三维无接触测量中多摄像头拼接技术

在三维无接触光学测量中,为得到被测物体完整的三维信息,这里采用多摄像头系统对被测图像进行拼接。利用摄像机定标获得的摄像机外参数即旋转矩阵R与平移向量t,将不同摄像机拍摄到的物体不同侧面,拼接到同一世界坐标系下。实验表明这种方法具有操作简单、处理速度快的特点。     

基于实体模型的虚拟微装配视觉伺服研究

微装配的主要问题是装配的器件小,装配精度高,一般用显微镜作为视觉传感器对装配运动进行控制。在大放大倍数下,显微镜的视场和景深很小,这时操作对象和操作工具就不会同时处在焦平面内,使得图像模糊,操作很难完成。利用显微镜的聚焦理论,提取对象的三维信息,构造对象的实体模型,使微装配在虚拟环境中进行,而实际环境只起监视的作用,当对象和工具不动时,虚拟操作环境不变化,而当操作对象和工具位置变化时,重构三维环境,使得虚拟环境和实际环境具有严格的位置对应关系。试验和仿真结果表明,该方法可以克服物体在显微镜下的失焦问题,而且操作方便。     

高速摄像技术在微型旋翼机性能测量中的应用

提出了一种测量微型旋翼机桨距角及弹性连杆变形角度的新方法—高速摄像法。这种方法可以准确地测得高速旋转物体的角度,拍摄速度可达15 000帧/s。实验需要处理两个角度——桨距角和弹性连杆变形角度。实验中,首先对拍摄部位进行预处理,然后对微型飞行器在高速旋转时的不同状态进行拍摄,包括从正面拍摄桨距角和从侧面拍摄弹性连杆的变形角度,对拍摄到的图片进行筛选、存储并进行图像处理。图像处理部分是用MATLAB软件进行边缘检测,对比了四种不同的检测方法的效果,最后采用Canny算法。用最小二乘法拟和成直线,得到所需的角度;利用采集电路将角度与电压实时地对应起来,得到了电机电压和桨距角及弹性连杆变形角度的八组关系曲线,并对得到角度的精度进行了分析。实验证明这种方法在微型飞行器高速旋转时信号弱、干扰强、其动态特性难以精确测量情况下,可有效测量微型飞行器的变距角度。     

一种用于机器人抓取的单目实时三维重建系统

为支持家庭用服务机器人抓取任务,设计了一种针对家庭环境中常见物体的实时三维重建系统.系统假设相机在围绕物体运动的同时采集图像.首先借助从运动恢复结构算法求解相机在采集图像序列时的运动轨迹.根据运动轨迹中的位置信息,基于几何约束为相机运动轨迹中的每一帧选择最合适的配对图像.提出基于虚拟双目的 立体匹配方法恢复每组配对中两帧图像共视区域的三维结构.利用L-R检查和抛物线拟合等后处理方法剔除误差较大的测点.最后用不同的图像配对计算出的三维结构生成最终的物体模型.实验结果表明生成的物体模型中位数相对误差在1.0％左右,满足机器人抓取任务中对物体模型的精度要求.同时系统平均运行速度超过25帧/秒,满足家庭用物体快速建模的要求.     

基于三维建模原理的位图图像超分辨率放大研究（英文）

BMP(bitmap)位图图像作为图像的一种通用格式被越广泛应用,位图放大是图像处理的重要环节。首先,对位图进行分割,将离散算法的三维模型与扫描线补偿算法相结合,建立数学模型;然后,根据模型表面若干个控制点之间的拓扑关系,将图像表面离散化,采用平面三角形序列描述三维物体;最后,将离散算法三维建模原理中的平借补偿与二值点阵图像扫描线补偿算法相结合,对位图进行放大,从而得到比较清晰的放大BMP图像。     

基于图像的角度识别分析

图像信息是唯一反馈物体状态信息的来源,是对物体定位的依据.在图像中识别物体的方向、角度的方法很多.在众多方法中,图像的精度和处理信号速度直接影响着整个系统的性能,良好的算法可大大提高角度的定位速度及准确度.     

纹理触觉再现技术的研究现状及发展

物体一个非常重要的触觉特征是它具有表面纹理信息,人们可以通过触摸物体获得这种感觉.在虚拟现实或遥操作领域,将虚拟的或远地的物体的纹理信息再现并作用于操作者手部,不仅可以增强系统的临场感,而且可以帮助操作者识别不同特性的虚拟物体.触觉再现技术近几年已成为虚拟现实和遥操作领域研究的前沿技术,文中介绍了当今世界上仅有的几种可以再现纹理触觉的方法,并比较他们各自的优缺点.最后,指出纹理触觉再现技术的发展思路.     

无人机航拍图像的三维重建方法研究

在无人机为载体的基础上进行对目标场景的三维重建,就是结合无人机和计算机视觉技术,利用无人机操作灵活性,视角可控制性等优点.为实现更加完整的三维模型的重建,提出一种基于多图像拼接三维重建算法.基本思路是在无人机为载体的基础上,从不同方向获取目标物体的图像,通过自标定方法获取相机内参数,采用图像拼接融合技术对多幅图像分析、合成,从而最大限度地对建筑物场景的各种特征信息的描述.进一步对拼接融合后的图像进行特征点提取和点云匹配,从而获取全景图空间特征点三维点云,获得一个较为真实的重构对象的三维模型.实验结果表明,改进后的重构方法的精度较高,适合在许多场景三维重建的应用.     

随机模式投影双目测量系统中的单目测量方法

针对基于随机模式投影的双目立体测量系统的特点,提出了一种由单摄像机-投影器构成两个单目测量单元的测量方法。首先给出了一个简洁有效的标定算法,该算法只需从不同角度拍摄随机光场在普通白板上的图像（称为标定图像）,就可以标定纯随机模板上每一点经投影镜头发出的光线。无需标定投影镜头畸变,且精度不受投影镜头畸变的影响。然后将随机光场照射下的被测物体图像与标定图像进行亚像素精度的像点匹配,根据三角测量原理获取物体表面的三维点云数据。最后采用标准平面对该方法进行测量精度验证,并给出了具体的测量实例。实验结果表明：平面度测量精度为0.0175mm,不确定度<0.05mm(3σ)。由于采用单目测量单元进行测量时,空间一点无需在两个摄像机视场内均可见,因此避免了因局部高光、被测物体自身遮挡等原因引起的三维测量数据丢失,有效地弥补了双目测量系统的不足。     

基于单数码相机的三维曲线结构摄影测量

提出一个三维测量与模型重建的新方法。该方法通过对被测物体的特征线和进行模型重建所需要的模型表面的某些控制线进行标记,使其在颜色亮度上明显区别于被测物体本身的颜色,以利于图像识别;然后以一个数码相机为主要工具,以自由拍摄方式获得被测物体的多帧图像,在精确计算各次拍摄时的相机位置与姿态的基础上,通过对标识曲线的提取和不同图像中同名曲线的优化匹配,获取特征线和控制线的三维信息,进而重建被测物体的三维数字化模型。该方法具有测量硬件简单、测量方式灵活、测量范围不受限制、各角度测量数据自动拼合等优势,在逆向工程、产品质量检测等领域有广泛的应用前景。     

新型单摄像机立体视觉传感器研究

提出一种用于测量空间三维点坐标的单像机视觉传感器模型。在结构设计方面,变传统的双CCD摄像机结构为单CCD摄像机结构,加装两组对称的光学反射镜,镜像出一对虚拟摄像机,可在同一个CCD像面上采集到存在视差的两幅图像,从而恢复空间点的三维信息;建立了标定数学模型,阐述了此视觉传感器测量模型的标定方法。相关试验表明,此测量方案不仅有效,而且经济快速,标定方法简单,对标定环境及靶标的摆放姿态无严格要求。     

视线跟踪系统中CCD摄像机的自适应调节

分析了视线跟踪系统中光源、摄像机、眼睛角膜及光斑的几何位置关系,提出了眼睛跟踪策略和一种调光、变焦、聚焦相结合的CCD物镜自动调节方法。对捕获图像进行处理,依据图像灰度均值控制光圈,以适应外部环境光强变化;利用SMD算子大步幅快速粗聚焦,提取图像中光斑信息控制云台瞄准、跟踪眼睛,并进行变焦控制,可在用户头肩图像中自动定位眼睛,适应用户头部位置变化;在眼睛区域自动确定检测窗,在检测窗内使用FSWM聚焦算子判断图像清晰度,实现自动聚焦。若图像中能提取瞳孔信息,则依据瞳孔边缘梯度均值实时调整聚焦。实验表明,在不同外部环境光强及用户在不同使用位置情况下,CCD摄像机通过自适应调节,可实时跟踪眼睛并捕获到清晰眼睛图像。     

基于全息图放大的数字全息显微结构测量

针对典型预放大数字显微全息光路中存在的二次位相误差,本文设计了基于全息图放大的数字全息显微光路。此设计中,光束首先照射透明显微物体,然后与平行参考光干涉,形成全息图,最后经显微镜获得放大的全息图。这种光路从系统上直接消除了主要由球面波引起的位相畸变,有利于数字处理及实时化。作者以位相光栅(30 lines/mm,槽深约0.3 µm)作为实验样本,对此光路进行了分析研究,并分别用菲涅耳近似法和卷积法再现单幅全息图,同时获取了物体的强度信息和三维位相信息,位相深度的计算结果为0.27 µm。结果表明本文设计的光路对二次位相产生的离焦误差有明显的抑制作用。     

Evaluation of form error at semi-spherical tools by use of image processing

In this study, a method is proposed for dimensional measurements of semi-spherical parts for the standard tool electrodes used in Electrical Discharge Machining (EDM). The tool electrode to be measured is magnified by a profile projector. Pictures of some equatorial plane projections of the electrodes are captured by a digital camera before and after machining. The pictures were calibrated with the geometric camera calibration. Then, the profiles are extracted from their background using the adaptive threshold, which is an image processing method. 2D coordinates are first obtained and then converted to 3D coordinates. Using the obtained data, sphericity and radius are calculated by means of the minimum zone method. It is seen that the proposed method can be used for determining the EDM tool electrodes’ form error.     

具有三维力反馈的原子力显微镜纳米操作系统

在基于原子力显微镜的纳米操作过程中，由于缺乏实时反馈信息，造成纳米操作效率低下且灵活性差，同时探针因受力过大而损坏。为此，本文通过对探针受力-悬臂变形进行建模，并根据实时检测到的悬臂变形信号、新的参数获取与校准方法，从而获取探针所受的实时三维纳米力。将此三力经比例放大后送人力／触觉设备进行感知，操作者就可以实时调节施加在探针上力的大小及探针的运动轨迹，使得操作的效率及灵活性明显提高，且可以避免探针因受力过大而造成损坏。纳米刻画和多壁碳纳米管的操作实验验证了系统的有效性。     

基于凸松弛优化算法的相机内外参数标定

相机内外参数标定的准确性直接影响后期三维重建与真实被测物之间的相似性和三维点云的精度。针对该情况,提出了一种基于凸松弛多项式优化方法来对相机进行标定。该方法通过对优化问题中的高阶单项式进行线性化处理并添加相应的半正定矩阵约束,从而将原非凸优化问题转换为可以快速并准确求解的半正定规划问题,通过求解一次或多次的半正定规化问题来逼近或求解出原优化问题的全局最优解。实验数据证明了该方法的可行性与精确性。对于其他多视角几何中的多项式优化问题,该方法同样存在着良好的通用性与适应性。     

微细光成形和LIGA工艺集成的可行性分析

微机电系统的发展，对微细加工技术提出了更高的要求。目前常用的微细制造技术本质是基于掩模光刻的二维半微加工技术，难以进行真三维结构的制造。对单光子和双光子微细光成形技术的成形原理、加工分辨能力进行分析和实验研究，将其与微细电铸等工艺集成，提出一种能实现真三维制造的、具有不同应用材料的微细加工新方法，并从原理上验证了两者集成的可行性，为后续研究奠定了基础。微细光成形与微细电铸集成工艺技术为进一步拓展微细制造技术提供了新途径。     

基于正交消失点对的摄像机标定方法

为了提高摄像机的标定精度和灵活性,提出了基于正交消失点对的摄像机标定方法。该方法采用了摄像机线性模型,仅需设计制作简易的标定模板并以不同的视觉角度拍摄多幅(至少3幅)平面标定模板的图像,利用消失点的性质和标定模板的几何特征,从每幅标定模板图像中可获得正交消失点对与标定矩阵之间的2个几何约束条件,从而线性标定出所有摄像机内参数,通过仿真实验和真实实验验证了该方法具有较高的标定精度和鲁棒性。     

平行光线对双目视觉测量系统的影响研究

通过分析不同强弱平行光线，对系统测量数据的两阶段两步法CCD摄像机标定和扫描影响，寻找出一段范围的平行光线，进行CCD摄像机参数标定和被测物体的扫描测量。试验证明，使用验证范围内平行光线进行测量，可以提高该系统测量的精度。     

基于激光扫描和SFM的非同步点云三维重构方法

室外场景具有测量数据量大、扫描数据易重叠及建筑物表面信息复杂等特点,单靠激光扫描方法能够获得场景精确的深度信息,但缺乏颜色和纹理信息,利用从运动中恢复结构(SFM)方法可获得丰富的彩色信息,但重构精度不高,若将两种设备固定进行在线实时同步测量,易受到测量环境和系统制约不易实现。针对此问题,提出了一种基于激光扫描和SFM结合的非同步点云数据融合的三维重构方法。首先,提出利用手动选择控制点进行7自由度初始配准,再利用迭代最近点(ICP)算法对初始配准结果进行精确配准,最后利用最近点搜索算法将分布在经基于面片的多视图立体视觉(PMVS)算法优化后的SFM数据中的颜色信息与激光扫描的点云坐标进行融合。实验结果和数据分析显示,本文的方法能有效地将激光扫描与SFM点云数据进行融合,实现了室外大场景的三维彩色重构。