快照式光谱光场成像技术

针对快照式多维成像系统难以实现高维成像的问题,本文提出了一种快照式光谱光场成像方法,使用单个探测器实现了对目标场景光谱光场信息的快速获取.该方法将聚焦光场成像结构引入到快照式超光谱成像傅里叶变换光谱仪中,首先获取混叠了目标场景光场信息和干涉信息的原始图像,然后使用基于卷积神经网络的信息重建算法,将光场信息和干涉信息从原...     

三维误差的分解与重建

在分析小波变换理论的基础上 ,提出采用小波变换方法对三维误差进行去噪处理和三维误差的重建 ,获得剔除随机误差和高频误差的周期性三维误差 ,实现有用信息的提取 ,从而为误差的分离和可补偿研究提供补偿依据。     

结合视差补偿与3D数据处理的盲光场图像质量评价

与传统的2D图像相比,光场图像记录了场景中光线的强度和方向信息,在多媒体技术应用领域中占据着重要的地位。但在光场图像的产生、传输等处理过程中会不可避免地引入失真,影响用户视觉体验,因而需构建有效、准确的光场图像质量评价方法对其进行评估。本文基于光场图像的伪视频和极平面图像提出了结合视差补偿与3D数据处理的盲光场图像质量评价方法。首先,采用视差补偿模块处理光场图像伪视频序列,然后对经过视差补偿后的伪视频序列进行三维离散小波变换以及三维去均值对比度归一化处理,并提取频域和空域特征。同时,在极平面图像上提取方向梯度直方图特征表征其角度信息的失真。最后,运用支持向量机建立图像质量评价指标到主观质量得分的回归模型。所提算法在公开数据库NBU-LF1.0,Win5-LID和SHU上的PLCC分别达到0.886 1,0.928 7和0.976 9,实验结果表明,与经典的二维图像质量评价方法以及先进的光场图像质量评价方法相比,本文方法与主观质量评价结果的一致性更高。     

单像素复振幅成像及实验分析

光场的光强信息和相位信息成像在医学、光学测量、三维成像等领域至关重要。设计了一种无需参考光束即可实现光场复振幅成像的单像素成像系统。该成像系统通过相位型光学掩模对光场信息进行调制,利用无分辨率的光电探测器探测调制后的光强信息,应用phaselift算法恢复光场的光强与相位信息。利用单像素成像系统对衍射光场及透明聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜物体进行了成像实验,从成像结果中可以清晰看到衍射环的光强信息与相位信息。实验中物体薄膜的相位差为0.053,刻线宽度为220 μm,实验得到图像相位差为0.046和刻线宽度为256 μm,与传统检测手段得到的图像信息非常接近。该系统的成像光路无需参考光束,系统简单便于集成,促进了便携式成像系统的发展,可应用于宽光谱成像,在光场复振幅成像方面具有较大发展潜力。     

融合3D对极平面图像的光场角度超分辨重建

针对光场成像中因硬件限制而造成的光场图像角度分辨率低的问题，提出一种融合3D对极平面图像的光场角度超分辨重建方法。该方法首先将输入图像按不同的视差方向排列分别进行特征提取，以充分利用输入图像的视差信息，提高深度估计的准确性。利用深度图将输入图像映射到新视角位置，生成初始合成光场。为了使重建光场图像能够保持更好的细节信息及几何一致性，先通过水平3D对极平面图像融合重建分支和垂直3D对极平面图像融合重建分支，分别对初始合成光场进行水平融合重建和垂直融合重建，再将两个结果进行混合重建，生成最终的高角度分辨率光场图像。实验结果表明：相比于现有方法，本文方法在合成光场数据集和真实光场数据集上的重建效果均得到了提高，峰值信噪比的提升幅度最高达1.99%，有效地提高了重建光场的质量。     

基于目标特征尺寸的可视化被动测距系统

为克服传统光电被动测距系统稳定性差、远距离条件下测距精度收敛性差、系统难以小型化等不足,本文提出一种基于目标特征尺寸的可视化光电被动测距系统。建立了被动测距模型并分析测距原理,从理论上分析获得距离反演公式和测距误差精度;设计了被动测距算法并分析相关成像参数获取途径和方法;通过高清成像器、半导体激光器和信号处理器等软硬件设计,实现了系统的可视化被动测距功能和全天候图像信息获取;最后通过目标特征尺寸及其成像系统参数反演目标距离,实现了在成像过程中实时测距并进行被动测距实验验证。实验结果表明,被动测距精度优于10%,当前软硬件参数配置下,目标的测距距离大于1km,测距鲁棒性好,性能稳定,可广泛应用于全天候目标图像信息获取和光电被动测距的实际工程实践中。     

基于Contourlet变换的阴影恢复形貌方法及产品表面缺陷检测应用

为实现对物体表面三维深度缺陷检测,提出一种基于Contourlet变换的明暗恢复形状算法来解决三维物体表面重建问题。针对在传统的明暗恢复形状方法重建过程中出现的计算收敛速度较慢的问题,从图像多尺度几何分析的角度进行研究,利用Contourlet变换系数来表达图像,用基系数近似的计算微分算子,从而优化目标函数的求解过程。试验结果表明使用Contourlet系数的SFS算法比传统和小波系数的算法获得更优的迭代步长,可以使得计算过程中的误差项下降到较低的水平,从而获得更准确的三维信息。检测所使用的三维形状恢复方法只需要根据单幅测量图像,就可实现对零件三维缺陷的检测。     

条纹投影三维形貌测量的变分模态分解相位提取

针对条纹投影三维形貌测量涉及的相位提取,提出了一种基于变分模态分解的单幅条纹投影相位提取方法。通过建立变分模态分解模型和极小化变分模态分解将单幅投影条纹图分解成背景部分、条纹部分和噪声部分。然后对得到条纹部分进行Hilbert变换和反正切变换得到包裹相位;对其进行质量导向相位解包裹和Zernike多项式去载频得到解包裹相位。将该方法与Fourier变换、连续小波变换进行了对比,结果显示:本文提出的相位提取方法相位误差为3.14×10-4,小于Fourier变换和连续小波变换方法对应的误差3.30×10-4和6.52×10-4。模拟和实验结果表明:本文提出的方法在处理具有边缘信息投影条纹图时具有优势,能够提取出更准确的相位信息,可有效地用于含边缘不连续和突起的三维物体测量。     

三维机器视觉测量系统的坐标计算模型研究

分析了单摄像机成像原理和激光三角测距原理,建立了三维机器视觉测量系统的原理模型,给出了根据单幅二维数字图像计算检测目标三维坐标信息的具体方法,为三维机器视觉系统研制开发奠定了理论和算法基础。     

用于目标测距的单目视觉测量方法

为了克服对应点匹配和单个特征点提取误差对测量结果的影响,本文在基于图像处理的基础上,提出了一种基于特征点的单目视觉测距方法.首先利用小孔成像原理,得出成像点与目标点的映射关系,建立小孔成像模型.然后通过对目标图像的分析,得出目标物与目标图像的面积映射关系,建立视觉测量的直线测距模型;通过图像处理,提取目标图像的特征点,...     

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.     

成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法研究

在中医舌诊的客观化研究中,舌面的彩色三维数据能为医生提供更全面的信息,提高诊断的准确性。提出了一种基于成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法。在成像光线追踪模型的基础上,引入光平面约束,以准确确定成像点到空间测量点的映射,结合2个线结构光传感器的扫描测量,分别获取舌头上表面及下表面完整的三维信息,并根据空间测量点到成像点的映射,完成颜色渲染,获取对应测量空间点的颜色信息。设计并研制了舌面彩色三维成像系统,进行了测量及精度验证实验,实验结果表明该方法可以准确获取舌面的彩色三维信息。     

线结构光扫描测头结构参数优化设计

线结构光扫描测头在逆向工程中应用广泛,其测量精度对3D重建可靠性有重要影响。本文建立了基于光学三角法的线结构光扫描测头数学模型,由坐标转换和透视成像原理实现二维像素坐标与三维世界坐标间转换。分析了线结构光扫描测头结构参数对测量精度的影响,推导出测量误差模型。分析了漫反射光强度变化对结构参数的影响,结合实际设计需要给出边界约束条件,并仿真实现结构参数优化设计,误差低于0.02mm。     

动态电容层析成像图像重建算法

提出了融合ECT测量信息和被测对象动态演化信息的新型图像重建模型;基于Tikhonov正则化方法,建立一个同时考虑了ECT测量信息、被测对象动态演化信息、时间与空间约束的新型图像重建目标泛涵,将图像重建问题转化为最优化问题;提出了集成分裂Bregman迭代法优势的新型算法求解该目标泛涵。数值仿真结果表明,所提出的图像重建算法其图像重建质量均优于OIOR算法、STR算法及PLI算法;同时由于所提出的图像重建算法同时考虑了测量数据和重建模型的不精确性,其抵抗测量噪声的能力得以提高。     

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。     

基于阵列图像的自适应光场三维重建算法研究

针对现有光场图像获取困难,深度重建过程中遮挡以及亮度变化较大区域匹配效果差、稳健性低等问题,提出了基于单反相机的光场图像获取方法以及EPI自适应三维重建算法。在图像预处理阶段,该算法利用双边滤波器对EPI进行去噪,并通过交叉检测模型求得边缘区域。在边缘深度求解以及深度扩散阶段,算法在先验似然策略的基础上,提出EPI自适应框架,通过最大类间方差(OSTU)准则自动设定阈值,舍弃类外点,使距离度量只发生在类内点之间,因此极大地消除了遮挡以及光照变化的影响,提高了边缘深度和内部深度估计的准确性和稳健性。实验结果表明,所提出的系统可以方便地获取阵列图像,成本低、操作方便,且提出的算法能较好地估计场景的深度信息,并实现场景的三维重建,比以往算法在精度上有较大提高。     

基于激光扫描的密集泡状流三维重建与优化

为测量密集气液泡状流的流动形态及参数,建立了基于激光扫描的三维可视化测量系统。采用片状激光结合旋转正多边形棱镜实现对流场的光学扫描,高速摄像机采集扫描切片图像,首先对图像进行预处理。针对扫描成像中产生的切片重复曝光问题,提出二阶微分平均卷积优化算法,该方法不仅可以有效提取多切片图像中重复曝光的特征点,而且可以去除冗余及噪声信息。实验结果表明,针对分散相遮挡的密集泡状流,基于激光扫描可完整重建其三维结构,二阶微分优化算法可以有效降低重建畸变影响,重建后体积含气率的相对误差优于6%。激光扫描方法非侵入、重建精度高,具有传统方法不可比拟的优势。     

基于改进ECT的隔热材料胶层无损检测研究

电容层析成像(ECT)技术是能显示被测物场的二维或三维介质分布图像的实时检测技术,基于平面阵列传感器的ECT系统为陶瓷多孔隔热材料缺陷检测提供一种新的技术途径。本文针对陶瓷多孔隔热材料粘结胶层的缺陷无损检测问题,提出了一种基于改进的电容层析成像方法。首先在分析平面阵列传感器ECT检测系统模型及成像原理的基础上,提出了一种改进初值的Landwebe迭代图像重建算法;进一步将该算法应用到基材表层与隔热材料之间的粘结胶层的缺陷检测领域,并通过实验验证了采用基于改进ECT的无损检测方法在陶瓷多孔隔热材料粘结胶层缺陷检测中应用的有效性;同时与采用传统ECT成像算法的检测实验进行比较。结果表明本文提出的改进ECT算法对胶层缺陷图像重建质量具有较大幅度的提高。     

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。