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.     

无线微小型机器人及其驱动控制

研制了一种面向微操作的微小型机器人,并开发了其无缆化控制系统。该机器人机械本体由基于宏／微复合驱动的移动定位平台和3自由度球基微操作器构成。机器人总体尺寸不超过90 mm×70 mm×60 mm。机器人的宏动部分采用轮式驱动,选用轴直径为3 mm的微型电动机,运动速度可达100 mm／s,定位精度0．5 mm,运动分辨率0．1mm。微动部分基于尺蠖蠕动原理通过压电陶瓷和电磁体配合,速度可达200μm／s,定位精度50μm,运动分辨率2 μm。球基微操作器基于黏滑原理利用3根四分压电陶瓷管驱动,可实现旋转和俯仰运动,运动分辨率可达0．001。。所有驱动电路均集成到机器人本体内,采用锂聚合物电池供电,通过蓝牙模块和上位机的图像处理系统通信。嵌入式控制软件将机器人的运动全部分解为简单运动,控制算法采用多线程方式,保证了驱动控制的实时性,并且具有很强的抗干扰能力。     

基于视觉原理的三维光阱刚度测量系统

光阱刚度是表征光镊捕获微小颗粒能力的重要参数。文中搭建了一套基于视觉原理的三维光阱刚度测量系统。测量系统中采用波长1 064 nm的近红外激光光镊捕获直径2μm的聚苯乙烯微球,采用基于视觉原理的光路对微球成像,由高速摄像机记录微球的布朗运动。对高速摄像机采集的相邻图像进行亚像素的位移提取,获取微球的三维位移,采用功率谱法得到相应的光阱刚度。     

微球测速聚类分析的流式液路稳定性评估

提出了一种基于90°Mie散射的高速图像采集微球测速方法,用于准确评估流式细胞仪流动室内的层流状态及单细胞流的稳定性。利用流动室内微球速度的稳定性对流动室内单细胞流的稳定性进行了评估。首先,利用高速显微成像系统采集90°Mie散射光的图像,选取90°侧向散射光以避免激发光源直射光的干扰,同时去除背景光源并提高图像对比度;然后,利用基于梯形白化权函数的灰色聚类分析方法对微球拖尾图像进行分类,实现对不足、正常、衍射和重叠4种情况的准确分类;最后,利用中点法确定正常图像上升沿及下降沿的边界,提高拖尾长度计算的准确性。搭建了高速微球测速实验系统,对本文方法进行验证。结果表明,该方法能够获得清晰的微球拖尾图像并对微球拖尾图像进行准确分类。对本文实验系统测得的微球拖尾长度平均值为116.9个像素点,标准差为1.7。     

肠道微机器人柔性运动系统

提出一种适用于肠道微机器人的柔性运动系统来提高肠道机器人微创诊断的主动运动能力.柔性运动系统采用尺蠖型运动方式,由柔性运动机构和柔性驱动机构组成.柔性运动机构包括径向气囊软足和轴向伸缩推杆,并用万向节连接微机器人前后腔体从而提高运动柔性;柔性驱动机构利用尼龙线绳牵引波纹管泵驱动气囊软足和伸缩推杆激励微机器人伸缩.微机器人样机直径为12.2 mm,长度为78 mm,质量为14.8g,最大径向钳位外径为20.2 mm,最大轴向行程为16.4 mm.实验结果表明,柔性驱动机构可以为波纹管泵和伸缩推杆分别提供最大为0.67N和0.65 N的驱动力;微机器人样机能够在不同倾斜角度的刚性有机玻璃管中运动,在水平和竖直管道中的平均运行速度为0.38 mm/s和0.25 mm/s;能通过最小曲率半径为49.3 mm的塑料软管,在离体肠道中也能实现有效运动.本柔性运动系统为肠道微机器人提供了一种安全有效的自主运动方案.     

面向超分辨光学成像的浸没微球透镜控制

微球透镜配合传统光学显微镜可以采集到衍射极限以下的超分辨光学图像,为了精确控制微球透镜在样品表面的位置,同时扩大超分辨成像范围,提出了一种控制微球透镜的方法,结合多轴微动平台实现微球透镜的精确定位与成像扫描操作。通过光学仿真分析了微球透镜超分辨成像效果,并对精密微动平台进行了运动学分析。为了提高超分辨成像效果,将微球透镜浸没于液体介质中,并对在液体中运动的微球透镜进行力学分析。通过实验,清晰分辨出130nm(~λ/4)的蓝光光碟条纹间隙,证明了微球透镜具有超分辨成像能力,结果表明,微球透镜可以在传统光学显微镜的基础上进一步提高约3.52倍的放大倍数。通过控制微球透镜以5×10~(-6) m/s的速度在液体中按"S"型轨迹移动,实现了对一个视场内样品的超分辨成像,此控制方法可以精确控制微球透镜的运动,通过扫描的方式可以扩大微球透镜的观测范围,提高观测速度。     

电磁驱动微小型机器人控制系统的研究

介绍了一种新研制的电磁驱动微小型机器人的原理和控制系统,阐述了如何通过计算机来控制微机器人的运动参数,对数据进行采集分析,并较好地实现了人机通信。该系统主控制器是一台内插PC-6315模入模出接口卡的计算机,用来产生驱动机器人的波形信号,并同时对运动参数进行采集分析处理,实时改变驱动信号以达到最优控制。     

多材料按需微滴喷射系统设计与实验研究

为满足微电子制造、封装领域中不同性质材料按需精确分配的需求,提出了一种由多微滴喷射单元构成的多材料按需微滴喷射系统。该系统的微滴产生模块由用于低黏度流体材料的气动膜片式微滴喷射单元、用于熔融金属流体的压电活塞式微滴喷射单元和用于高黏度流体的机械阀式微滴喷射单元组成。同时由数字相机、模拟相机+图像采集卡构成的图像采集系统,实现液滴沉积的视觉引导对准定位,以及微滴产生过程的图像采集。利用该系统,进行水基混合物、金属焊料和环氧树脂胶的微滴喷射实验,分析了不同黏度对液体微滴喷射过程的影响,实现了金属焊料的微滴喷射,获得了平均直径为70.5μm的焊球及焊球阵列,其直径偏差小于2%。同时也获得了平均直径为0.6 mm的环氧树脂胶点阵列,其直径偏差小于4%。实验结果表明:该系统可用于包括高黏度环氧树脂胶、金属焊料等在内的多种不同黏度的材料,实现微米级微滴的按需喷射。     

等离子高分子导电薄膜的微型机器鱼图像分析

ICPF是能够被1.5 V低电压驱动的等离子高分子导电薄膜,具有质量轻、响应速度快的特点。用长21.6 mm、宽4.6 mm、厚0.2 mm的ICPF薄膜驱动的微型机器人能够以3 mm/s的速度在水中运动。为了对其运动姿态进行检测和控制,设计了微型机器人的图像处理系统,此系统由CCD摄像机、图像接口卡、计算机和波形发生器组成。通过CCD摄像机获取机器人的运动图像序列;利用目标短时相似性,对每一帧图像进行色调自动阈值分割和边缘提取得到目标二值图像;采用改进的Hough圆变换计算出目标在图像中的位置和运动方向。最后,根据目标的位置和运动方向,通过波形发生器,改变ICPF两端的电压和频率来实现对机器鱼姿态的控制。本系统在Pentium 4 2.8 G内存1 G的电脑上,处理一张图片需52 ms,可以实现对机器人的实时检测、跟踪和控制。     

360°高阶非球面反射式全景镜头设计

为了简化系统配置、提高图像采集及处理效率,实现单一光学系统环视高清全景成像,依据折反射式光学系统的工作原理,设计了高阶非球面反射式360°全景镜头,并对光学结构和系统像质进行优化设计。该相机采用高阶非球面反射镜压缩视场角,将垂直光轴方向俯仰角从-55°到20°的环视目标光引入到系统,接着,在后续光路中利用玻璃透镜组对目标光进行接收,并使其聚焦于相机靶面,获得物体的环形全景图像。通过对系统像质的优化,得到高清的360°环视全景图像,并对光学系统的主要性能指标进行了分析。所设计的360°全景镜头采用1片高阶非球面反射镜和10片玻璃球面镜组成,系统的焦距为0.4mm,光圈数为2.2,俯仰角达到75°,像方全视场在150lp/mm处的光学传递函数值均大于0.3。该360°全景镜头采用单一光学系统成像,解决了传统拼接式全景镜头图像采集与图像处理效率低的问题,同时通过简化系统结构,使该产品符合成本低、可量产的要求。     

基于机器视觉系统的颜色识别

应用NI公司应用程序开发平台labVIEW,通过编写程序建立虚拟仪器系统并组建简单的外部硬件设备系统,实现了对图像的采集和处理,可以识别出不同颜色的物体,以及计算出该物体的面积,中心坐标等物理参数。我们可以利用这些参数作为下位机的控制信号,为后续物体的筛选和分级做好准备。经实验证明,采用该机器视觉技术是能准确实现番茄色选的,并得到番茄的物理参数,为后续系统开发研究提供了重要依据,也为机器视觉技术的广泛工程应用提供了重要理论支持。     

基于圆环磁体阵列的线型零磁场系统研究

磁性粒子成像是一种新型示踪剂成像技术,该技术利用磁性粒子在零磁场中的非线性磁化特性对被测物进行成像,其中零磁场的精细度决定其空间分辨率,而零磁场的精细度由空间磁场梯度决定。为了提高空间分辨率,设计了能产生大磁场梯度的静磁场结构,将其与驱动结构组合成线型零磁场系统。首先设计了基于圆环磁体阵列的静磁场结构,利用大梯度的静磁场构造精细线型零磁场;其次设计了基于亥姆霍兹线圈的驱动结构及其驱动方式,确定线型零磁场扫描范围与驱动电流之间的关系;最后计算线型零磁场系统的空间分辨率,研究磁场梯度、粒子粒径与空间分辨率之间的规律性。实验结果表明:基于圆环磁体阵列的静磁场结构产生的磁场梯度为4.804 T/m,当使用30 nm磁性粒子作为示踪剂时,系统的空间分辨率为0.540 mm,此时线型零磁场能在30 mm的范围内对被测物进行平移扫描。证明了基于圆环磁体阵列的线型零磁场系统用于提高磁性粒子成像分辨率的可行性。     

面向对象的通用图象处理系统的体系结构研究

在面向对象技术的基础上本文提出一个通用图象处理系统的体系结构。它基于通用图象处理系统的基本功能来组织对象,以图象数据对象为核心构建系统框架。基于文档-视图结构,使用VisualC 实现了通用图象处理系统的一个原型系统,该原型系统由图象文件操作模块、图象预处理模块、图象处理模块、人工调整模块、结果输出模块等五个模块组成。对体系结构的模型分析与原型系统的测试表明,该体系结构对图象处理系统的设计开发是非常有效的。     

基于图像处理的自动变焦人眼跟踪系统

在视觉人机交互中,为实现光学系统成像放大率不变,采用电动变焦镜头,基于图像处理跟踪人眼特征信息,自动变焦实现图像大小不变。系统以PC机为上位机对眼部图像处理,采用单片机为下位机对变焦镜头驱动控制,两者之间以串口通信。实验结果表明系统能根据人眼图像大小对变焦物镜作实时闭环控制,系统在400mm～1000mm距离内实现了连续变焦,距离分辨力为120mm。     

False Alarm Rate Reduction in the Interpretation of Acoustic to Seismic Landmine Data using Mathematical Morphology and the Wavelet Transform

This paper presents a new technique for false alarm rate reduction to improve the performance of automatic object detection systems that operate on digital images. The proposed technique is applied to the images obtained by a Laser Doppler Vibrometer (LDV) based acoustic to seismic (A/S) system. This technique is based on morphological image processing and the discrete wavelet transform (DWT) of the image data. It begins with a color image transformation to obtain a grayscale image and then a closing operation that enhances the larger objects in the image. After that, the DWT is applied to the closed image. The decimation effect of this DWT helps in the removal of small clutter objects the image. The approximation component resulting from the DWT is used in the detection process. Results from the proposed technique are compared to those obtained using traditional detection techniques.     

基于摄像法测量弹丸的空间炸点位置

为了测量了近炸引信对空中目标引炸的炸点位置,提出了采用基于定目标为参照的双面阵相机交汇摄像法来获取高空弹丸炸点三维坐标参数.根据试验测试要求,分析了相机交汇摄像原理与方法,建立了弹丸炸点三维坐标位置计算模型;利用交汇相机的空间几何关系、图像处理技术与模拟目标实际尺寸,研究弹丸炸点相对模拟目标的空间三维坐标算法,并分析了坐标参数修正方法;利用微分法对参数进行误差分析.分析计算显示,坐标误差均小于40 mm;实弹试验和图像处理显示,相机交汇摄像法可以获得弹丸炸点三维坐标.对四光幕法与摄像法的对比表明,两种方法在高低方向所测数值平均差为0.158m,左右方向数值平均差为0.114m.     

基于图像识别的温室自动灌溉水车系统

研究了温室内灌溉对象的实时采集和识别技术,以及图像处理与分析软件系统的开发.建立了基于图像识别的自动灌溉水车系统,对信号采集、图像处理、数据传输交换等主要问题作了较深入的研究.提出了基于色彩因子的图像分割算法,和传统方法相比,在不影响分割效果的同时大大提高了图像分割处理的实时性和准确性.试验结果表明,该系统运行良好,具有广阔的应用前景.     

Analog enhancement of videomicroscope images

A simple, inexpensive technique for enhancing the contrast and resolution of videomicroscope images has been developed. The system has manual controls for gain and pedestal (black level) which permit expansion of low contrast images to the full white-to-black video range. Analog delay-line based circuits are used to sharpen the edges and enhance fine details in the image. These circuits also produce an effective increase in the information content of the image by selectively amplifying low amplitude, high frequency components of the video signal. When live, unstained cells were examined at high magnifications, cytoplasmic structures which were only faintly visible in the unenhanced image became clear. The images of fluorescent objects appear in pseudo-relief, which improves visibility even in the presence of background fluorescence. The system enhances images by performing signal processing functions that otherwise require expensive digital image processing equipment.     

使用感应电荷位敏阳极的极紫外单光子计数成像系统

研制了用于月基极紫外成像相机的二维极紫外位敏阳极光子计数成像探测器原型样机,该探测器系统主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板堆、楔条形感应位敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。设计和制备了周期为1.5mm,有效直径为47 mm的三电极楔条形位敏阳极,研制了最高计数率为200 kHz的前端模拟和数字电路。测量了探测器的暗计数率、脉冲高度分布、增益、线性及空间分辨率等工作特性。测量结果表明,探测器的空间分辨率为7.13 lp/mm(即0.14 mm),满足月基极紫外相机对空间分辨率的要求。