长焦距离轴三反测绘相机的外场立体成像

在地面模拟了长焦距、宽视场离轴三反光学系统的在轨立体成像,通过对图像的数据处理和分析,验证了离轴三反测绘相机在轨立体成像的可行性。提出了长焦距离轴三反测绘相机外场立体成像的单点成像方法。在该方法中,单台离轴三反相机通过旋转转台对靶标成像,根据规划的相机交会角旋转靶标,并精确测量出靶标的旋转角度,通过靶标的旋转来模拟两线阵相机的相机夹角。在外场立体成像中,根据轨道高度、外场立体成像的物距及理论设计需达到的高程精度和平面精度设计地面靶标。最后,对成像方式进行处理,验证了离轴三反测绘相机立体成像的可行性;对提出的外方位元素、两相机最佳夹角的测量方法进行了精度分析。该单点成像方法具有实用价值,可用于长焦距离轴三反测绘相机在轨立体成像的可行性验证。     

二维旋转平台下的相机参数标定

针对可旋转相机的参数标定问题,提出了一种基于二维旋转平台的相机成像模型。首先,通过一对坐标系的变换与逆变换,将相机的旋转平移变换关系转换为二维旋转平台纯旋转关系;然后,借助旋转平台读数以及相机到旋转平台的固定变换关系,实现相机内参的精确标定以及任意位置间相机外参的相互转换;最后,利用标定出的相机与旋转平台间变换矩阵实现不同位置相机参数的转换。相比于传统固定相机的标定方法,本文提出的方法标定获得的相机内参具有更好的收敛性,而且能够标定出相机到旋转平台的变换矩阵,从而实现相机坐标系变换参数的精确计算。实验结果表明,在标定模板图像数量相同时,与常用的张氏标定法相比,本文提出的方法标定获得的相机内参具有更快的收敛速度。棋盘格角点重投影坐标与实际拍摄图像中棋盘格角点坐标相对比,平均误差约为0.12pixel,表明该方法具有较高精度。     

单镜头大视场拼接成像方法及实现

在远距离目标轨迹测量系统中,当前的长焦相机由于CCD尺寸限制一般视场角度较小,无法实现对目标的可靠捕获。在对比当前的几种大视场拼接成像方法后,针对远距离目标测量系统的要求提出了一种通过控制单个相机进行圆锥旋转来模拟4相机阵列实现大视场成像的方法。设计了实验样机对该方法进行验证。首先根据该成像方法设计了相机运动控制方案和相应的机械结构,然后设计了相机的触发控制以及图像数据的传输和处理流程,最后使用该样机进行了实验。实验中样机经校准后采集到了相对位置正确的子视场图像,并拼接获得了大视场图像。使用视场角度为1.02°的小视角相机,实现了4个有一定程度重合的子视场2×2拼接,最终获得了1.93°的大视角。该方法为远距离目标测量系统中的目标捕获子系统设计提供了新思路。     

空间相机成像参数配置功能检验

介绍了空间相机成像参数配置的基本组成和作用,讨论了成像参数配置功能缺陷对相机成像质量的影响,应用数学方法分析了成像参数配置功能抽样检验的测试风险。基于自动测试系统,提出了一种空间相机成像参数配置功能全面检验的方法来解决测试覆盖性和测试效率之间的矛盾。应用本文提出的测试系统和检验方法对空间相机成像参数配置功能进行了全面检验。结果表明:本方法实现了成像参数配置功能的100%覆盖检验;每条参数测试判读时间缩短为40ms;完成相机成像参数全面检验的测试时间大约为50min。该方法能够有效测试出成像参数配置功能故障,满足了空间相机高效测试、零质量缺陷的要求。     

锥摆扫一体化空间相机成像模式设计

针对高分辨相机难以实现超宽覆盖的问题,本文设计了锥摆扫一体化成像模式。通过对锥摆扫一体化成像原理进行分析,建立了锥摆扫一体化成像模型;然后,设计了最佳地面轨迹模型,并分析了轨道速度、平台旋转角速度和摆扫转动角速度的关系,并基于地面轨迹给出了曝光时间、帧频的计算方案。最后,通过MATLAB进行算例仿真,并对地面覆盖宽度和地面像元分辨率进行分析。结果表明:在轨道高度为500 km,像素尺寸为2.5μm,焦距为360 mm,像元数为5120×5120时,取相机安装倾角为30°,摆扫成像帧数为10,地面覆盖宽度达到1105.7 km,是星下点推扫成像的31.1倍,并且地面像元分辨率在6.4 m以下。锥摆扫一体化成像模式可以完全覆盖地面目标,并且在保证一定分辨率的条件下大幅增大幅宽。     

基于等效成像模型的立体测绘相机成像信噪比分析

为了评价立体测绘相机的成像质量和辐射性能,对相机成像信噪比特性进行了研究.通过对成像电路信号转换过程及各种噪声影响进行分析,建立了相机成像电路等效成像模型;根据立体测绘相机成像电路的工作状态对成像电路的输出信号、增益及各种噪声进行分析;利用相机的工程参数对立体测绘相机成像信噪比进行了分析计算;并对立体测绘相机进行实验室辐射定标测试.计算结果表明相机在4.33 W·m-2·sr-1、12.47 W·m-2·sr-1和40.41 W·m-2·sr-1这3种辐亮度条件下相机成像信噪比分别达到68倍、134倍和245倍.计算结果与实验结果最大相差4.4％,小于实验室绝对辐射定标精度7％.分析结果表明成像电路等效输出模型和成像信噪比计算方法是完全正确的,可以应用于立体测绘相机成像质量评价.     

胶片摄影空间相机动态成像质量评价

对以胶片为图像载体的可见光高分辨率空间相机来说,除光学系统本身的像质和胶片分辨力对相机的最终成像质量产生影响外,相机的像移补偿机构、像移速度控制系统、最佳成像焦面位置的确定等都对相机的最终成像质量产生影响,通过对胶片式可见光高分辨力空间相机整机系统的成像理论进行分析探讨,采用光学传递函数的方法进行相机整机系统的像质评价及像面位置的准确标定。详细给出了空间相机的实验室检测和在轨摄影的动态摄影传递函数及数据分析结果,通过理论值与此方法分析出的传递函数值作对比,证明了胶片摄影刀口阴影经付立叶变换等方法处理所得MTF的方法可以用来评价空间相机的动态成像质量,对用实验室实测的相机动态MTF结果来预估相机在轨动态MTF及在轨摄影分辨力方面做出了有益的尝试。     

空间相机在轨成像模式的建立

提出空间相机在轨成像模式的概念,研究了建立空间相机成像模式的方法。首先,根据太阳高角和地物反射率,使用MODTRAN软件计算相机入瞳前的辐射亮度,分析相机的辐射定标数据,包括每种成像模式的响应度、辐射亮度范围,积分时间关系等。然后,分析相机测摆成像与平飞成像时的积分时间关系,获得相机在各侧摆角下,每种成像模式的辐射亮度范围。最后,依据成像模式的辐射亮度范围和各太阳高角下景物的辐射亮度范围,建立了太阳高角和相机侧摆角组合下的成像模式表。空间相机成像时,依据成像模式表查找对应的成像模式,即可按该模式成像。该方法已多次应用于遥感相机成像实验中,获得了较好的成像效果,图像质量的满意度由65%提高到99.9%。结果表明:依据该方法建立的空间相机成像模式,获得图像效果较好,图像既包含全部景物信息又具有丰富的图像层次。     

光场图像重构算法仿真

根据光场成像原理,对非聚焦型光场相机和聚焦型光场相机的成像原理和采样模式进行了分析,对比了两种光场成像系统的成像特点。针对不同类型光场相机的信息采样特点,推导了非聚焦型光场相机空域平移叠加重聚焦算法及聚焦型光场相机基础图像重构算法,并在MATLAB中对两种图像重聚焦算法进行了仿真验证,实验证明两种算法都可以有效获得任一景深清晰的像,可为光场成像技术的应用提供借鉴。     

基于相机阵列的三维集成成像记录系统

基于三维集成成像理论以及相机阵列和显示透镜阵列之间的对应关系,利用几何成像理论和光线追踪方法对不匹配全光学集成成像记录系统进行了理论分析,得到了主要记录参数(记录距离和相机间隔)和集成成像显示特性之间的关系。提出了一种非匹配系统中相机阵列记录系统参数的设计方法,并设计了相机阵列记录系统。计算得到了系统的关键参数为记录距离49.6cm,相机间隔25mm。对提出的方法进行了实验验证,结果表明,提出的相机阵列光学记录系统能够完整记录场景的三维信息,三维显示特性基本达到了设计指标,相机阵列的主要记录参数与集成成像三维显示特性的关系符合理论分析,验证了提出方法及系统设计的可行性。提出的系统可为不匹配全光学集成成像系统显示提供大场景、高分辨率微图像阵列。     

凝视模式下的画幅相机两轴像移补偿

通过斜视画幅相机的几何模型,选择载机相关坐标系,建立了计算目标航迹速度到像面坐标系下像移速度的数学模型。通过坐标变换将航迹速度(目标在航迹坐标系下的速度)转换至机体坐标系下的速度矢量,最终至补偿坐标系下的运动矢量;计算视轴长度,得到了扫描镜补偿角速度。最后,阐述了像面旋转机构在像移补偿中的作用,并给出了具体位置角计算公式。提出的采用扫描镜和像面旋转机构相结合的方案实现了凝视工作模式下的画幅相机像移补偿,利用坐标变换计算出的相应量,可为将来画幅相机在该模式下的像移补偿工程应用提供必要的参考。     

考虑飞机姿态角时倾斜航空相机像移速度计算

飞机的飞行和姿态变化使航空相机在拍照时产生像移,必须通过像移补偿来提高照相分辨率。为获得飞机姿态角变化时在倾斜航空相机像面上的像移速度大小,首先建立姿态变化过程的数学模型,用坐标系的旋转来等同姿态角的变化,然后根据坐标系旋转前后相同点坐标值之间的矩阵转换关系,推算出单个姿态角变化导致的像移速度,最后将此方法推广到三个姿态角都变化时像移速度的计算。实际应用证明了该方法是一种有效的斜视画幅式航空相机的像移速度计算法,且直观、简单易行,还可以扩展到星载相机上。     

机载成像系统像移计算模型与误差分析

研究了机载成像系统的像移及其对成像质量与相机分辨率的影响。为准确获取像移矢量,实现成像系统像移补偿,提出了一种基于坐标变换的机载成像系统像移计算模型。通过线性坐标变换,建立了从地面目标景物到成像系统像面的坐标变换模型,推导了地面目标景物在成像系统像面的解析表达式,根据坐标在相机积分时间内的变化来确定像移矢量。分析了成像系统像移误差的主要来源,讨论了载机轨道坐标、飞行姿态角和相机视轴角误差对像移计算结果的影响,采用蒙特卡罗方法分析和统计了像移计算误差。样本实验结果表明,在载机姿态角和相机摆角不变条件下,像移量与载机速度成正比,与目标距离成反比,像移误差随着参数误差的增加而增加,其中载机经度和纬度误差是影响像移计算误差的重要因素。结果显示本文方法对机载成像系统的像移补偿具有实用价值。     

基于跟踪转台的光笔式全空间坐标测量系统

光笔式坐标测量系统是一种基于视觉测量的便携式坐标测量技术.在经典的光笔式坐标测量系统中,其测量范围被限制在相机的视场范围之内.为了克服这种缺陷,本文设计了一种新的光笔式坐标测量系统以实现全空间坐标测量.相机被安装在一个转台而不是三脚架上,因而,相机能够进行旋转从而对光笔的移动进行跟踪.新系统能够被用于大范围的工业现场测量,因此极大地扩展了光笔式坐标测量系统的应用范围.为了保证新设计系统的测量精度,本文还提出了一种对跟踪转台参数进行标定的方法.将光笔放置在固定的位置,并改变转台两个旋转轴的方位角,让相机从不同的视角采集光笔的图像.根据相机和转台基座之间不变的坐标变换关系,可以建立起一个非线性方程组来对跟踪转台的参数进行求解.实验结果表明,新系统在测量距离为10 m内的全空间,其坐标测量精度能够达到0.25 mm.可以得出,新设计系统能够在不损失太多精度的情况下显著扩大光笔式坐标测量系统的测量范围.     

基于坐标转换的单幅画面测量研究

常规的摄影测量方法一般采用量测照相机,或用非量测照相机进行不同位置两次拍摄画面测量,而对于视频监控拍摄的单幅画面,这些方法无法进行测量计算。利用现场上已有的固定物体或事后安放在现场上的测量装置,建立现实世界的三维坐标系,并把它通过坐标转换,成为监控画面的二维坐标系,采用单幅画面就可以测量和计算出被测物各点的坐标值,从而计算出视频监控图像中嫌疑人的身高、有关物品的大小、肇事车辆的车速。     

单摄像机测头成像视觉坐标测量系统建模

本文提出了一种新型视觉坐标测量系统－－单摄像机测头成像视觉价值测量系统。提出了利用已知目标测头与被测表面接触实现视觉坐标测量的新思想,建立了确定目标测头三维（六自由度）运动的线性系统模型,实现了对被测表面的坐标测量,同时分析了系统分辨力。通信仿真验证了系统建模的正确性。     

基于成像光线空间追踪的摄像机标定方法研究

摄像机测量模型和标定方法是视觉测量的关键,直接影响视觉测量系统的测量精度。针对这个问题,借鉴非成像模型的摄像机校准的思想,提出了基于成像光线追踪的摄像机标定方法。分析测量点经摄像机镜头成像的规律,通过空间直线确定摄像机图像坐标与测量空间的映射关系。使用像平面和两个空间平面的映射关系,建立空间直线表达方式,完成基于成像追踪方法的摄像机测量参数标定。通过噪声分析和精度测量实验对基于成像追踪的摄像机标定方法进行精度验证,实验结果表明该方法可以有效抑制标定数据噪声对测量结果的影响,提高摄像机标定精度。     

基于视觉的机器人抓取技术的研究

该文提出了一种基于智能相机的机器人抓取系统,采用图像处理算法对相机捕获到的图像使用模板匹配、边缘查找及坐标变换,得到工件在机器人坐标系的位置和姿态,通过串口将处理后的工件位姿数据发送给机器人控制器,控制器向机器人发送运动指令。经实验验证,系统达到设计要求,在工业机器人系统中引入计算机视觉提高了机器人的柔性以及对环境的适应能力。     

野外空间坐标测量中的任意姿态多目相机快速标定

针对野外复杂地形环境下,对于多个监测区域进行野外坐标测量的情况,提出一种利用双目立体视觉原理对相机3个姿态角及焦距同时进行现场校准的快速标定方法。该方法对传统的标定方法进行改进,可用于相机焦距、姿态未知的情况,对现场环境条件要求低,避免了传统标定方法中相机架设姿态受限的问题。首先通过选择合适的统一世界坐标系和坐标系旋转顺序,使标定得到的相机外参与相机姿态角对应。然后通过GPS测量得到两个标定点的世界坐标,将两个标定点的世界坐标和图像坐标代入成像模型,用最小二乘法解出相机的焦距和姿态角。在现场对其中一个监测区域进行实际测量验证,结果显示直径200 m的圆形监测区域内,相对误差优于0.38%。该方法工程应用性强,灵活度高,适用性广。     

摄象机内征参数的标定

从目标的视图定量地计算它的三维视觉信息必须首先标定摄象机的内征参数。本文介绍一种基于平面板的多视图标定这些内征参数的技术,该技术适合于标定无非线性失真或非线性失真可以忽略的摄象机,尤其适合于标定水下摄象机,而且无须任何高精度装置,因此成本很低。我们根据一平面标定板的特征集合在实际视图的计算机坐标系中的坐标与它在目标的模型坐标系中的坐标之间的矢量距离和内积是几何不变的原理,得到了关于每个视图的基准特