飞行时间深度相机和彩色相机的联合标定

飞行时间（TOF）深度相机等深度传感器可以实时、准确地获取深度信息,在计算机视觉领域受到广泛关注。本文以获取同一视野下场景的纹理信息和深度信息为目的,在传统的棋盘格标定方法基础上,针对TOF深度相机的低分辨率和较大的径向畸变的特点,采用角点稀疏的棋盘格作为标定板以提高角点检测的精度,提出一种TOF深度相机和彩色相机的联合标定方法。首先对彩色相机和深度相机单独标定,使用传统的棋盘格标定方法获得彩色相机的内部参数,对使用深度相机所拍的强度图进行畸变校正后再求得深度相机的内部参数。然后,固定两相机内参,多次实验获得两相机之间的相对位置关系,并使用最小二乘法进行优化。实验结果表明,该方法标定精度高,彩色相机的重投影误差最多可减小0.15个像素,深度相机的重投影误差最多可减少0.09个像素,根据标定结果将深度相机所得的深度图投影到彩色相机的视野下所得的投影深度图能和彩色图像精确对齐。      

基于飞行时间法的3D相机研究综述

基于飞行时间法（Time-of-Flight,TOF）的3D相机是一种体积小、误差小、抗干扰能力强、可直接输出深度信息的新型立体成像设备。目前,该类相机已成为测量成像领域的研究热点。本文首先介绍了TOF相机的发展历程及测量原理;随后对TOF相机测量误差来源及类型进行分析;接着将TOF技术与其他主流的三维成像技术进行对比分析;最后对TOF相机的应用与发展趋势进行了阐述。     

基于TOF与立体匹配相融合的高分辨率深度获取

深度获取在机器人导航、语义感知、操控和远程监控等领域有较高的应用价值。目前已有的深度获取方法包括深度相机(如TOF)和立体匹配算法。然而,深度相机有两个主要问题:易受噪声干扰和所得深度图分辨率较低。立体匹配能够获得高分辨率的深度图,但在弱纹理或重复纹理区域无法提取准确的深度信息。而深度相机却可以在这些区域提供深度信息。基于以上TOF深度相机和立体匹配之间的互补特性,提出了一种将TOF深度相机所得深度图与立体匹配所得深度图相融合的方法获取高分辨率深度图,实现优势互补。文中提出一种新的基于TOF与立体匹配相融合的高分辨率深度图获取方法,通过在弱纹理或重复纹理区域使用TOF深度获取方法和在复杂纹理区域使用立体匹配算法进行深度获取,最终获取高分辨率深度图。实验结果表明,本文的融合算法比单独使用两种方法能产生更好的视差图,而且较其他融合算法在准确度和速度上有所提高。     

考虑圆形特征边缘模糊和偏心误差修正的高精度相机标定方法

针对立体视觉系统采用圆形特征点标定时存在的空间圆形投影边缘模糊和偏心现象问题,利用改进Zernike矩和偏心误差修正进行圆心的高精度定位,以此提高相机参数的标定精度。首先考虑了由于立体视觉成像系统的标定场景光照强度不均匀引起的圆形特征投影图像边缘模糊的问题,引入高斯误差函数对边缘过渡段的灰度分布进行描述,建立了高斯边缘模型,并基于该模型计算投影图像的Zernike矩,然后利用改进Zernike矩实现高精度的圆形特征投影边缘像素坐标定位。此外,分析了影响圆形特征中心投影点和拟合圆心间偏差大小的因素,基于该分析对迭代拟合圆心进行偏差补偿使之逼近真实的圆心投影,最后通过所提算法对99圆形标志点进行圆心坐标提取并用于相机参数的标定。仿真实验表明,文中算法对投影图像边缘定位的精度以及圆心拟合的精度均高于传统的算法;实测实验中,基于圆心高精度坐标得到的相机标定参数对标准杆进行三维重建,长度测量精度比传统算法提高了30%。     

基于正交柱面成像相机空间后方交会的三维坐标测量方法

针对多线阵CCD相机应用于航空、航天等大型装备测量过程中普遍存在的视场遮挡问题,提出一种基于正交柱面成像的单目坐标测量方法。该方法由一个正交柱面成像相机和一个光立体靶组成,应用空间后方交会原理,无需多相机交会即可完成测量。分析了正交柱面相机的测量原理和内参校准过程,设计了光立体靶的结构参数和标定方法。重点研究了正交柱面相机与光立体靶之间的配合测量过程,并推导了坐标解算的数学模型。最后在测量场距离相机3 m的1 000 mm1 000 mm1 000 mm空间内,在水平与竖直方向的距离测量精度优于0.4 mm,深度方向的距离测量精度优于0.7 mm,三维坐标测量误差小于0.5 mm。实验验证结果表明:该方法有效,可被灵活应用,具有良好的测量精度。     

融合颜色信息与深度信息的运动目标检测方法

基于颜色信息的运动目标检测易受光照、阴影等影响,基于深度信息的运动目标检测存在目标边缘噪声大,无法检测距离背景较近的目标等问题。针对上述问题,该文利用CCD相机获取的颜色信息及TOF相机获取的深度信息分别为每个像素建立颜色与深度信息的分类器,根据像素点的深度特征及前一帧的检测结果,自适应地为每个分类器的输出分配不同的权值,实现运动目标的检测。该文采集多组视频序列进行实验,实验结果表明该方法能有效解决单独利用颜色或深度信息进行运动目标检测时出现的问题。     

基于小口径反射镜的大口径拼接光栅压缩器设计

为实现大口径拼接光栅拼接误差的高频高精度补偿的工程应用,提出了一种基于小口径反射镜补偿大口径拼接光栅压缩器拼接误差的方法。基于双程Z型压缩器,分析了小口径反射镜补偿量与拼接误差的关系,采用光线追迹法和夫琅禾费远场衍射原理定量计算了各拼接误差补偿后对远场能量分布的影响,证明了该方法原理的正确性,并得到了直接驱动光栅与反射镜补偿时的各误差容限,结果表明该方法能极大降低拼接光栅的精度要求。     

面向测量的工业机器人定位误差补偿

针对机器人定位误差影响柔性视觉测量精度问题 ,研究了基于视觉技术的机器人定位误差补偿方法。在传感器上附加单个定向 相机,在传感器测量场景中设置全局控制点,通过定向相机测量控制点,实时获取传感器当 前位置下与全 局坐标系的转换关系,补偿机器人定位误差。由于直接应用补偿精度低,针对机器人定位误 差产生的原因 和特点,改进补偿方法,将角度参数作为已知量,仅优化位移变量。实验结果表明,单相机 补偿方法均方 根误差(RMSE)为3.422mm,改进方 法的RM SE优于0.10mm,改进后的单相机补偿方法有效地提 高了传感器定位精度,模型简单,方法可行,能够满足机器人定位误差补偿的精度要求。     

高速列车动态位姿测量方法及校准技术研究

针对高速列车动态位姿测量中高速、大视场和高精度的测量需求,构建由两台高速相机组成的双目视觉测量系统,通过同步捕捉由大功率线激光瞬时光源构造的测量特征,实现对高速列车动态位姿的实时测量。提出基于非成像模型的相机校准方法,重构相机光学成像过程,构造三维空间成像光束和图像像点之间的一一对应关系,通过建立入射光束角度值与像点坐标的数学模型,实现大视场相机的高精度校准。基于光束平差原理,利用已知长度的基准尺实现双相机位置关系的快速精确校准。实验结果表明,采用上述方法可达到±5"的相机校准精度和±0.2mm的双相机校准精度,整个系统能达到±0.5mm的测量精度,为高速列车动态位姿的测量提供了一种全新有效的手段。     

基于线阵图像傅里叶与灰度匹配算法的三维测量

双线扫描相机三维测量系统的匹配环节容易受到表面纹理和光源的影响,从而影响点云的精度和完整性.为此,提出了一种基于傅里叶变换的灰度相似性匹配算法,以实现高精度匹配和处理部分过度曝光.此外,建立了测量系统的成像模型,提出了一种灵活的线扫描相机静态标定方法.最后,搭建了实验平台验证了所提匹配算法的效果和测量系统的精度.相机标定结果的重投影误差优于0.3 pixel,基于所提算法的测量点云完整且能良好反映被测物深度突变处的真实形貌,标准平板测量点云到拟合平面均方根误差为0.023 mm.结果 表明,所提匹配算法既能有效保证点云的完整性,又能保留被测物的表面细节特征.     

大口径非球面镜加工建模与控制技术

数控(NC)加工技术是解决非球面镜加工困难的一种方法。针对激光装置所使用的大口径光学玻璃非球面透镜,提出采用超精密磨削技术来实现高效、高精度的成型加工。通过加工实验研究了控制磨削切深和进给速度对表面加工质量的影响,寻找出大切深缓进给的磨削加工方式,改善了元件表面加工质量,有效抑制了加工过程引入的亚表面缺陷。开展了非球面补偿加工技术实验研究,采用等面形误差曲线补偿加工方法,能有效降低元件面形峰谷(PV)值,通过两次补偿加工,330 mm×330 mm非球面镜的磨削面形误差可控制在约3μm,获得较为理想的面形加工精度。     

大型工件单目结构光三维扫描方法

针对大型工件,提出了一种基于单目线结构光三维扫描的方法。通过引入线结构光平面建立了视觉传感器数学模型和多项式模型,并使用高精密手动平移台控制平行线靶标在6个固定位置的移动对相机和光平面进行标定,提高标定的精度和准确度。同时对测量工件部分精准定位有效区域,减小程序运算量。该扫描方法可直接构建传感器的测量坐标系,过程简单,速度较快。通过对大尺寸铝合金铸件进行扫描测试,选取了合适的扫描速度v=1.25 mm/s,在满足精度的前提下提升了工业应用的效率。实验结果证明,此种方法能够有效准确的对物体表面进行重构,平均误差小于0.1 mm,具有较高的精度。     

高速度高精度光纤布拉格光栅解调的寻峰算法研究

为实现高速度、高精度的光纤光栅传感解调,提出了一种基于状态机的自适应半峰检测寻峰算法。算法通过对FBG反射波形的实时跟踪确定波形数据,通过对波形数据的统计分析得到寻峰阈值,通过校验与补偿精确得到峰值位置。实验测试表明,对于2kHz的解调速度,解调分辨率达到1pm,静态噪声在±2pm以内,长时间测试的稳定性误差在2pm以内,系统动态范围在0～-30db,光功率衰减导致的稳定性误差在4pm以内。这表明,本算法从速度、精度、抗干扰性、稳定性等方面都能够满足高速解调的需要。     

基于子孔径包络误差校正的SAR高精度运动补偿方法

目前,SAR正在向体积小、重量轻、功耗低的方向发展,由于受气流的影响,微小型SAR平台极易偏离理想航迹,大幅运动误差造成SAR图像质量严重下降,因此在微小型SAR成像处理过程中对运动误差的精确补偿十分重要。运动误差会造成包络误差和相位误差,传统运动补偿算法往往忽略包络误差的空变性,但是当运动误差幅度过大时空变的包络误差会对成像质量造成严重影响。该文提出与频分子孔径运动补偿算法相结合的包络误差校正方法,该方法消除了空变包络误差的影响,从而改善了成像质量。仿真和实测数据处理结果验证了该算法的有效性。      

眼轴及眼前节SS-OCT一体化成像系统

针对现有眼轴测量仪器无法同时实现大量程眼轴测量及眼前节成像的功能,设计了眼轴和眼前节同步测量的大量程扫频光学相干层析成像系统。该系统通过设计大量程扫频光源增加成像深度,并在外部设计搭建标定光路进行k域重采样以提高大量程干涉范围内的成像质量,从而在获取高精度眼轴信息的同时对眼前节成像;针对该系统OCT图像信噪比较低的问题,文中采用基于各向异性滤波的保边去噪算法对图像中的散斑噪声进行抑制以提高图像对比度。系统分别使用等比例人眼模型和离体鱼眼进行成像实验,实验结果表明:该系统成像深度可达到69 mm,在精准测量眼轴纵向五层结构的同时完成12 mm范围内的眼前节横向扫描,眼轴长度平均测量误差0.04 mm,成像时间约为0.45 s,满足临床医学应用中实时性的要求。     

一种实时视轴跟踪的IRST系统像移补偿控制技术

针对面阵凝视器件运用到红外搜索跟踪(IRST)系统中出现的图像拖尾问题,为解决方位搜索转台变速运动下高质量的IRST系统像移补偿,提出一种实时视轴跟踪的IRST系统像移补偿控制技术。基于方位搜索转台速率实时感知的振镜高速、高精度控制策略,实现了对像移的准确补偿。采用高精度M/T测速算法实现了像移的准确计算,通过对振镜电机建立控制系统模型,开展了振镜补偿控制算法仿真研究。实验室成像测试结果表明,在方位搜索转台任意变速运动下,靶标成像清晰无拖尾,成像效果与凝视型几无差别。     

Research on high-precision hole measurement based on robot vision method

A high-precision vision detection and measurement system using mobile robot is established for the industry field de- tection of motorcycle frame hole and its diameter measurement. The robot path planning method is researched, and the non-contact measurement method with high precision based on visual digital image edge extraction and hole spatial circle fitting is presented. The Canny operator is used to extract the edge of captured image, the Lagrange interpolation algorithm is utilized to determine the missing image edge points and calculate the centroid, and the least squares fitting method is adopted to fit the image edge points. Experimental results show that the system can be used for the hi gla-precision real-time measurement of hole on motorcycle frame. The absolute standard deviation of the proposed method is 0.026 7 mm. The proposed method can not only improve the measurement speed and precision, but also re- duce the measurement error.     

高空间分辨率大视场遥感相机图像的高速高可靠传输系统研究

提出一种适于高空间分辨率大视场遥感相机的图 像高速高可靠传输系统。首先,分析了TLK2711的通信链路,提出 了基于同步控制字的高速串行传输策略;深入分析了噪声对传输可靠性的影响,进而提出(17,6)纠错编码算法,分析了纠错编码在大视场空间相机中应用的可行性; 最后,在某大视场TDICCD空间相 机样机上进行了系统测试。实验表明,本文系统可以实时传输80路高 量化数据,整个系统有 效数据吞吐率可达13.02Gbit/s;所 提出的(17,6)纠错编码算法纠错能力强,运算速度快,易于硬件 实现,每512Byte数据可纠正32bit的错误,提高了空间 相机高速串行传输的可靠性;系统在不同的传输速度下工作均表现出令人满意的效果。