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。     

多视角沙姆成像的高精度结构光三维测量方法

传统结构光测量方法在测量高反射率和复杂结构表面存在诸多挑战,且测量精度受到测量视场的限制。本文提出了一种基于结构光投影和多视角沙姆成像的高精度标定及三维测量方法,充分利用系统的景深范围。提出结构光多目视觉测量模型,将投影仪坐标系作为系统测量坐标系,通过建立“三维点-投影图像点-4个相机图像点”的对应关系对系统进行一体化标定,然后利用多视图几何成像约束,通过计算最小二乘解融合多个视角的观测信息,提高三维数据的计算精度。实验结果表明,所提方法和系统可以对高反射率和遮挡表面进行准确测量,测量精度达到5μm,大大优于传统结构光测量方法。     

运用光线追迹算法的非均匀温度梯度成像畸变校正

针对视觉测量原理应用于高温度梯度环境所产生的成像畸变问题,本文研究了将空间点发出的光抽象为光线,通过修正光线的传播路径,来研究光学系统成像的光线追迹算法,并运用该算法对图像畸变进行校正,与角点检测方法得到的实际误差进行了对比验证。实验结果显示,运用光线追迹算法对热源干扰下造成畸变图像进行校正的方法是可行的,实现了对图像畸变的误差补偿,并能得到较准确的校正后图像。     

基于彩色条纹投影术的三维形貌测量

物体表面三维形貌数据的获取在智能制造、航空航天、文物保护、医疗卫生、远程教育等领域有着广泛的应用。三维形貌数据的获取受限于系统硬件的性能,特别是现有数字投影系统的投影速度,无法快速测得物体面形的三维形貌。彩色成像和投影系统的出现,为并行多颜色通道三维成像系统提供了新的研究方向。详细综述了基于彩色条纹投影术的三维形貌数据测量研究的现状。具体包括彩色条纹投影术的基本原理、彩色条纹调制和解调相关技术、三维成像系统的标定、以及未来的研究方向。接着给出几个利用彩色条纹投影术获取物体表面三维形貌和彩色纹理的实例。为彩色条纹投影术测量物体表面三维形貌数据提供了详尽的综述,并指明了未来潜在的研究新方向。     

双振镜点扫描三维形貌测量系统

针对远距离大尺寸物体三维形貌测量的要求,设计并实现了基于激光三角法原理的双振镜点扫描三维形貌测量系统。介绍了系统的结构和测量原理,并对系统进行建模,推导了被测物体表面测量点的三维坐标计算公式。构建了原型系统,利用专用的二维平面靶标在测量空间内自由摆放数次,根据靶标上特征点及其像点间的位置关系,以坐标系转换为基础实现了测量系统结构参数的现场标定。利用李萨如图扫描模式分别对靶标平面、已知直径的球面及石膏像自由曲面进行了测量实验。结果表明,测量距离1m处,测量点到拟合平面的距离误差均值为0.70mm,球面直径测量误差均值为0.51mm;测量距离10m处,测量点到拟合平面的距离误差均值为17.85mm。该系统可用于远距离大尺寸物体表面的三维形貌测量。     

近景摄影测量技术在钢轨检测中的应用研究

为解决手工检测工具效率低、检测结果不便于数字化管理和工作强度大等弊端,将非接触式近景摄影测量技术与三维结构光检测相结合,提出一种准确获取钢轨的三维点云数据,进而得到钢轨表面轮廓参数的有效手段.使用近景摄影测量技术获取标志点的空间位置,以此作为点云扫描的全局拼接点;利用三维结构光扫描仪获取钢轨的点云数据,从而获取钢轨表面轮廓参数;对比研究近景摄影测量技术对检测结果与测量精度的影响.铁路现场试验表明:该方法的测量精度可达0.08 mm,可实现对钢轨表面轮廓参数的精确测量.     

基于彩色图像的结构光重构三维表面颜色渲染

许多行业已不仅需要获取物体的三维形貌信息,还需要获取物体的颜色信息,因此表面颜色渲染技术受到了广泛关注。但在直接赋颜色的过程中,存在由于被测表面几何特性不同而带来的误差。为了反映被测表面的几何特性变化,本文将被测表面分解为若干子单元,因此被测表面几何特性的变化即可视为各子单元与投影仪以及摄像机之间相对位置的变化。在此基础上建立了上述位置关系的数学模型,分析了各子单元的斜率变化与其入射、反射光强的关系,结合这种关系对颜色的影响,并从消除入射光、反射光的影响给颜色渲染的误差出发,给出了子单元选取准则,从而提出一种不受入射、反射光强影响的颜色渲染方法。利用结构光三维测量系统得到的三维测量数据,进行了颜色渲染仿真实验和物理实验,结果表明：被测表面各局部位置的入射、反射光强得到了统一的修正,经过渲染后的被测表面颜色信息与其真实颜色基本吻合,变换测量角度仍能获得良好的视觉效果。     

基于线结构光的水下旋转扫描高精度测量方法研究

随着海洋工程领域的不断发展，如何高精度地获取水下物体的三维点云具有重要学术和应用价值。由于光在不同介质中传播会引起光路的变化，导致水下线结构光视觉测量获得的点云受折射畸变影响，精度降低。针对上述问题，设计了一种基于线结构光的水下旋转扫描测量系统。提出了一种轴眼标定算法，能够将多视角水下点云配准到统一坐标系中。提出了一种引人折射补偿的水下相机成像模型，该模型可准确的描述激光在不同介质间传播过程中的光路，基于水下激光平面方程的约束，对水下点云进行折射校正，提高了水下点云的重建精度。水下测量实验结果表明，提出的高精度测量方法能够获得水下物体的三维点云信息，可测量水下目标的尺寸信息，距离目标30~80cm 时测量精度达到0.2mm，满足了水下目标三维高精度测量要求，     

三维人脸表情动态采集系统的设计

针对3D动画设计对人脸表情动态变化的三维数据信息的需求,设计了人脸表情动态采集系统.首先,采用标记光栅和空间映射法构建了人脸测量模型;设计了标记光栅图,并给出了利用相位图获取特征矩形的方法.然后,通过光栅上的特征矩形位置信息将测量得到的相对相位转化为绝对相位,再利用空间映射法获取三维坐标点信息.最后,进行了精度验证和人...     

基于DLP数字微镜的结构光三维扫描系统

为了提高现代化生产中的效率和满足三维扫描的需求,设计了一种能够准确提取物件表面三维轮廓信息的扫描系统。系统采用结构光三维成像方法,先通过普通白光将光栅投影到被测物体表面,利用工业相机采集变形光栅图,再根据变形光栅图像中的灰度值变化,用傅里叶变换轮廓法解调出三维坐标信息。实验结果表明,使用傅里叶变换轮廓法重构可获得效果理想的三维点云,其为三维轮廓扫描提供了实验方法,同时也为提高点云精度提供参考。     

水下双目立体视觉对应点匹配与三维重建方法研究

针对水下双目立体视觉成像稠密立体匹配因不满足空气中极线约束问题,提出一种水下对应点匹配与三维测量方法,可将水下双目相机采集的立体图像校正为符合共面行对齐原则的图像对,再套用空气中成熟的立体匹配方法得到水下左右相机图像视差图,从而实现水下目标的三维重建。首先,将进入相机的所有光线总和看成光场,采用四维光场参数表达对每一条光线建模,据此建立相机的折射成像模型和双目立体视觉模型并计算光线的方向向量;根据光线的光场表达将光线转化为点矢量的形式,计算方向图像上任意像点对应原图像的像素坐标并确定位置映射关系。通过插值即可快速得到符合行对齐原则的左、右方向图像,并最终获得每条光线对应的视差图。仿真结果表明,方向图像的行对齐误差小于0.8 pixel。水池实验采用事先标定的靶球作为目标物,利用随机散点主动投射以增加目标物表面的纹理信息,对靶球多次测量的均方根误差为2.8 mm,具有较高的测量精度。     

A light field measurement system through PSF estimation by a morphology-based method

Light field imaging technology can obtain three-dimensional (3D) information of a test surface in a single exposure. Traditional light field reconstruction algorithms not only take a long time to trace back to the original image, but also require the exact parameters of the light field system, such as the position and posture of a microlens array (MLA), which will cause errors in the reconstructed image if these parameters cannot be precisely obtained. This paper proposes a reconstruction algorithm for light field imaging based on the point spread function (PSF), which does not require prior knowledge of the system. The accurate PSF derivation process of a light field system is presented, and modeling and simulation were conducted to obtain the relationship between the spatial distribution characteristics and the PSF of the light field system. A morphology-based method is proposed to analyze the overlapping area of the subimages of light field images to identify the accurate spatial location of the MLA used in the system, which is thereafter used to accurately refocus light field imaging. A light field system is built to verify the algorithm's effectiveness. Experimental results show that the measurement accuracy is increased over 41.0％compared with the traditional method by measuring a step standard. The accuracy of parameters is also improved through a microstructure measurement with a peak-to-valley value of 25.4％and root mean square value of 23.5％improvement. This further validates that the algorithm can effectively improve the refocusing efficiency and the accuracy of the light field imaging results with the superiority of refocusing light field imaging without prior knowledge of the system. The proposed method provides a new solution for fast and accurate 3D measurement based on a light field.     

基于光场成像的三维测量方法的研究

光场有别于传统图像,不仅具有位置信息而且包含方向信息,为空间场景重建提供了可能。首先对光场成像技术进行光场变换建模,建立了像素光场模型,并提出光场变换准则,为光场重聚焦奠定基础。然后借鉴传统的对焦测距思想,建立了光场三维测量的方法,选择合适光场数据的清晰度评价函数评价成像质量,提出三角质心插值方法优化光场重建质量。最后,对光场三维测量系统进行了标定,建立像面误差补偿算法。实验表明,测量范围10~120 cm时,测距误差小于5%。     

可见光通信与双目视觉的室内定位

提出一种基于可见光通信与双目视觉测量的高精度室内定位方法,旨在为室内移动机器人提供一种精度高、成本低、不易受干扰的室内定位方案。该方法利用双目视觉传感器对LED光源进行成像测量,利用惯性测量单元传感器记录成像测量的三维姿态角,并通过可见光通信技术获取LED光源的坐标信息,最终计算双目视觉传感器相对于LED光源的三维坐标。根据该方法研制了一款基于可见光通信与成像的定位模块,该模块可以利用单个或两个LED光源进行成像定位。当定位模块采用1280×720分辨率的图像时,在2 m×2 m×3 m室内环境中可实现厘米级移动定位,定位频率大于5 Hz;当利用两个相距60 cm的LED光源进行定位时,在三维方向上的定位误差均小于5 cm,同时能够提供小于1.4°的定向纠正。该方法可以为室内移动机器人提供厘米级定位导航服务。     

基于成像提取的RCS精确测量方法研究

高精度雷达散射截面(RCS)测量对背景环境具有较高要求,当背景环境存在较强干扰时,通过背景矢量对消难以消除杂波影响。提出基于成像提取的高精度RCS测量方法,从背景杂波中分离和提取出目标的散射信号,从而提高了测量的精度。首先推导了像与RCS的数学关系,然后利用转台模式下的测量回波进行成像处理,得到目标区域的二维像;从成像区域中提取目标的二维像,通过波谱变换和定标获得目标的RCS。仿真结果表明,该方法对于具有干扰情况下的RCS测量,可以改善3~5 d B的测试精度,并且能够对弱散射目标进行测量。实验结果表明了成像提取方法的有效性和准确性。     

接触式交互感知的人体三维坐姿姿态估计

针对视觉姿态估计方法受覆盖遮挡等干扰,提出一种基于座椅面压力图像的人体三维坐姿姿态估计方法,建立坐姿时 座椅面体压分布与人体三维姿态之间的跨域联系。 设计了一套基于压力-视觉的坐姿训练系统,将阵列式压力传感器嵌入在座 椅面中感知坐姿变换,利用时间戳实现压力图像和双目视觉图像的同步匹配。 采取双边滤波消除压力图像的尖峰噪声;依靠 OpenPose 姿态估计、三角测量等手段从双目视觉图像中提出 19 个三维关键点;为提高姿态估计精度,提出随机梯度下降最小化 损失函数的方法来优化三维关键点坐标,并利用 3D 高斯滤波器进一步生成 3D 关键点置信度图。 设计一个基于多层卷积神经 网络的压力-视觉跨域深度学习模型,以连续的多帧压力图像作为模型输入,包含三维关键点坐标及其置信度图的 3D 姿态估计 结果作为监督对模型进行训练。 算法依靠椅面上的阵列传感器接触感知坐姿时的压力分布,就能够准确的估计包含 19 个人体 关键点的三维坐姿姿态,在验证集上测试,19 个关键点平均误差 9. 7 cm。     

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。     

Attitude measurement based on imaging ray tracking model and orthographic projection with iteration algorithm

In the field of vision-based attitude estimation, camera model and attitude solving algorithm are the key technologies, which determine the measurement accuracy, effectiveness and applicability. Aiming at this issue, in this paper we probe into the generic imaging model and then develop a corresponding generic camera calibration method using two auxiliary calibration planes. The camera model is named as imaging ray tracking model. Based on the imaging ray tracking camera model and with the knowledge of the calibration parameters, an advanced attitude solving algorithm, imaging ray tracking model and attitude from orthographic projection with iterations algorithm, is deeply investigated, which is inspired by the classical POSIT algorithm. The initial attitude value is provided by the orthographic projection of the object on the two calibration planes and then refined by iteration to approximate the true object attitude. Experimental platform is setup to conduct the imaging ray tracking camera calibration procedure and further evaluate our attitude estimation algorithm. We show the effectiveness and superiority of our proposed attitude estimation algorithm by thorough testing on real-data and by comparison with the POSIT algorithm.