基于仿人眼自适应调节的多光谱视觉图像处理方法

针对传统仿生视觉系统中目标图像获取单一性问题,提出一种仿人眼自适应调节的多光谱视觉成像技术。首先,通过改进的自动调焦算法使成像系统同时采集可见光高分辨率图像及近红外低分辨率图像。然后,对于多光谱成像系统中由于分光棱镜折射率不同导致的在固定焦距下,可见光和近红外图像清晰度有所不同的问题,采用改进的二代小波变换进行近红外图像增强,提高图像对比度,改善视觉效果。最后,搭建基于液体变焦透镜的多光谱实验系统验证自动调焦算法及图像增强算法的实际性能。实验结果表明:系统完成有效自动调焦的平均用时为756 ms。同时,近红外图像增强后其灰度方差函数值提高了79.4%,解决了对比度低和细节模糊的问题,最终实现自适应调节。     

基于可见光及近红外的仿生视觉成像技术

为了解决传统单通道仿生视觉成像系统应用场景受限的问题,提出一种基于可见光及近红外的仿生视觉成像技术.首先,对多光谱光学成像系统进行研究,设计了以棱镜为分光元件的同口径双通道成像系统,对目标物体进行初步成像.然后,利用基于Roberts算子的图像清晰度评价函数并结合自适应变步长搜索策略对目标物体进行清晰成像.最后,搭建了以液体变焦透镜为调焦执行机构的实验装置,验证仿生视觉成像系统及自动调焦算法的实际性能,实验结果表明:光学系统的成像质量可满足实际需求,同时,自动调焦算法完成一次调焦过程的时间仅为1050 ms.     

面向机器视觉测量的液体透镜调焦系统标定方法

高性能光学成像器件是机器视觉测量的重要基础,液体透镜作为一种结构紧凑的快速电控调焦器件,在机器视觉测量领域中具有明确的应用前景。针对液体透镜调焦器件在视觉测量中性能易受环境干扰、系统内参难以准确标定的问题开展研究。首先,构建了基于Optotune液体透镜器件的机器视觉测量系统,分析了液体透镜器件电控调焦工作机理,提出了调焦系统的电流-焦距数学模型,研究了影响液体透镜调焦系统参数的温度、重力因素作用机理,分别提出了温度-焦距、重力-主点位置影响量传递与补偿数学模型;然后,将上述各系统模型与针孔相机成像模型相结合,提出了液体透镜调焦系统的函数化内参表达式,设计了求取表达式全部系数的标定装置与标定流程,并进行了系统内参标定实验,验证了文中内参标定方法的可行性;最后,利用标定所得的内参对边长30 mm的棋盘格靶标进行了测量实验,通过尺寸测量精度反映内参标定精度。实验结果表明,文中方法能够得到比现有插值法更准确的内参标定结果,其中图像角点空间映射位置误差均值为0.10 mm,棋盘格边长测量结果最大相对误差为0.68%,两项误差比插值法所得内参的测量结果分别减小了27.2%和54.4%。     

图像清晰度评价与变步长融合调焦方法

十字丝目标在CCD上的成像,一般受到环境光和光路的影响,不同位置的焦距产生的十字丝图像会存在边缘模糊和离焦的情况,使十字目标的中心点位置提取受到严重影响,传统的Sobel算法忽视边缘信息,并且容易受噪声影响,因此提出改进Sobel算子图像清晰度评价函数与粗细调焦结合的变步长两段式快速搜索自动调焦的方法。该方法首先利用图像的空间域评价图像清晰度,其次利用根据光学设计选用的两段式调焦方式。第一步进行粗调,先快速找到正焦位置附近,然后进行细调,直至找到正焦的位置。实验表明,该方法与其他算法相比,自动调焦失败率为2%,调焦时间为1 242 ms,调焦行程在-25～+30 mm之间。通过该算法将图像清晰度评价函数与两段式调焦方式结合进行自动调焦,准确性高,实时性好。     

航空红外相机自动调焦设计

为克服恶劣复杂的航空环境给系统带来的失焦现象,系统中引入自动调焦模块。通过采集、分析不同程度失焦的中波红外图像序列,对空域内几种调焦评价函数的灵敏度、无偏性、稳定性、计算速度等指标进行测试和验证,最终得到适合于红外成像自动调焦系统的调焦评价函数。为了提高该调焦评价函数的信噪比,提出了一种基于图像预处理的信噪比改善算法,保证函数在正焦面两侧呈单调性。最终制定出粗细结合的快速爬山搜索策略,先以大步距进行粗略调焦缩短时间,再用低于半倍焦深的小歩距精细调焦保证精度。基于640×512中波制冷探测器,搭建了一个焦距为300 mm、F/2的卡塞格伦折反式红外光学系统。试验结果表明该自动调焦模块可以保证实时性和准确性,满足具有较大噪声的红外成像系统的需要。     

经纬仪调焦机构设计

调焦机构是变焦距镜头中重要的组成部分,为了满足经纬仪测量中对变焦距镜头的要求,针对目前对变焦距镜头的调焦主要采用凸轮机构的变焦方式体积大、效率低、精度差缺点,本文提出了采用直线驱动的方式进行调焦的原理与方法,介绍了一种应用系统,主要由步进电机、直线导轨、直线位移传感器、DSP控制器等组成,由步进电机驱动,通过齿轮变速和精密丝杠速比变换机构,利用直线位移传感器作为检测元件,带动镜组前后移动来进行距离调焦和温度调焦,从而改变了传统的调焦机械结构。具体给出了测量系统的组成结构和实验结果,并进行了精度影响因素分析。实验结果表明,测量精度可保证在0.005mm内,满足经纬仪测量所需要的结构紧凑、位移精度好的要求。     

基于人类视觉的快速自动调焦法

为了提高自动调焦算法的性能,对调焦评价函数和调焦搜索算法进行了研究。在分析人类视觉系统(HVS)特性研究成果的基础上,提出了一种基于HVS加权的小波调焦评价函数。根据视觉多通道特性和视觉敏感度带通特性,对不同方向、不同空间频带的小波高频系数分别赋予不同的权值。为了克服爬山法搜索速度慢的缺点,提出了一种基于SOM神经网络的搜索算法,采用训练完成的SOM神经网络预测镜头的最佳聚焦位置。实验结果表明,提出的小波调焦评价函数得到了比传统小波调焦评价函数更优的调焦特性曲线;采用本文的搜索算法平均仅需要采集处理7.3幅图像就能找到最佳聚焦位置,与基于全搜索的爬山法相比,节省了大量的搜索时间。说明提出的调焦方法不但可以得到符合人眼视觉的调焦效果,还可以实现快速自动调焦。     

大范围自动调焦快速搜索算法

针对过去爬山法（MCS）调焦效率低的问题,提出了一种新的大范围自动调焦快速搜索算法。它利用对Variance函数的线性插值实现大范围的粗调焦;利用梯度平方函数高斯插值实现在峰值附近的精确调焦。实验结果表明,该算法在保持调焦精度的前提下,能够在大范围内快速调焦,且对不同内容的图像有相似的结果,满足显微视觉系统对高速、高精度和通用性强等自动调焦要求,该算法已在微电子产品视觉检测中成功应用。     

基于DSP的自动调焦系统

由于数字图像处理理论的逐渐成熟和完善,现今的自动调焦系统已由原基于光学系统的自动调焦转换为基于各种数字图像处理方法的自动调焦.由此介绍一种基于DSP芯片TMS320C6416为核心处理器进行图像采集、预处理和实施控制的自动调焦系统.TMS320C6416芯片的总体性能可比C62xx提高一个数量级.重点说明了该实时数字图像处理系统的硬件组成、工作原理和软件算法.结果表明该系统具有高度的实时性和稳定性,能够快速准确的完成自动调焦.     

基于高速视觉目标跟踪系统的自动调焦算法的设计

为了解决高速视觉目标跟踪系统在进行目标跟踪过程中目标的尺度与清晰度的变化,提出一种基于尺度不变性的自动调焦算法。该算法包括基于改进型二维OTSU分割的自动变焦算法和基于二维图像信息熵的对焦算法,通过高速视觉目标跟踪系统获得目标区域,计算目标像素面积和清晰度评价值,转化为可调焦镜头变焦步数和对焦步数后通过FPGA发送调焦指令,最终完成自动调焦动作。设计了自动调焦验证系统以验证算法的性能并得出满足追踪要求的最佳调焦参数。实验证明,该算法在高速目标跟踪系统的跟踪过程中可以较好地完成自动调焦任务。     

超大视场变焦仿生眼光学系统设计

提出了一种新的基于仿生鱼眼镜头模型的超大视场变焦仿生眼光学系统。该仿生眼应用可调光焦度器件能使光学系统更紧凑和不需要移动。鉴于鱼眼系统可以简化成反远物镜的原理,利用矩阵理论和变焦准则,研究了基于可调光焦度器件鱼眼镜头设计的一阶几何光学理论,得到了鱼眼系统前组和后组的光焦度控制方程;进一步讨论了其光焦度的边界方程;最后提供的仿生变焦鱼眼的视场角最大为164,焦距从5～15 mm变化,成像质量达到系统要求。设计实例为其在智能监控、航天军工、机器人系统等领域的应用提供了有益的探索。     

基于计算机视觉的弹着点坐标远程测量系统

系统采用双目立体视觉原理,通过捕捉、处理弹落击起的烟尘图像精确地获取弹着点信息。给出了一种适于野外环境构建的视觉测量模型,并提出了一种仅对焦距及光轴水平偏角进行现场标定的相机参数快速获取方法。采用序列图像实时帧间差分阈值法作为主要的图像处理手段,通过构造高斯背景统计模型获得精确的分割阈值。为排除野外环境的各种干扰,提出了依据时空相关性检测的帧间多级差分方法,为解决烟尘快速飘移对后续弹点探测的影响,给出了一种伪目标边缘跟踪算法。远程视觉传感器距靶心1.2 km对?准400 m靶区实测时,图像处理时间小于8 ms,系统响应时间小于75 ms,报靶精度优于2 m,完全满足实时准确报靶的要求。     

单目结构光测量中参数自适应标定方法

针对结构光测量时手工调节相机参数易导致图像质量的随机性,进而导致标定精度的下降及调参环节重复繁琐的问题,提出了一种结构光测量的相机标定自适应调参方法。首先,设计了一套相机自动调参装置,根据三个调参环调节时的图像变化机理,选取标定板面积占比、图像清晰度及图像对比度三个参数,分别定义焦距调节环、对焦环及光圈调节环。其次,为实现相机的高精度标定自适应参数调节,针对传统Brenner函数的缺陷,通过一种改进的Brenner自动阈值函数,实现对图像清晰度的精确快速对焦,并对标定板图像感兴趣区域的前景与背景进行分割,计算图像对比度,根据标定的重投影误差,确定标定相机的最优调节区间,以自适应调参搜索控制方法进行标定参数调节。最后,为提高自适应标定调参时电机的搜索定位速度,建立了调参函数模型,并通过物距及像素长度自适应计算焦距。三维测量调参实验表明,相比于手工标定,基于提出的调参方法能在5 s内实现自动调参,且重投影误差减少66.57%。     

基于非线性因子的改进鸟群算法在动态能耗管理中的应用

针对实时系统能耗管理中动态电压调节(DVS)技术的应用会导致系统可靠性下降的问题,该文提出一种基于改进鸟群(IoBSA)算法的动态能耗管理法。首先,采用佳点集原理均匀地初始化种群,从而提高初始解的质量,有效增强种群多样性;其次,为了更好地平衡BSA算法的全局和局部搜索能力,提出非线性动态调整因子;接着,针对嵌入式实时系统中处理器频率可以动态调整的特点,建立具有时间和可靠性约束的功耗模型;最后,在保证实时性和稳定性的前提下,利用提出的IoBSA算法,寻求最小能耗的解决方案。通过实验结果表明,与传统BSA等常见算法相比,改进鸟群算法在求解最小能耗上有着很强的优势及较快的处理速度。     

激光三角法改进的显微镜快速自动对焦方法

为了满足TFT-LCD显微镜光学检测系统在工业上的需求,基于激光三角测距法提出一种改进的显微镜快速自动对焦方式,并建立了光路数学模型。该方法在可见光光路中加入一路808 nm波长的激光,激光光束在被检测物体表面反射后经过一系列光学器件投射在CCD相机上形成一个半圆光斑。以对焦完成时CCD上的光斑半径最小为基准,给出了离焦量与光斑信息探测量之间的数学模型关系,实时控制PZT进行自动调焦。根据给定的数学模型,利用高斯曲线拟合对光斑中心进行定位并计算离焦量,实现对实时控制压电陶瓷的自动对焦。在50倍物镜下的实验结果表明:实际测量值与理论值有很好的线性度,在±30μm的对焦平面上对焦重复定位精度可达到0.2μm,对焦时间在0.26 s。与传统的显微镜对焦方法相比,该方法有较高的精度、较好的线性度和更高速等优点,可满足工业光学检测的需求。     

改进型激光三角测头设计

设计了一种改进型激光三角测头,在传统直射式激光三角测距方法的基础上,提出了一种新型单透镜设计理念。以普通直射式激光三角法为基础,对该光路进行改进,在光学系统中使用一个分束镜来取代传统激光三角测头的聚焦透镜和成像透镜,令其与聚光透镜和光电探测器共轴,使系统的结构更加紧凑,并推导了满足该结构的Scheimpflug条件。同时利用Zemax光学设计软件仿真光学系统,系统入瞳直径4 mm,焦距20 mm,总长20.5 mm,满足测量系统的小型化。当与合适的光源和探测器配合使用时,能够在保证较高测量精度的前提下获得更大的工作范围,提高测量系统的环境适应性,可广泛应用于工业实时在线检测以及军事领域。