改进的精密测角法标定面阵摄像机参数

改进了用于标定线阵摄像机的传统精密测角算法,标定用于面阵摄像机的参数。该算法利用两束平行光之间的夹角和投影在摄像机上图像点之间的对应关系,在给定一个预测摄像机主点的基础上计算它和实际主点之间的偏差以及摄像机焦距。分析了图像特征提取误差对于平行光夹角测量精度的影响,并给出一种基于平行光夹角误差最小的最优估计,从而进一步提高摄像机内部参数的标定精度。通过仿真实验分析了图像特征提取精度和平行光夹角测量精度对摄像机参数标定精度的影响。结果显示,当图像特征提取精度为0.1pixel,二维转台精度为0.5″时,主点标定精度可以达到0.56pixel,焦距标定精度可以达到0.06mm。利用精度为0.5″的二维转台对摄像机参数进行了实际标定,通过分析像点和标定结果所计算的平行光夹角和实际测量的平行光夹角的误差,可知本文算法的误差是经典精密测角法的68.6%,由此证明该算法对于面阵摄像机参数标定具有更好的结果。     

光笔式视觉坐标测量中控制点光斑图像的识别

介绍了一种光笔式单摄像机便携三维坐标视觉测量系统。在分析该系统成像特点的基础上,提出了一种控制点椭圆形光斑图像的数字识别方法。常用的方法是在CCD摄像机镜头上加滤光片来隔离背景干扰亮斑图像,该方法以光笔上被测控制点在摄像机CCD像平面上的光斑图像轮廓所占像素个数为基准, 剔除过大和过小的图像轮廓,进而采用基于椭圆线轮廓度误差的评定方法实现控制点椭圆形光斑图像的识别。给出了该方法的具体算法,实验结果表明该方法简单方便,易于实现,检测速度较快,适用于圆形被测控制点的视觉检测系统,具有一定的理论意义和工程实用价值。     

平面标定靶标标记点的圆心提取算法

基于圆形标记点的平面靶标被广泛应用于摄像机标定与视觉测量中。针对该平面靶标,为得到圆形标记点在像面上的圆心投影,提高摄像机的标定精度,本文提出了一种基于对偶二次曲线几何特性的圆心提取算法。该算法的核心是平面内一个标记点A像面投影二次曲线对应的对偶矩阵,相对于平面内另外一个标记点B的对偶矩阵的一个广义特征向量,穿过这两个标记点的圆心投影。因此,在获取标记点亚像素级边缘点,拟合椭圆得到椭圆二次曲线方程后,通过任意两个标记点的对偶矩阵,均可得到一条穿过这两个圆心投影的向量。经过同一个圆心投影的多个向量叉乘标准化后的结果就是该标记点的圆心投影。 为测试本文方法提取圆心像点的精度,本文在像面与靶标平面夹角40°的姿态下,对直径为90mm的超大标记点提取圆心投影,圆心投影误差为0.1~1pixel。并以此方法得到的圆心投影对手持式扫描仪进行摄像机标定,进而对已知坐标的平面靶标及3D工件上的标记点进行扫描,最大误差不超过0.2mm。通过对比,本文提取的圆心投影比采用椭圆圆心的精度高,而且提高了摄像机的标定精度。     

CCD图像灰度与照度的转换标定方法

本文提出了一种基于CCD摄像机利用图像灰度获得实际照度的新方法,该方法适用于摄像机的任意曝光和增益参数,且考虑了摄像机安装位置和角度对测量的影响。CCD摄像机照度测量法的实际应用主要涉及两个过程:一是标定过程,即应用CCD摄像机进行照度测量前,标定CCD图像灰度与照度之间的转换参数和转换模型;二是照度测量过程,即通过CCD摄像机拍摄图像,将图像灰度代入已定的转换模型,获得测量对象的照度值。其中,灰度与照度转换模型的标定是利用CCD摄像机实现照度测量的基础和关键,文中主要讨论了该模型的推导过程以及标定方法。具体为:首先通过理论推导获得图像灰度与CCD传感器感应的相对辐照度的关系,然后借助以均匀光源搭建的实验系统标定CCD传感器相对辐照度与物面实际照度之间的关系,进而获得图像灰度与物面实际照度的转换关系。在转换过程中讨论了曝光时间、增益以及CCD相机与照度测量点之间的距离和角度对转换模型的影响,为CCD摄像机照度测量法的实际应用奠定了基础。实验结果表明本测量及标定方法适用于摄像机任意曝光和增益条件,经过本方法标定后,应用CCD摄像机进行照度测量,测量结果的相对误差在4.5%以内。     

基于二维图像的距离测量方法

针对传统的直接接触测量方式在操作和使用上无法满足自动化等问题,为了提高测量的精度和效率,提出基于图像的非接触式测量距离方法。首先在场景中添设一把带有刻度的刻度尺,并将刻度尺横在被测物体之间;然后利用摄像机对场景进行拍摄,获得场景的真实图像,对获得的图像进行相关处理并标出刻度;最后通过公式计算出被测物体的距离,并与游标卡尺所测的距离进行对比分析。该方案在测距的过程中省略了图像的相机标定、图像矫正等一系列复杂步骤,从而避免了处理图像时的误差,有效提高了数字化测量的精度和效率。研究结果表明,通过比较试验数据与游标卡尺测量的数据,基于非接触式测量距离方法切实有效、适应性好、测距精度高,与传统的检测方法相比,检测效果有提高。     

估计多视点摄像机姿态的两步法

本文提出一种估计多个视点位置上的摄像机姿态的新算法,即两步估计法。该算法首先采用第一、二两幅图像上的特征匹配点重建出物体的局部模型,然后以局部模型作为世界坐标系的中心,利用物体模型上的空间点与图像特征点的对应关系,求解每个视点位置上的摄像机姿态。真实图像的实验结果表明,本文所提算法是有效的,重建模型上特征点的重投影误差小于1个象素。     

用构造光系统实现3-D形貌测量的研究

介绍了一个用构造空间二进制编码进行非接触３Ｄ形貌测量的系统。它以一台ＬＣＤ投影仪为硬件基础,用８幅条纹投影图案对被测物体表面进行空间编码。用ＣＣＤ摄像机获取物体编码信息,用基于单一像素的三角法原理从摄像机图像中获取三维形貌数据。指出了二进制编码图案生成软件及其生成的条纹图案的特点。为了提高３Ｄ形貌测量的精度,分析了由摄像机和投影仪镜头造成的误差,建立了它们的透镜误差矫正公式,并取得了良好的实验结果。     

用构造光系统实现3-D形貌测量的研究

介绍了一个用构造空间二进制编码进行非接触3-D形貌测量的系统。它以一台LCD投影仪为硬件基础,用8幅条纹投影图案对被测物体表面进行空间编码。用CCD摄像机获取物体编码信息,用基于单一像素的三角法原理从摄像机图像中获取三维形貌数据。指出了二进制编码图案生成软件及其生成的条纹图案的特点。为了提高3-D形貌测量的精度,分析了由摄像机和投影仪镜头造成的误差,建立了它们的透镜误差矫正公式,并取得了良好的实验结果。     

复合面阵CCD摄影相机的实验室辐射定标

为消除复合面阵CCD摄影相机全像面辐射定标时存在的严重渐晕现象和解决多片CCD之间相对定标目标值选取困难的问题,提出了一种适用于多片CCD的实验室辐射定标方法。该方法对每个像素进行暗信号标定后,修正渐晕区的像素灰度值,通过选取合适的全像面相对定标目标灰度值,最终实现对复合面阵CCD摄影相机的辐射定标。通过分析渐晕区的灰度分布特征,提出了适用于所有曝光时间和辐亮度下的灰度修正方法。分别计算每片CCD灰度值与输入辐亮度之间的多项式拟合系数,选取全局拟合误差最小的一组系数计算对应辐亮度下相对定标目标的灰度值。通过本方法辐射定标后,复合面阵CCD摄影相机的全像面非均匀性由大于20%降至优于2%,绝对定标精度为4.23%。该结果表明本文提出的辐射定标方法适用于多片面阵CCD的辐射定标,定标精度满足航空相机的辐射定标需求。     

采用去模糊图像处理的气/固两相流固体颗粒速度测量方法

在燃煤火力发电站的煤粉输送系统中,为了提高煤粉的燃烧效率,获得煤粉与空气混合物的参数就显得至关重要。本文提出一种基于图像处理技术的气/固两相流固体颗粒速度测量方法。通过控制CCD照相机的曝光时间获得颗粒的运动模糊图像,在此基础上利用图像处理方法估计出模糊图像的点扩展函数（PSF）,并利用透镜成像原理建立运动模糊长度与颗粒运动速度之间的联系,最终获得颗粒的运动速度。在此理论分析的基础上,本文利用该方法对颗粒自由落体形成的运动模糊图像进行了处理,仿真及实验结果表明该方法适用于气/固两相流颗粒速度的测量。     

足部三维测量系统中CCD传感器的全局标定

介绍了足部三维形貌测量系统的原理以及利用测量系统已有的一维运动机构和专用标定组件对测量系统所有CCD进行全局标定的实用方法。建立了基于光平面坐标系、标定坐标系、一维运动机构坐标系和CCD图像坐标系的测量系统模型;在测量系统一维运动机构的控制下,光平面分别对标定组件中两个斜面进行扫描,求取两个斜面上扫描线在光平面坐标系中的交点坐标,并根据光平面坐标系中交点坐标和CCD图像坐标系中交点坐标的对应关系,采用坐标映射方法建立光平面与CCD图像坐标系之间的坐标转换关系;确定了基于坐标系之间转换参数的优化目标函数,并根据标定块的标称值和实际测量结果,利用POWEL直接优化方法对坐标系之间的转换参数进行了优化。测量结果表明,单个CCD重复测量误差＜0.062 5%;4个CCD测量值相对误差＜0.365%。实验结果表明,所述全局标定方法减小了一维运动机构、光平面和足支撑玻璃平板之间安装调节误差以及CCD等器件非线性带来的影响,且简便、实用、不需要其它精密标定仪器,可以对测量系统进行现场标定。     

An improved online dimensional measurement method of large hot cylindrical forging

The dimensional measurement of large forgings under high temperature plays an important role in product control. Cylindrical forgings belong to the important products in the forging workshop. In this paper, an improved online measurement method based on binocular vision for the dimensions of hot cylindrical forgings is proposed. Firstly, images of hot cylindrical forgings are captured by two CCD cameras, and the distorted light stripes projected onto hot cylindrical forgings can be resolved from the image by the deviated stripe model. Then, an accurate sub-pixel extraction algorithm of center points of the light stripes is developed for making the extraction of center points of the lights stripes more accurate. Moreover, for changing the field of view of cameras to measure different sections of forgings in the process of manufacturing, the fundamental matrix F is automatically calculated by matching the intersecting points of the projected light stripes in different images, without interrupting the forging process. Finally, experiments on measuring the diameters of hot cylindrical forgings in the workshop are conducted, and the experimental results indicate that the proposed measurement method is effective. Besides, an additional experiment in the laboratory verifies that the relative error of measuring diameters by the presented method is less than 0.7%.     

大视场多像机视频测量系统的全局标定

针对大视场多像机视频测量系统的全局标定,提出并实现了一种基于近景摄影测量技术的高精度像机标定方法.首先,设计一种带有标志点的十字架形标定参考物,十字架正反两个表面粘贴有环形的编码标志点和圆形的非编码标志点.然后,在现场用工业摄影测量系统XJTUDP重建出双面标定十字架的精确结构尺寸数据;将标定十字架在公共视场范围内依次摆出多个姿态,并控制多像机同步拍摄各姿态的图像.最后,为大视场像机选择10参数非线性成像模型,对采集的图像组依次进行标定运算,标定出各像机的内参数和畸变参数,并全局定向出各个像机在统一坐标系下的外方位参数.实验结果表明,该标定方法的重投影误差小于0.05 pixel;利用标定结果测量高精度标准尺长度,相对误差小于1/4 000,可满足大视场多像机视频测量对精度和效率的要求.     

利用数字图像处理技术测量直齿圆柱齿轮几何尺寸

研究了采用数字图像处理技术实现对直齿圆柱齿轮几何尺寸的非接触式测量.首先对CCD摄像机拍摄的图像进行畸变校正与滤波去噪,然后对图像进行阈值分割,采用基于数学形态法的四邻域腐蚀来获得单像素宽的图像边缘.针对齿轮的边缘轮廓形状特征,运用重心法、最小二乘拟合、Bresenham画圆法和Hough变换等原理,建立了测量齿轮齿数、模数、中心孔半径、齿顶圆半径、齿根圆半径和变位系数等齿轮几何尺寸参数的测量算法.使用1280×1024的CCD摄像机及黑白采集卡对分度圆直径为50mm的直齿圆柱齿轮进行测量实验,与人工测量值对比,绝对误差小于一个像素,在各测量参数中,最大尺寸的齿顶圆半径绝对误差值为13μm.研究结果表明:因为CCD摄像设备的分辨率越高、被测物体的尺寸越小,则测量精度越高,且为线性关系,所以,使用高分辨率CCD摄像设备并配备光学放大系统,可实现对高精度和微小直齿圆柱齿轮几何尺寸参数的测量.如使用1280×1024像素以上的CCD摄像设备测量分度圆直径5mm以下的直齿圆柱齿轮时,测量精度可在2μm以下.     

数字型航空相机的光学系统设计和像质评估

当前研制的数字型航空相机的成像原理与传统的胶片型相机不同,它是采用大面阵CCD作为摄像敏感器件,在曝光时间内完成对图像的拍摄。分析了数字型航空相机光学系统设计的注意点,即光学系统选型的问题。并对像质评估的问题进行了探讨,介绍了评价数码相机成像质量好坏的方法——采用调制传递函数（MTF）进行严格的量化评估。同时,对影响光学系统MTF的各个因素进行了详细的分析,并给出了相应的计算公式和计算结果。     

Surface roughness classification using image processing

Surface roughness is an important factor in determining the satisfactory functioning of the machined components. Conventionally the surface roughness measurement is done with a stylus instrument. Since this measurement process is intrusive and is of contact type, it is not suitable for online measurements. There is a growing need for a reliable, online and non-contact method for surface measurements. Over the last few years, advances in image processing techniques have provided a basis for developing image-based surface roughness measuring techniques. Based upon the vision system, novel methods used for human identification in biometrics are used in the present work for characterization of machined surfaces. The Euclidean and Hamming distances of the surface images are used for surface recognition. Using a CCD camera and polychromatic light source, low-incident-angle images of machined surfaces with different surface roughness values were captured. A signal vector was generated from image pixel intensity and was processed using MATLAB software. A database of reference images with known surface roughness values was established. The Euclidean and Hamming distances between any new test surface and the reference images in the database were used to predict the surface roughness of the test surface.     

一种面向工业机器人智能抓取的视觉引导技术研究

为实现工业机器人自主识别并抓取指定的目标,提出了一种基于计算机视觉引导的解决方法.该方法利用指定目标的3D数据模型,以及由两台或者多台CCD摄像机从工作场景中不同角度获取到的数字图像,经过目标姿态估算、投影计算并生成投影图像,再利用投影图像与目标真实图像进行比较,实现了目标的识别与位姿获取.实验结果表明该方法可以在较复杂的环境下识别指定目标,并获得目标的姿态信息,从而为工业机器人抓取目标提供引导.     

Omnifocus video camera

The omnifocus video camera takes videos, in which objects at different distances are all in focus in a single video display. The omnifocus video camera consists of an array of color video cameras combined with a unique distance mapping camera called the Divcam. The color video cameras are all aimed at the same scene, but each is focused at a different distance. The Divcam provides real-time distance information for every pixel in the scene. A pixel selection utility uses the distance information to select individual pixels from the multiple video outputs focused at different distances, in order to generate the final single video display that is everywhere in focus. This paper presents principle of operation, design consideration, detailed construction, and over all performance of the omnifocus video camera. The major emphasis of the paper is the proof of concept, but the prototype has been developed enough to demonstrate the superiority of this video camera over a conventional video camera. The resolution of the prototype is high, capturing even fine details such as fingerprints in the image. Just as the movie camera was a significant advance over the still camera, the omnifocus video camera represents a significant advance over all-focus cameras for still images.     

基于图像处理的轴类零件尺寸测量技术研究

采用图像检测技术对轴类零件尺寸进行非接触检测,实现了动态测量。在获取零件图像后,采用Sobel算子完成对图像边缘的初步定位,在此基础上,通过对图像边缘的离散点作最小二乘曲线拟合,达到边缘的亚像素定位,基于精度分析,得出了误差最小时的尺寸求解方法。通过标定系数k的求解,计算出精确的零件尺寸。实验表明,该方法能有效地提高检测精度,在CCD摄像机分辨率为1392×1040,像元尺寸为4.65μm时,检测误差<±20μm。     

应用数字图像识别技术检测金刚石砂轮磨粒的凸出高度

提出一种应用数字图像识别技术检测金刚石砂轮磨粒凸出高度的检测方案,并建立了测试系统。该方法利用MATLAB软件编程,对CCD采集的金刚石磨粒数字图像进行图像处理,设定金刚石磨粒的等效形状,计算出磨粒的凸出高度。测试结果表明该方法有效可行。