连续性原理,采用顺序求解法对测量模型B(X)进行快速解算。通过高斯白噪声条件下的500次蒙特卡洛仿真验证了此方案的可行性。试验结果表明,在微位移10 mm测量范围内,XY平动测量误差标准差小于80μm,Z向2 mm垂直位移范围内测量误差标准差小于10μm,转动?/6范围内测量误差标准差小于5 mrad。     

基于定位平台的大尺寸工件视觉测量技术研究

对于大幅面工件的几何尺寸很难进行全尺寸视觉测量的问题,提出一种单目视觉加运动控制联合的测量方法.该方法结合了图像检测功能与运动平台的可移动特点,对大尺度工件进行分区编号,控制直线精密定位平台按逆时针顺序对相应区域进行图像采集处理,并建立一种基于Canny边缘检测与分段序贯最小二乘法拟合求交点的角点检测算法,通过获取先后两不同区域图像角点坐标的偏差,结合定位平台位移信息,实现对大幅面工件的全尺寸视觉测量.最后运用建立的大尺寸工件视觉测量系统对特征丰富的工件进行测量实验,实验结果表明系统在200mm测量范围内可保证0.05mm的精度要求.     

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。     

基于多图像融合的MEMS显微三维形貌重构

针对微型机电系统(MEMS)的三维测量,显微镜或光学轮廓干涉仪等传统方法存在显微测量精度低、设备成本高等问题,且当结构含有较多断裂面时,解包裹算法效果欠佳。本文提出一种基于多图像融合的MEMS显微三维测量方法。不同于多角度显微三维测量方法,本研究首先利用单目显微镜,通过单一轴向移动获取一系列测量目标深度信息的单一角度图像,并利用去雾算法对图像进行预处理,实现了去噪和有效信息提取的目的;然后通过聚焦测度算法获取待测对象的深度信息;最后利用数据处理软件进行三维拟合。基于上述原理,本文以焦平面阵列(FPA)作为待测目标进行了测量实验。本文提出的三维测量方法和图像处理算法可获得更准确的FPA形貌,可清晰显示反射面与支腿部分及反射面上的释放孔,测得FPA的支腿长度为110.6μm,每个反射面的像元尺寸为120.8μm×70.8μm,与设计值基本吻合,解决了断裂面难以测量的问题,同时降低了微结构测量的难度和成本。单目显微镜单向移动的多图像融合测量技术对MEMS的三维形貌测量具有重要意义,去雾算法在图像融合与三维测量的图像处理也有很好的应用价值。     

基于序列局部图像的尺寸高精度测量方法

为实现大尺寸机械零件的高精度视觉测量,研究基于序列局部图像的视觉测量方法。首先分析机械零件图像边缘的过渡分布特征,提出边缘像素补偿法,消除实际边缘不能精确定位对测量精度的影响。然后以直线边缘距离测量为原型,提出基于序列局部图像尺寸特征的测量方法：对零件进行微小区域成像,生成在空间上连续的序列局部图像;应用相关系数法和双线性插值法获得相邻序列图像的亚像素级尺寸特征线,从而得到各局部图像的尺寸特征;对这些尺寸进行求和与补偿,得到零件的总体尺寸。实验表明,对常规尺寸零件的单幅图像运用边缘像素补偿法,相对测量误差在0.008%以内;对大尺寸零件应用序列图像测量法,相对测量误差在0.01%以内,具有误差积累小的优点,可用于机械零件的精密自动化测量。     

基于序列局部图像的高精度测量

研究了基于序列局部图像的视觉测量方法.分析了机械零件图像边缘的过渡分布特征,提出用边缘像素补偿法来消除实际边缘不能精确定位对测量精度的影响.以直线边缘距离测量为原型,提出了基于序列局部图像尺寸特征的测量方法:对零件进行微小区域成像,生成在空间上连续的序列局部图像;应用相关系数法和双线性插值法获得相邻序列图像的亚像素级尺寸特征线,从而得到各局部图像的尺寸特征;对这些尺寸进行求和与补偿,得到零件的总体尺寸.实验结果表明,对常规尺寸零件的单幅图像运用边缘像素补偿法,相对测量误差在0.008%以内;对大尺寸零件应用序列图像测量法,相对测量误差在0.01%以内,并具有误差积累小的优点.本文算法可基本满足板类零件的精密自动化测量要求.     

Verticality detection algorithm based on local image sharpness criterion

In the high precision image measurement system,the verticality error between the axis of the shooting system and the measured object can bring error of the measurement result.The high demand of the system’s vertical degree is raised by measure system due to the demands of high precision and disposable full field imaging in the micro-parts imaging measurement.The existing method of optical axis verticality detection cannot meet the demand all.In order to achieve the high-precision adjustment of the system optical axis,the algorithm of detecting verticality based on regional image definition is proposed.First,the objected standard image is divided into fixed area.Then,the object plane is moved from the downside to the upside of the focus plane,meanwhile,recording the definition function values of each standard image region at each step,and fitting out the clearest positions of the regions.Finally,according to the inter-regional relations between the locations and the height difference of the each regional clearest position,the small angle between the optical axis and the measured surface can be calculated.The experiment is based on the given image of lithography template with the scale of 10 μm as move unit,and the results show that this method effective reduced the small angle between the system optical axis and the measured body in high-precision image measuring system,the evaluation accuracy is less than 0.1°,meeting the requirements in high-precision measurement.The proposed method of detecting verticality based on regional image definition can evaluate the verticality error between the axis of the shooting system and the measured object accurately,effectively and conveniently.     

点光源测头光束方向的标定

指出在采用点光源测头测量物面测点坐标时 ,因光束方向相对于机床坐标系的安装偏角而引起的测量误差问题。提出了一种标定光束方向的方法。设计 V形块做标定的靶标平面 ,通过在 V形块随各坐标轴做等距移动时采样 ,实现了点光源测头光束方向的标定。给出了标定光束方向后的测点坐标计算方法。并设计了仿真程序验证了该方法的可行性。仿真结果表明 ,当测头精度为 0 .0 1m m,光栅尺对机床位移的检测精度为 0 .0 0 2 mm时 ,光束方向的标定误差可以控制在 0 .1mrad的水平     

Complex wavelets for extended depth-of-field: a new method for the fusion of multichannel microscopy images

Microscopy imaging often suffers from limited depth-of-field. However, the specimen can be "optically sectioned" by moving the object along the optical axis. Then different areas appear in focus in different images. Extended depth-of-field is a fusion algorithm that combines those images into one single sharp composite. One promising method is based on the wavelet transform. Here, we show how the wavelet-based image fusion technique can be improved and easily extended to multichannel data. First, we propose the use of complex-valued wavelet bases, which seem to outperform traditional real-valued wavelet transforms. Second, we introduce a way to apply this technique for multichannel images that suppresses artifacts and does not introduce false colors, an important requirement for multichannel optical microscopy imaging. We evaluate our method on simulated image stacks and give results relevant to biological imaging.     

单目摄像机线性模型可靠性分析与研究

要利用摄像机进行高精度的非接触式测量,通常在线性模型的基础上采用单目摄像机进行光学标定、成像、校正和测量,其中常用的针孔相机模型的可靠性及适用范围鲜有报道,为此对目前广泛采用的线性模型的可靠性进行分析与研究。根据单目摄像机成像特点,建立基于图像像素坐标与三维世界坐标的摄像机数学模型,利用自制模板进行视觉测量实验,并通过亚像素角点检测方法得到图像像素坐标,在不考虑光学畸变的情况下,对模板线段进行特征提取和线性度分析,并不断调整测量距离进行重复实验。实际针孔相机模型测量结果显示相对误差不超过1%,在该模型下的重复测量误差最大不超过0.3 mm,并进一步提出了该模型在不同区域和不同物距下存在的测量差异。实验结果显示,线性模型简单实用且在一定物距范围内具有良好的线性度。实验结果为针孔相机模型的建立提供了参考。     

光电测量系统畸变的实时数字校正

根据视场角为70°的大视场光电测量系统中光学系统产生畸变的机理及径向变化的特点,设计了由11个等距激光目标点组成的畸变检测装置。对于不同的光学测量系统,按照畸变检测的三个步骤对光学系统的畸变进行检测,根据测量得到的系统畸变变化情况,拟合出实时测量时目标点在线阵CCD上成像位置的补偿方程,编写出成像位置数据采集及实时处理的补偿程序,提高了测量系统实时测量的精度。在对焦距为29.98 cm的光学系统进行实际校正测试中,结果表明,当目标物距为1 651.59 mm、物高为400.007 mm时,按照拟合的二次补偿方程进行计算补偿,可将畸变误差从校正前的-0.026 4 mm提高到校正后的-0.002 9 mm,并使系统整体检测精度从0.36%提高到0.04%。     

透镜组中心偏自动测量

中心偏的自动化测量避免了人为测量误差,提高了测量精度,为提高仪器的光学质量提供了依据。在介绍了反射式中心偏测量的基本原理的基础上,推导了中心偏测量的迭代公式。然后给出了测量系统和光路的设计方案,并对整个系统中关键技术:自动聚焦、指标自准像提取、最佳光轴的拟合,进行了详细的阐述。最后提出了整个系统的误差分析及改进方案。     

基于多波长协作的切削液残留表面激光位移测量误差补偿方法

在加工测量一体化过程中,工件表面切削液残留形成的油膜会严重影响光学在机测量的精度。 现有的误差补偿方法通 常需要获取油膜介质的先验信息,如成分、厚度等。 而这些信息受加工形质、切削液随机分布等因素的影响难以实时获取。 为 此,本文提出一种基于多波长协作的切削液残留表面激光位移测量误差补偿方法。 首先设计并搭建了基于激光三角位移测量 的多波长激光测量系统,可利用多波长激光测量同一被测点位移。 通过引入柯西色散规律,建立光学系统与激光波长的解析关 系,并基于此推导出多波长激光测量内在的差分特性,最终实现误差补偿。 本文依此方法进行了实验。 结果表明补偿后测量误 差绝对值小于 0. 01 mm,与未补偿的测量数据对比,误差降低了至少 92% 。     

基于构建最优函数提高飞机姿态测量精度

提出了基于构建最优函数来提高飞机姿态测量精度的方法.首先,利用模板匹配法获得飞机在两个测站投影的同名特征点,在发射坐标系下采用交会获得飞机同名特征点的坐标值,根据飞机在空间的特征三角形解算飞机姿态的初值.然后,建立飞机体坐标系;利用成像的共线方程,重新计算空间特征点对应的像点坐标;以重投影结果与实际像点之间的偏差最小作为优化目标函数.最后,通过迭代提高目标姿态解的精度.实验结果表明,飞机轴向成像在大于500pixel时,姿态角测量误差小于0.1°.与中轴线法及飞机角平分线方向向量法测量精度比对,本文提出的方法采用的数学模型正确、算法合理,有效地提高了飞机姿态的测量精度.     

采用联合变换相关的透镜中心偏差测量

基于双相位编码光学联合变换相关技术提出了一种测量透镜中心偏差的方法以确定偏差方向并提高测量精度。在经典联合变换相关原理基础之上,使用两个相位函数分别对参考图像和联合功率谱进行编码,并选用合适的滤波器消除旁瓣干扰,得到单个互相关峰的输出。利用该双相位编码后的联合变换相关技术探测不同目标图像相对于参考图像的位移矢量,并拟合圆。此拟合圆圆心到圆上点的矢量即为经自准直光学系统放大后的偏心矢量,从而同时确定了中心偏差的大小和方向。实验结果表明,通过双相位编码后的相关输出仅保留一个尖锐的相关峰,实现了位移矢量的亚像元探测;使用联合变换相关技术准确地测量了透镜的中心偏差,其测量结果的实验标准差为0.1μm,误差绝对值最大为0.3μm,满足一般透镜中心偏差测量的要求。