基于计算机微视觉的鲁棒多尺度平面微运动测量

提出一种将计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的测量微运动的方法.设计一种用于微运动测量的鲁棒多尺度运动估计算法.在该算法中,根据滤波器的不同特性,在多尺度金字塔的不同尺度层采用不同的滤波器估计运动.这种分层估计的方法不但可以提高测量精度,而且可以加快测量速度.分析计算机微视觉测量系统的组成,并对设计的微视觉测量系统进行标定.以精密定位平台为测量对象,采用计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的方法测量了精密定位平台的平面微运动.该方法用于测量2 000 nm左右的微运动时,最大测量偏差达到了12.5 nm.试验结果表明,这种将计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的方法能够实现高精度的平面微运动测量.     

计算机微视觉在微运动测量中的应用

计算机微视觉方法在微运动测量中得到了广泛的应用.本文对计算机微视觉测量的基本原理、特点及采用计算机微视觉测量微运动的精度影响因素进行了分析.此外,以精密微动平台为测量对象,将计算机微视觉与运动估计算法相结合,测量了微动平台的微运动.测量结果表明,这种将计算机微视觉与运动估计算法相结合的方法能够实现高精度的微运动测量.     

基于梯度的鲁棒多尺度微运动测量算法

将鲁棒估计方法与多尺度方法相结合,给出了一种基于梯度的鲁棒分层估计多尺度运动估计算法。在该算法中,多尺度金字塔的不同尺度层采用不同的梯度滤波器来估计运动。在金字塔的每一层都使用鲁棒估计,这能够较好地解决估计中由于运动不连续和图像亮度变化引起的界外值问题,从而进一步提高运动估计精度。实验模拟表明提出的算法在测量MEMS噪声图像运动时不但估计精度高,而且执行速度快。     

计算机微视觉微运动测量系统图像噪声分析

对计算机微视觉微运动测量系统采集的图像噪声及处理方法进行了研究.分析了各种在微运动测量时引起测量误差的图像噪声.在此基础上,通过对一幅典型的由计算机微视觉微运动测量系统采集的MEMS图像进行分析,给出了减少这些噪声的常用方法.分析表明了对于这种微结构图像以下噪声处理方法的有效性:首先采用中值滤波器减少散粒噪声以及采用一个低通滤波器减少高频噪声,然后采用两点修正法可以减少固定图像噪声;此外,在采集图像时适当增加曝光时间可以减少机械噪声的影响.     

升余弦变增益微视觉图像自适应增强与应用

微视觉系统中同轴光源和光学衍射的存在,使CCD相机获取的图像具有灰度值偏低、光照不均匀、动态范围大、对比度差以及微细结构丢失或无法辨识的缺陷。为改善图像质量,本文提出一种升余弦变增益子带分解微视觉图像自适应增强方法。该算法首先基于图像特性利用自适应Log增益对原图像进行增强,提高微视觉图像中亮暗区细节特征与背景的对比度;接着使用自适应升余弦卷积进行快速照度估计;然后对各通道的输出图像采用自适应变增益子带分解算法获取独立光谱子带;最后进行亮度校正、图像融合与色彩恢复。将该算法用于微位移测量系统中可使测量结果的相对误差小于20%;用于处理光照不均的图像可有效降低同轴光源靠近中心区域的亮度;此外,扩展至普通图像的处理中可提高对比度,改善细节特征。3组实验结果的平均图像质量相对提高率为81.46%,71.18%和93.75%;平均耗时为3.86s,0.24s和1.27s。     

强反射表面缺陷图像预处理

为了校正强反射表面图像的亮度不均匀性,抑制局部强亮度现象,同时使其保留足够多的原始图像信息,研究了强反射表面缺陷图像的预处理方法。分析了强反射表面的光学特性,研究了偏微分方程理论及同态滤波算法,在此基础上提出了一种基于偏微分方程的同态滤波算法,即采用热传导方程滤波算子对同态分解的图像进行处理。引入信息熵对不同尺度参数下的处理效果进行评价,从而确定热传导同态滤波的尺度参数,并将该算法与背景去除法、基于小波的同态滤波算法进行了比较。对比实验表明,采用提出的算法处理后得到的图像其灰度级均匀分布在1～6之间,信息熵值均在91%以上。该方法校正了图像亮度的不均匀性,提高了图像质量,同时能保留足够多的原始图像信息。     

基于谱残差视觉显著性的带钢表面缺陷检测

针对带钢表面缺陷检测实时性要求高,采集的图像易受光照环境影响且缺陷特征弱等因素影响,提出一种基于谱残差视觉注意模型的带钢表面缺陷在线检测算法。首先,提出改进同态滤波方法对图像预处理,去除光照不均匀的影响,改善后续的分割结果。然后,构建谱残差视觉注意模型,通过对数频谱曲线差分得到缺陷显著图像。最后,提出加权马氏距离方法对显著图像阈值化增强,并利用连通区域标记法,标记出原带钢图像的缺陷位置。对提出的算法进行了实验验证,结果显示:该算法检测速度快,单幅图像平均检测耗时仅37.6ms,满足带钢在线实时检测要求。在同一缺陷数据库与灰度投影法,多尺度Gabor边缘检测法和隐马尔可夫树模型法进行了性能对比,结果表明:本文算法对带钢常见8类缺陷类型,平均检测率达到了95.3%,且漏检率和误检率较低,有效性高于对比算法。     

离面位移激励下微视觉运动追踪精度劣化特性

为在微米级尺度量化表述离面位移激励值-聚焦面内微视觉运动追踪精度劣化值的映射特性,使用光学显微镜、工业相机和空间纳米定位平台进行实验研究。首先,分析离面位移的形成机理,使用方差函数评价图像清晰度,搜索最佳对焦平面并设定为聚焦平面,作为计算离面位移的基准。其次,设计空间多自由度纳米台,将其末端执行器作为微视觉追踪目标,生成聚焦平面内的运动轨迹,同时同步生成可控可测的离面位移。然后,选取灰度值模板匹配法与感兴趣区域划分法作为当前微视觉运动追踪算法,测量聚焦面内的运动轨迹。最后,加工纳米台样机,搭建微视觉运动追踪系统,使用电容传感器作为评价手段,计算不同离面位移引起的微视觉运动追踪精度劣化数值。实验结果表明,微视觉运动追踪精度随着离面位移的增大而不断劣化,具有显著且可量化的相关性。针对给定的76.1 μm×63.7 μm视场、15 Hz采样率与灰度值模板匹配法,(7.7±2.5)μm或更大的离面位移导致微视觉测量系统完全失效。     

一种测量微运动的多尺度高精度方法

微运动测量是微纳制造技术研究的一项重要内容.文章将滤波器方法和多尺度方法相结合,提出了一种用于测量微运动的多尺度高精度方法.在该方法中,采用滤波器方法计算测量图像的梯度,并利用多尺度金字塔迭代方法对测量图像进行降采样和低通滤波,将较大像素的图像运动转化为多个小像素的图像运动进行估计,从而提高运动估计精度.提出的方法用于测量2个像素附近的谐振器图像运动时,测量偏差接近0.004个像素.实验模拟结果表明,这种多尺度方法能够实现高精度微运动测量.     

几种散斑图像位移测量算法的性能分析

基于散斑图像的微位移测量技术,利用微位移模型仿真方法,分别研究了不同噪声水平条件下Dirac法、IDFT法、MMSE1法、MMSE2法的测量精度,并从计算精度、存储资源、计算效率等角度,综合分析了各种算法的测量性能.实验结论能为工程应用提供有益参考.     

基于菱形搜索块匹配技术的微机电系统微运动测量研究

首先,分析了块匹配运动模型和测量原理,采用最小总绝对差值设置块匹配准则,确立了菱形搜索算法的块匹配搜索路径。该算法通过大小模板块匹配进行粗定位和精定位,求解微运动最佳运动矢量。然后,设计了基于计算机微视觉的微机电系统图像获取方案,并以微机电系统谐振器为研究对象,获取24幅不同相位图像,用所提出的微运动测量方法进行分析和验证,结果表明：基于最小总绝对差值和菱形搜索算法的块匹配技术能较好地估计和测量微机电系统器件的微运动矢量。     

基于EMD与同态滤波解调的矿用齿轮箱故障诊断

针对矿用齿轮箱振动信号的特点,提出了一种基于经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)与同态滤波相结合的故障解调方法.利用EMD对某矿用皮带机齿轮箱故障信号进行分解,得到若干个本征模态函数(intrinsic mode functions,简称IMFs)分量,然后对其中较突出的IMFs进行同态滤波解调分析,提取出了频率为7.0Hz的调制故障信号.研究表明,EMD与同态滤波解调相结合是一种有效的齿轮箱故障诊断方法.     

基于高频微幅振动的微切剖操作器设计

提出一种基于高频微幅振动的微切剖操作器,其微动机构采用具有3个纯移动自由度的3-RUU并联机构,机构的动平台安装有PZT高频微幅振动单元,固联于振动单元的操作针可在跟随机构动平台作较大范围运动的同时通过PZT单元的高频微幅激励实现微切剖操作.建立3-RUU微动机构的尺寸型模型,绘制描述机构尺寸参数组合与机构性能关系的性能图谱并根据性能图谱设计微动机构的运动学参数.利用有限元法对微动机构的静、动态性能进行分析,并进一步确定微动机构及驱动单元的结构参数.基于得到的运动学及结构参数制作操作器原型,该原型可作为显微切剖操作试验系统的一个基本单元.     

基于BITD和同态滤波解调的齿轮故障诊断方法

针对齿轮故障振动信号的非平稳特征以及本征时间尺度分解(ITD)方法的缺点,提出了B样条改进的本征时间尺度分解(BITD)和同态滤波解调相结合的故障诊断方法。首先采用BITD方法对齿轮振动信号进行分解,将其分解为若干个合理旋转分量之和,然后用相关系数筛选出最能表征故障信息的合理旋转分量进行同态滤波解调来提取故障特征。仿真信号与齿轮故障诊断工程实例分析验证了该方法的有效性。     

新型基于6—PSS三维平台机构的并联微动机器人

提出一种新颖的基于6－PSS并联三维平台机的微动机器人并介绍其结构布局特点,应用Jacobian矩阵和力Jacobian矩阵的子阵,分别对其线速度与角速度和力与力矩的各项同性进行了分析计算,并建立显式的微位移正解和反解方程,为其设计和使用提供理论依据。分析计算结果表明,该微动机器人算法与控制简单,微位移解耦和速度与力向向同性,具有最佳的运动和力传递性能。     

Micro-motion devices technology: The state of arts review

In this paper we review the world-wide study on micro-motion systems both from an academic and an industrial perspective. The objective of the review is to answer the following questions: (1) What are the limitations of technologies to develop a micro-motion device in terms of function, motion range, accuracy, and speed it can achieve? (2) What is any economic implication of these technologies? (3) What are future research directions? The micro-motion systems considered in this paper are classified into four kinds in terms of their motion ranges: (a) < 1 μm, (b) 1 ～ 100 μm, (c) 100 ～ 1000 μm, and (d) > 1000 μm. This review concludes that the PZT actuation element integrated with the compliant mechanism is the most promising technology which can achieve high accuracy (sub-nanometer) of all four kinds of motion ranges. This promise is further based on the amplification technology using the compliant mechanism concept. The amplification mechanism is used to compensate the problem with a limited stroke of the PZT actuation element. The compliant amplification mechanism allows one to achieve a high resolution and high stiffness motion which does not compromise the loss of accuracy due to motion amplification. The PZT actuation element and the compliant mechanism are both economically viable. Future research direction should generally focus on the interface between the PZT actuation element and compliant mechanism and the reliability of the compliant mechanism under cyclic deformation of compliant materials.     

基于同态滤波和深度卷积模型的低照度工件表面粗糙度等级识别

为解决低照度下工件表面粗糙度等级识别正确率低的问题,提出一种基于同态滤波和深度卷积模型的低照度工件表面粗糙度等级识别的方法。该方法通过对不同照度下工件表面粗糙度图像进行等级识别,确定了同态滤波器的最优参数值,再将图像从RGB空间转换到HSV空间,在对V(亮度)分量进行同态滤波处理后,再将图像转回RGB空间并通过设计好的深度卷积模型对图像进行识别。实验结果表明:图像的亮度对比度得到了改善,图像的纹理细节更加显著;该方法简单、有效,对低照度工件表面粗糙度等级识别有很好的效果,识别正确率达到95%以上。     

3-RUU微动并联机构的尺寸型模型及性能图谱

基于伪刚体模型及运动学参数的量纲一化,建立了3-RUU微动并联机构的尺寸型模型,该模型在有限区间内给出了3-RUU微动并联机构所有可能的尺寸参数组合,模型空间内的任意一点代表具有相同或相似运动性能的同一族机构。结合对微操作运动性质的分析,提出了作业空间体积值、作业空间形状值及常值雅克比矩阵条件数等三种描述微动机构运动学性能的评价指标,并根据尺寸型模型及定义的性能指标绘制了反映机构性能与尺寸参数关系的性能图谱。