光针轮廓扫描技术测量内螺纹曲面

分析了激光光针扫描在测量内螺纹曲面时的特性及影响精度的因素。根据光斑在被测面的噪声分布特点,采用中值滤波与小波阈值去噪相结合的综合滤波算法对光斑图像进行了去噪处理,其中中值滤波可以有效地消除光斑图像中的脉冲噪声,而基于小波变换的阈值去噪算法可以消除图像中的高斯噪声。通过综合滤波算法对光斑图像进行处理,可以有效消除激光光斑噪声,消除图像噪声对测量精度的影响,同时保持了光斑图像的细部特征。根据激光光斑图像在倾斜被测物体表面光强分布特点,设计了近似圆拟合算法来确定光斑中心,该算法相对传统算法具有计算量小、计算效率高,适合在线检测的特点,可以克服测量面倾斜对激光光斑中心的影响。利用采用上述方法的坐标机激光光针扫描系统,对标准内螺纹量规进行测量,对比应用前后的测量结果,螺距精度提高了0.48 mm,中径测量精度提高了0.44 mm,牙型角精度提高0.57°。     

双目视觉测量中等匹配点的光条中心提取

为了精确、快速提取激光条中心,使其提取结果更适用于工业现场特征尺寸的双目视觉测量,提出了一种等匹配点的激光条中心提取方法。利用灰度重心法粗提取出激光条中心点,计算灰度梯度方向,确定光条边界。接着,根据左右图像中激光条的粗提取结果确定基准光条,对另一幅图像中的对应光条进行插值。然后结合灰度梯度方向与插值结果对激光条进行重提取,得到等匹配点的亚像素中心坐标。最后,利用激光条中心点提取结果重建陶瓷平板、金属板表面及加工现场锻件表面的特征信息。实验结果表明,本文方法提取陶瓷板与金属板的激光条中心点的匹配率分别为99.887%与98.276%,宽度重建的相对误差分别为0.638%与0.488%,激光条中心提取结果能有效重建锻件表面的特征信息,满足工业现场对测量的精度、速度和鲁棒性要求。     

基于三维傅里叶变换的胸腹表面测量

鉴于人体胸腹表面三维运动测量在精确放疗等医学领域中的重要应用背景,提出一种三维傅里叶条纹分析与三频时间相位展开相结合的三维傅里叶变换胸腹表面测量方法。投射一幅不同频率三原色余弦条纹组成的图案,每采集一幅图像就能实现相应时刻胸腹表面的三维形状测量;将动态条纹图像序列作为一个三维序列整体,通过三维傅里叶变换并结合三维高斯滤波器提取折叠相位。无干扰时其均方根误差不超过0.005rad,峰谷值误差不超过0.015rad,其抗干扰能力高于二维傅里叶条纹分析和其他胸腹表面三维傅里叶条纹分析方法;通过三频时间相位展开方法进行折叠相位展开,在限定条件下绝对相位的误差不超过折叠相位的误差。理论分析和实验结果表明,本文方法能实现人体胸腹表面的三维动态测量。     

全波形激光测距幅相误差改正方法

针对全波形激光测距中存在的幅相误差问题,提出一种基于神经网络的幅相误差改正方法。利用非合作目标探测信息,通过提取回波波形的形状信息、能量信息、梯度信息、对称性信息及距离信息特征参数,根据皮尔逊相关系数对特征参数进行分级,建立多回波特征信息与幅相误差改正的神经网络模型以校正全波形激光测量中各通道幅相误差的影响。实验使用5%、20%、60%、80%标准反射板及激光采集模块在室内对7种距离进行数据分组采集和处理,并与传统测量方法进行对比。结果表明,该方法可以有效减小全波形激光测量中幅相误差的影响,测量精度提高了51.2%以上。     

带激光源的双目立体视觉机构设计

提出了基于激光标记的双目立体视觉测量的原理,通过激光标记解决目标物体上同一点在两幅CCD图像上对应点的快速匹配问题,从而方便地求取目标物体的深度信息。基于这种原理设计了一种四自由度的视觉机构,分别模拟人的脖子和眼睛的运动,保证摄像机完成对目标物体的捕捉。     

基于多线激光的大尺寸水冷板高度测量系统

为了满足现代工业非接触、高精度以及快速对大尺寸工件表面高度测量的需求,设计了一种基于多线激光的水冷板高度测量系统,该系统由运动控制、图像采集和图像处理3部分组成。首先对系统的硬件进行了选型;其次,根据线激光获取的点云数据,提出了水冷板高度测量方法;为了减少干扰点云的影响,采用高斯滤波对模板匹配后的点云去噪,并基于统计的方法筛选参与高度计算的点云数据。实验数据表明：系统重复测量误差小于30μm,测量时间少于1 min,满足企业生产需求。     

平面式大型微结构表面的螺旋扫描测量

为实现平面式大型微结构表面的快速测量,提出了一种螺旋式扫描测量方法。基于该方法的测量系统由x、y、z向直线运动平台、绕z轴旋转的直接驱动(DD)马达以及激光位移传感器组成,当移动x、y向平台使激光位移传感器的激光束与DD马达的旋转中心重合,并通过z向平台使激光位移传感器位于其测量范围内时,使x向平台与DD马达同步运动而形成螺旋线来获得被测表面形貌的平面位置信息,同时由激光位移传感器获得被测表面的高度信息,据此实现对被测表面形貌的测量;这种螺旋式扫描方法避免了栅格式扫描方法所存在的频繁加减速及反向运动间隙不足的问题,可提高系统的测量速度和精度。基于所搭建的测量系统,对表面形貌为凸凹扇形的圆形试件的表面进行了测量,结果表明:所提出的螺旋式扫描方法能够实现表面三维形貌的快速测量,测量试件表面上直径为Φ20 mm的区域时,所用时间仅为800 s,测量结果能较好地反映被测试件表面形貌的三维形貌。     

激光聚焦线扫描法测量KDP晶体坯片的体缺陷

为了快速准确测量磷酸二氢钾(KDP)晶体坯片的体缺陷,提出了高速激光聚焦线扫描散射成像方法,并建立了相应的测量系统。研究了该系统的测量原理和图像采集、图像处理和体缺陷信息提取方法。基于激光散射技术,结合高速运动装置对晶体坯片内部进行三维扫描,用线阵CCD探测器接收气泡、包裹物等体缺陷产生的散射光。然后利用折射率匹配液消除粗糙表面带来的不利影响。最后结合数字图像处理技术,对采集的图像进行实时处理。通过去除背景后与设定阈值比较得到具有体缺陷特征的图像,再对其进行二值化处理,提取得到体缺陷的位置和尺寸信息。利用该检测装置对KDP晶体坯片体缺陷进行了测量,结果显示其检测分辨率优于40μm,能够为晶体坯片的精确切割和最大程度的利用提供依据,从而节省了大量成本。     

面向盾构导向激光标靶的抗杂光算法研究

由于施工现场杂光的干扰,盾构导向激光光斑无法被准确识别。针对这一问题,利用导向激光的脉冲特性,提出了一种基于数字图像处理的抗杂光算法。首先,对工业相机曝光时间与激光脉冲周期之间的关系进行分析,通过调节工业相机曝光时间,可以有效地采集到导向激光产生脉冲的前后两帧图像;之后,差分两帧图像以获得目标光斑;最后,利用合适的结构元素腐蚀图像中的杂光残影,彻底地消除杂光带来的不良影响。实验结果表明：在激光标靶适用距离内,利用本文抗杂光算法,导向激光光斑的识别准确率优于93.75%;通过与其他抗杂光算法进行对比,在近中远距离下,识别准确率分别提升了21.87%、23.13%、26.87%,能够满足盾构导向施工要求,具有良好的应用前景。     

超精密运动台激光测量模型及误差补偿算法

分析激光测量中阿贝误差与余弦误差产生的原因,分两种情况讨论阿贝误差与余弦误差对测量光程的影响：一是忽略激光干涉仪加工误差与安装误差的理想模型;二是考虑干涉仪加工误差与安装误差的非理想模型。计算两种情况下测量光束的光程长度,建立x、y方向直线测量位置不受运动台倾斜或旋转影响的测量模型,进而推导出运动台五自由度激光测量算法。实例证明该算法能有效地进行阿贝误差与余弦误差补偿,满足超精密运动的要求。该算法已成功应用于半导体加工设备中。     

Measurement of co-localization of objects in dual-colour confocal images

A method to measure the degree of co-localization of objects in confocal dual-colour images has been developed. This image analysis produced two coefficients that represent the fraction of co-localizing objects in each component of a dual-channel image. The generation of test objects with a Gaussian intensity distribution, at well-defined positions in both components of dual-channel images, allowed an accurate investigation of the reliability of the procedure. To do that, the co-localization coefficients were determined before degrading the image with background, cross-talk and Poisson noise. These synthesized sources of image deterioration represent sources of deterioration that must be dealt with in practical confocal imaging, namely dark current, non-specific binding and cross-reactivity of fluorescent probes, optical cross-talk and photon noise. The degraded images were restored by filtering and cross-talk correction. The co-localization coefficients of the restored images were not significantly different from those of the original undegraded images. Finally, we tested the procedure on images of real biological specimens. The results of these tests correspond with data found in the literature. We conclude that the co-localization coefficients can provide relevant quantitative information about the positional relation between biological objects or processes.     

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。     

便携式激光扫描三维形貌测量系统

介绍了基于双目立体视觉的便携式激光扫描三维形貌测量系统,该系统的测头部分安装了5个激光器,将 扫描速度提高了5倍,而且采用两个摄像机同时摄取扫描激光光条图像,避免了对投射激光的标定过程。根据立 体视觉原理,经图像匹配,可计算得到光条上所有点的空间位置和深度,即被测空间曲面的三维信息。阐述了非 接触三维形貌测量的原理和方法,试验结果证明了系统的可行性和适用性。     

Accurate shape from focus based on focus adjustment in optical microscopy

Optical microscopy allows a magnified view of the sample while decreasing the depth of focus. Although the acquired images from limited depth of field have both blurred and focused regions, they can provide depth information. The technique to estimate the depth and 3D shape of an object from the images of the same sample obtained at different focus settings is called shape from focus (SFF). In SFF, the measure of focus–sharpness–is the crucial part for final 3D shape estimation. The conventional methods compute sharpness by applying focus measure operator on each 2D image frame of the image sequence. However, such methods do not reflect the accurate focus levels in an image because the focus levels for curved objects require information from neighboring pixels in the adjacent frames too. To address this issue, we propose a new method based on focus adjustment which takes the values of the neighboring pixels from the adjacent image frames that have approximately the same initial depth as of the center pixel and then it re-adjusts the center value accordingly. Experiments were conducted on synthetic and microscopic objects, and the results show that the proposed technique generates better shape and takes less computation time in comparison with previous SFF methods based on focused image surface (FIS) and dynamic programming. Microsc. Res. Tech., 2009. © 2008 Wiley-Liss, Inc.     

双程摆扫激光测距探测成像在输电线路通道监测中的应用

针对传统输电线路通道监测方法忽略了对输电线图像的边缘灰度特征检测,导致输电图像轮廓特征不准确,输电线路通道监测出现较大误差的问题,提出基于双程摆扫激光测距探测成像的输电线路通道监测方法.构建双程摆扫激光测距探测成像模型,采用激光传感器实现对双程摆扫激光测距探测节点部署.利用探测模型提取输电线路通道监测双程摆扫激光图像,检测输电线路图像的边缘灰度特征.采用双边滤波器实现对输电线路通道监测的图像增强和降噪处理,构建边缘轮廓特征检测模型,根据图像差异度融合结果实现对输电线路通道监测.仿真实验结果表明,采用该方法进行输电线路通道监测的可靠性较好,监测自动化水平和视觉成像水平较好,提高了输电线路通道监测方法的自适应性和准确性.     

面向重建的结构光中心快速提取方法

在逆向工程的非接触光学测量系统中,准确、快速提取光条中心是保证获取实物表面形状数据精度和算法实时性的关键因素。根据激光强度符合高斯分布和光条边界的连续性特点,对传统的光条中心提取方法进行改进。考虑光条在图像中的形状和分布特征,通过从图像的不同位置和方向扫描得到光条中心,并比较了不同扫描方法所用的时间。利用本文方法重建了动车轮毂的三维轮廓。实验结果表明,本文方法比传统方法有明显提高,具有较强的实用性。     

Welding deviation detection algorithm based on extremum of molten pool image contour

The welding deviation detection is the basis of robotic tracking welding, but the on-line real-time measurement of welding deviation is still not well solved by the existing methods. There is plenty of information in the gas metal arc welding(GMAW) molten pool images that is very important for the control of welding seam tracking. The physical meaning for the curvature extremum of molten pool contour is revealed by researching the molten pool images, that is, the deviation information points of welding wire center and the molten tip center are the maxima and the local maxima of the contour curvature, and the horizontal welding deviation is the position difference of these two extremum points. A new method of weld deviation detection is presented, including the process of preprocessing molten pool images, extracting and segmenting the contours, obtaining the contour extremum points, and calculating the welding deviation, etc. Extracting the contours is the premise, segmenting the contour lines is the foundation, and obtaining the contour extremum points is the key. The contour images can be extracted with the method of discrete dyadic wavelet transform, which is divided into two sub contours including welding wire and molten tip separately. The curvature value of each point of the two sub contour lines is calculated based on the approximate curvature formula of multi-points for plane curve, and the two points of the curvature extremum are the characteristics needed for the welding deviation calculation. The results of the tests and analyses show that the maximum error of the obtained on-line welding deviation is 2 pixels(0.16 mm), and the algorithm is stable enough to meet the requirements of the pipeline in real-time control at a speed of less than 500 mm/min. The method can be applied to the on-line automatic welding deviation detection.     

基于图像拼接的表面粗糙度测量方法

针对光切显微镜图像法测量表面粗糙度时取样长度较小,不足以客观表征工件表面质量的问 题,提出一种基于图像拼接的表面粗糙度测量方法。根据表面粗糙度序列图像中相邻帧图像的重叠区域构 建匹配模板,采用归一化相关算法计算相似度量进行相邻帧图像匹配与拼接,以加权融合算法平滑拼接后 图像的重影和接缝。对拼接后的粗糙度图像提取单侧边缘特征,通过最小二乘法拟合最小二乘轮廓中线, 建立轮廓算 数 平 均 偏 差 和 轮 廓 最 大 高 度 评 定 模 型。实 验 结 果 表 明,采 用 拼 接 算 法 后 取 样 长 度 增 加 了 １９８３．５２μｍ,测量精度平均提高了１．１６％。     

基于Hough检测和C-V模型的航拍绝缘子 自动协同分割方法*

绝缘子分割是通过图像处理技术实现其运行状态自动检测及故障诊断的重要前提。针对航拍图像具有背景复杂、分辨率较低、数量多和伪目标多等特点,使用传统分割方法会产生大量的用户交互导致分割效果不佳。本文把协同分割引入到绝缘子航拍图像处理中,提出一种Hough检测修复结合自动初始化轮廓C-V模型的航拍绝缘子图像协同分割方法。本方法利用航拍绝缘子图像帧之间的关系作为先验信息以达到更高的分割精度。首先对航拍图像进行去除文本预处理;然后对预处理过的图像进行Hough检测修复以处理输电线与绝缘子粘连问题并用SLIC进行超像素分割;最后利用广义霍夫变换实现C-V模型初始轮廓的选取并进行基于图像间的C-V模型的绝缘子协同分割。实验结果表明,本文分割方法的准确率明显比其他算法高,能够有效地区分目标和背景并去除杆塔、输电线等伪目标,自动化性能良好,为无人机航拍绝缘子的状态检测及故障诊断奠定基础。     

用于触摸屏图像感知的指端力触觉再现系统

当用户与触摸屏交互时,有效和实时的力触觉交互技术对于增强现实感和沉浸感是非常重要的。设计了一种面向触摸屏图像信息感知的手指外骨架可穿戴式力触觉交互装置,利用平面四连杆机构作为外骨架传动机构,结合直流电机作为执行机构可为用户手部提供连续可控的力觉反馈,通过振动电机和压电陶瓷致动器提供两种类型的振动触觉反馈。该装置体积小、重量轻,功耗小,使用蓝牙通信,可扩展性强,方便使用及携带。为了表达图像中虚拟物体的空间力触觉信息,引入了实时的力触觉建模算法。当用户穿戴该装置在图像上滑动时,图像的一些特征信息将通过蓝牙与装置通信,包括每个像素点的形状高度和图像的边缘轮廓信息,能够使用户获得丰富的力触觉感受。最后,进行力触觉交互实验来评估该装置在表达触摸屏中图像的高度、轮廓和纹理等方面的性能。