基于双目立体视觉的摄像机外参数快速在线自标定算法

提出了一种基于双目立体视觉的摄像机外参数在线自标定算法。该算法采用理想的小孔成像模型,事先离线标定好摄像机的内参数,且各项内参数在自标定过程中均不发生变化,通过双目系统采集的二维目标图像,进行匹配和分析计算,来实时标定视觉系统的位置参数即摄像机的外参数。由于该算法可以实现摄像机快速在线标定,可以实时获得视觉系统位置参数,故可为无人机的自主着陆提供高度信息。     

应用虚拟像平面方法的圆柱表面单目重建*

针对圆柱表面重建问题,采用单面阵相机和线结构光构成视觉系统。该视觉系统采用虚拟像平面相机模型,通过构建虚拟像平面上的虚拟投影图像去除畸变的影响,通过虚拟像点和相机光心确定投影射线。提出该模型下相机光心的定位方法;利用两个平行平面上的结构光条的虚拟图像实现结构光的标定。利用线结构光在圆柱表面的光条为空间中一条椭圆弧的特性,首先计算出光条点在结构光平面上的坐标,由此提取出椭圆特征;再利用椭圆的短轴长为圆柱直径的特性获得圆柱的空间方程,实现圆柱定位;最后利用光心和虚拟像点在标定平面的投影点确定投影射线,计算出虚拟像点在圆柱面上的投影点坐标,构成柱面点云,并恢复出圆柱表面图像。实际实验中该视觉系统的测量精度达到双目视觉系统的水平,说明了虚拟像平面方法的有效性。     

挖掘机器人双目视觉系统标定方法与立体匹配

在挖掘机器人视觉系统实现中,摄像机标定、特征提取、立体匹配是关键环节,而立体匹配又是视觉系统中最复杂、最重要的步骤。首先分析了通用双目立体视觉模型及平行双目立体视觉模型,对挖掘机器人平行双目立体视觉系统测量方法及参数标定进行了研究。结合基于特征的匹配方法,通过对左、右图像角点的提取,实现了基于极线几何约束的特征点匹配。通过对铲斗图像匹配实验,验证了该方法能满足挖掘机器人视觉系统要求。     

基于双目立体视觉的光笔式三坐标测量系统

提出了一种基于双目立体视觉系统的光笔式三坐标测量系统。该系统基于接触式测量方式,以带点光源的光笔作为接触测量工具。首先,对摄像机进行了高精度的标定,建立了双目立体视觉系统模型;其次,通过左右摄像机拍摄的二维图像,将两幅图像中的点进行匹配,获得光笔上的LED光斑中心三维坐标;然后,由一系列LED光斑中心的三维坐标拟合直线,从直线上得到笔尖的三维坐标。实验结果表明,该方法实现了对物体的接触式测量,具有结构简单、成本低的优点,并且具有较高的精度。     

基于线结构光双目测量系统有效视区的标定

采用两个平行放置的CCD,模拟人的双眼构建了线结构光双目测量系统进行三维视觉测量.测量系统有效视区选取的准确与否直接影响到CCD摄像机拍摄图像的清晰度,最终影响测量结果的精度.为了解决结构光双目测量系统有效视区不容易准确获取的问题,结合线结构光双目测量系统的特点,文中提出了测量系统有效视区的标定方法,方便了三维视觉测量工作,试验结果验证了该标定方法的准确性和实用性.     

钢轨全轮廓线结构光双目视觉测量系统标定

线结构光视觉测量技术因非接触和精度高的特点被用于钢轨磨耗测量。为解决钢轨断面全轮廓测量和线结构光测量系统现场标定困难的问题,提出了一种基于自由平面靶标的线结构光双目现场标定方法。首先,基于线结构光双目视觉测量模型搭建测量系统,分别采集两侧摄像机公共视角下任意位置的不含和包含线结构光的棋盘格平面图像;然后,采用棋盘格平面标定法获取两侧摄像机内部参数。利用线结构光平面与不同位置标定板相交产生的特征点拟合出线结构光平面在两侧摄像机坐标系中的平面方程,采用罗德里格斯变换原理求解出线结构光平面与两侧摄像机的外部参数;最后,结合摄像机内部参数和线结构光平面与摄像机外部参数实现钢轨全轮廓测量,并进行现场测试。试验结果表明,相机内参数标定误差约为0.03 pixel,结构光平面拟合度达0.999,钢轨断面全轮廓总测量偏差为0.54 mm,满足测量精度要求。     

基于线结构光单平面标定的 3D 成像方法研究

针对现有线结构光3D成像系统标定步骤繁琐、标定鲁棒性低等问题,本文提出了基于线结构光单平面标定的3D成像方法,实现高精度、高鲁棒性的3D成像。该3D成像方法通过构建结构光平面到成像面的单平面映射模型简化了三维空间的标定步骤,提高了系统的鲁棒性。该模型基于棋盘格图像内角点坐标作为线结构光平面标定计算控制点,提高了标定控制点个数和降低了标定的偶然误差;该模型无需进行成像系统内外参矩阵估计,精简了标定中间步骤;该模型无需计算线结构光图像光条中心点,避免了图像算法误差对标定结果的影响。实验结果表明,该3D成像方法标定步骤简单,标定控制点多、鲁棒性高,标定平均距离残差0.158 mm,单点的重复性测量精度优于±1μm。     

三维重建技术在模具制造业中的应用

提出了一种基于三视几何的三维重建方法.该方法首先利用三目视觉系统获取3幅摄像机的标定图,用十字激光器做为结构光投射器,采集重建的鼠标图;然后通过标定图求出摄像机的内外参数和投影矩阵及基础矩阵,对采集的鼠标图像进行预处理,提取出特征点,利用三焦几何原理找出相应的匹配点,求出物体空间坐标,进行拟合完成三维重建;最后,以鼠标...     

机器视觉中基于彩色伪随机编码特征点匹配的研究

为研究基于单幅二维图像不标定欧氏重构三维场景的理论,介绍一种采用伪随机编码结构光照明主动视觉技术.利用伪随机序列的窗口特性,使被编码结构光照明的场景表面每一个特征点都具有唯一的代码,可以唯一地被辨识.实验表明,该编码结构光主动视觉系统,可以比较容易地解决被动视觉系统中难以解决的特征点匹配问题,实验效果良好.     

显微立体视觉小尺度测量系统的标定

结合透视投影模型、非参数化的光学畸变模型以及光束平差算法,提出并实现了一种标定显微立体视觉系统光路的方法。首先,通过光刻方法制作了用于显微立体视觉系统标定的标定参考物,并利用待标定系统采集标定参考物不同方位的图像。然后,基于非参数化的光学畸变模型,采用样条曲面计算得到显微立体视觉系统的畸变校正场,并结合透视投影模型建立显微立体视觉系统的完整成像模型。最后,利用光束平差算法对所建立的成像模型进行标定计算和优化调整。搭建了显微立体视觉小尺度测量装置,验证了提出的标定方法的可行性。通过标定获得了测量装置两个光路的焦距和相对方位等参数,并借助于高精度四轴位移台对标定结果进行了精度验证。结果表明,采用本文方法标定后位移测量的精度优于1%,能够满足微胀形实验中三维变形测量的要求。该标定方法也可用于其他显微视觉检测领域。     

球幕投影通用型变焦鱼眼镜头设计

为了匹配不同类型和规格的工程数字投影机的投影球形幕,提出了设计通用型投影变焦鱼眼镜头的基本方法。首先,基于投影鱼眼镜头自身特性和通用性特点,确定了目标系统采用的光学结构类型;通过优选配置二组元变焦核初始条件参数,对补偿组的位移曲线进行了线性改造,从而使两条凸轮曲线可同步构造为标准螺旋线。之后,通过合理控制前固定组球差及后固定组焦距,使变焦过程中的像面保持稳定。设计结果表明,光学系统采用二运动组元机械补偿式正组变倍负组补偿结构,在变焦过程中可以保持全视场角160°和孔径F#为2基本不变。通过合理控制过程参量,可以使系统适配光学引擎中棱镜的有效光学厚度为16.5~26 mm,满足1LCD、3LCD和1DMD常见技术类型、16~24 cm(0.63~0.95 in)芯片尺寸及16∶9和4∶3两种芯片长宽比的数字工程投影机使用,像面位移量控制在±0.03 mm以内。该设计可以满足投影鱼眼镜头的常规投影及通用性要求,结构简单,工艺性强。     

Image adaptive point-spread function estimation and deconvolution for in vivo confocal microscopy

Visualizing deep inside the tissue of a thick biological sample often poses severe constraints on image conditions. Standard restoration techniques (denoising and deconvolution) can then be very useful, allowing one to increase the signal-to-noise ratio and the resolution of the images. In this paper, we consider the problem of obtaining a good determination of the point-spread function (PSF) of a confocal microscope, a prerequisite for applying deconvolution to three-dimensional image stacks acquired with this system. Because of scattering and optical distortion induced by the sample, the PSF has to be acquired anew for each experiment. To tackle this problem, we used a screening approach to estimate the PSF adaptively and automatically from the images. Small PSF-like structures were detected in the images, and a theoretical PSF model reshaped to match the geometric characteristics of these structures. We used numerical experiments to quantify the sensitivity of our detection method, and we demonstrated its usefulness by deconvolving images of the hearing organ acquired in vitro and in vivo.     

双探针原子力显微镜视觉对准系统

传统的原子力显微镜（AFM）受针尖形状和放置方式的影响很难测量线条的宽度和两个侧壁的形状,故本文提出采用双探针对顶测量方案来消除AFM针尖形状对测量结果的影响。介绍了一种基于机器视觉的双探针原子力显微镜对准系统,该系统将两个探针接触到一起,实现了双探针在三维方向上的对准。系统采用具有亚微米级分辨率的镜头,配合高分辨率的CCD来获得探针的清晰图像,用于在水平和垂直两个方向实时监控双探针的运动情况。采用基于石英音叉式的自传感自调节的原子力探针,无需外加光学探测系统,缩小了系统体积,避免了杂散光对视觉对准系统的干扰。最后对针尖进行了亚像素边缘提取,精确地获取了探针之间的相对位置,实现了亚微米级的双探针对准（1 μm以内）。该结论由探针之间距离与幅度/相位曲线得到了验证。     

Extraction of sizes and velocities of spray droplets by optical imaging method

In this study, an optical imaging method was developed for the measurements of the sizes and velocities of droplets in sprays. Double-exposure single-frame spray images were captured by the imaging system. An image processing program was developed for the measurements of the sizes and positions of individual particles including separation of the overlapped particles and particle tracking and pairing at two time instants. To recognize and separate overlapping particles, the morphological method based on watershed segmentation as well as separation using the perimeter and convex hull of image was used consecutively. Better results in separation were obtained by utilization of both methods especially for the multiple or heavily-overlapped particles. The match probability method was adopted for particle tracking and pairing after identifying the positions of individual particles and it produced good matching results even for large particles like droplets in sprays. Therefore, the developed optical imaging method could provide a reliable way of analyzing the motion and size distribution of droplets produced by various sprays and atomization devices.     

Image registration and distortion correction in ion microscopy

We present a method whereby the geometric registration of a series of ion microscopic images is performed by applying a two-step procedure. After applying a global linear transformation that corrects for geometric differences, a non-linear elastic transform is used in order to match local properties and structures of the images. Transformation parameters are computed on the basis of shape-specific points in the images. Distortion correction is achieved by relating ion images to the optical image of the same field and by using the two-step algorithm to register the images. This methodology is evaluated on synthetic misaligned objects and on thyroid tissue images.     

Photoelectron emission: images and spectra

We give an account of the development of electron emission imaging and the photoelectron emission process. We then describe a particular combination of photoelectron emission microscopy and photoelectron spectroscopy which we call photoelectron spectromicroscopy. This is achieved using a very strong, divergent magnetic field to define electron trajectories without the use of electron optical focusing. It is thus possible to produce electron images of the surfaces of three-dimensional objects using low energy photoelectrons in which the image contrast is dependent upon, among other things, the yield and energy distribution functions. The various image contrast mechanisms which apply are outlined with illustrative examples. Techniques for energy analysis of the photoelectron image are described and examples of the photoelectron spectra of different regions of the surface of an object presented. Electron images produced by metastable atoms and slow ions are also discussed. The use of the magnetic field introduces the opportunity for a number of novel techniques which will be described.     

谐衍射中、长波红外超光谱成像系统设计

为了充分利用中波红外和长波红外的光谱信息,建立了谐衍射中、长波红外超光谱成像系统。利用谐衍射元件独特的色散特性,将谐衍射透镜应用于中、长波红外超光谱成像系统中,使系统在中波红外3.7~4.8μm和长波红外8.5~12μm的2个谐振波段内获取二百多个不同波长的图像信息。设计结果显示,在中波红外波段18lp/mm处,光学调制传递函数0.52;长波红外波段13lp/mm处,光学调制传递函数0.51;光学系统的点斑均方根直径在中波红外波段小于27μm,在长波红外波段小于34μm。得到的结果表明,光学调制传递函数在各个波长处均接近衍射极限,点斑的均方根直径完全可以与国内现有探测器的像元尺寸匹配。     

基于半盲解卷积复原的高分辨率视网膜成像系统

为获得高分辨率视网膜图像,建立了基于自适应光学的视网膜成像系统,并以成像时获得的残余像差作为图像复原的估计参数,通过半盲解卷积进行图像复原以获得高质量图像.通过Hartmann-Shark波前传感器和微机械薄膜变形镜组成的自适应光学系统对活体人眼像差进行测量与校正,并在成像时记录系统残余像差,据此重建光学传递函数作为图像复原模型初始参数估计,对获得的视网膜图像进行条件约束迭代半盲解卷积复原,消除像差对成像质量的影响,从而得到高分辨率视网膜图像.实验表明,系统获得的图像经该方法处理后可获得较满意视网膜图像,图像质量提高近一倍,成像成功率由38％提高至78％,成像时间缩短为原来的1/7.该方法在满足使用要求的前提下有效缩短了校正时间,提高了成像的成功率,提升了系统的适用范围.     

荧光成像系统对比度分析与成像仿真

目前荧光成像技术在生物医学领域得到越来越广泛的应用。为了缩短产品设计和开发周期,且能更直观地反映系统的成像效果,根据各模块光谱特性曲线,提出了荧光成像链路模型。利用该模型,对荧光成像系统的对比度进行了分析,验证了滤光片光密度(OD)值的合理范围是在5~7之间。最后以荧光显微镜为例,对系统成像过程进行了仿真。结果表明,各模块不匹配也会对系统对比度产生影响,仿真图像能够直观反映出系统的匹配程度和成像效果,并与实际系统测试结果相吻合,证明了该链路模型仿真的可行性和有效性。     

360°高阶非球面反射式全景镜头设计

为了简化系统配置、提高图像采集及处理效率,实现单一光学系统环视高清全景成像,依据折反射式光学系统的工作原理,设计了高阶非球面反射式360°全景镜头,并对光学结构和系统像质进行优化设计。该相机采用高阶非球面反射镜压缩视场角,将垂直光轴方向俯仰角从-55°到20°的环视目标光引入到系统,接着,在后续光路中利用玻璃透镜组对目标光进行接收,并使其聚焦于相机靶面,获得物体的环形全景图像。通过对系统像质的优化,得到高清的360°环视全景图像,并对光学系统的主要性能指标进行了分析。所设计的360°全景镜头采用1片高阶非球面反射镜和10片玻璃球面镜组成,系统的焦距为0.4mm,光圈数为2.2,俯仰角达到75°,像方全视场在150lp/mm处的光学传递函数值均大于0.3。该360°全景镜头采用单一光学系统成像,解决了传统拼接式全景镜头图像采集与图像处理效率低的问题,同时通过简化系统结构,使该产品符合成本低、可量产的要求。