双目视觉风洞测量系统实现的关键技术研究

为了实现高温风洞内防热材料动态烧蚀变形的高精度测量,设计了由主动投射线结构激光、移动高速相机平台和同步控制系统组成的双目同步采集测量软硬件系统。重点研究了对双目视觉测量系统精度和速度影响重大的相机标定、相机同步、图像纹理特征匹配等一系列关键问题。提出了工程上实用的标定方法和准则;基于线结构光主动投射和高速相机,将传统图像幅面特征匹配约束到特征线匹配上来,降低了匹配难度;使用局部搜索改进了传统灰度重心法,不仅加快了线结构光光条中心线的提取速度,同时过滤了部分杂光干扰,提升了图像质量。基于上述方法实现的高速同步触发的双目测量系统目前实现了对常温物体的精确测量,在工况为：待测物距为1 200 mm-1 500 mm,扫描幅面为200mm×200 mm,扫描间隔精度为1 mm时,完成一次扫描用时1 s,距离精度为±1 mm,且残差呈正态分布。     

基于标志点的三维点云自动拼接技术

为实现三维点云的自动拼接,提出一种标志点的三维点云自动拼接方法.根据标志点的空间特征不变性,匹配3个标志点,利用三点法求取坐标变换矩阵,对目标标志点集合进行坐标变换;采用k-d树搜索最接近标志点,设置距离阈值排除错误标志点对,通过哈希表替换坐标变换后的标志点;运用最小二乘法求解点云的变换矩阵,进行点云拼接.三维拼接实验结果表明,该方法拼接精度高、错误率低,能够实现快速、自动拼接.     

基于十字模板的特征点匹配方法

针对传统模板匹配中矩形模板计算量大、容易造成误匹配的问题,对矩形模板进行改进,提出了十字模板匹配算法;对待匹配的两幅图像进行边缘提取,结合两幅图像的灰度图像获得灰度边缘图像,并利用十字模板匹配方法匹配选定的模板区域;最终在连续性约束的条件下,利用欧氏距离完成特征点匹配。对比实验结果表明十字模板匹配速度快,准确度高;基于十字模板的特征点匹配方法简单可靠,具有一定的实用性。     

基于改进SIFT算法的双目视觉距离测量

针对视觉传感器距离测量中所使用的图像特征匹配算法精度不高、计算量大、实时性差等问题,提出了一种改进尺度不变特征变换(SIFT)图像特征匹配算法,并应用于双目测距系统当中.改进SIFT算法基于简化尺度构造空间,以曼哈顿距离作为最邻近特征点查询中的相似性度量,提高了算法效率.初次匹配之后与随机采样一致算法(RANSAC)结合,剔除误匹配点;基于精度较高的二次匹配点,提取匹配点像素信息进行距离计算,通过测距试验验证算法的可行性.实验结果表明:提出的方法获取目标距离达到较高精度,满足观测设备要求.     

基于改进BRISK算法的单目视觉里程计

在传统的BRISK算法中使用自定义的抽样模式来描述检测到的特征点,使用基于汉明距离的方法进行特征点匹配。BRISK的这种特征点描述与匹配的方法使得其匹配准确率不高。因此本文提出将匹配准确率较高的SURF算法与BRISK算法相结合,在BRISK特征点描述与匹配阶段使用SURF描述符和基于欧氏距离的匹配方法。实验结果表明,该算法在时间消耗下降不大的情况下,特征点匹配准确率有很大提高,且该算法具有较好的鲁棒性。     

一种改进SOM的双目视觉特征点快速匹配方法

针对未知非结构化室内环境中双目视觉机器人路标特征匹配的问题进行了研究,提出了基于改进自组织映射网络(Self-Organizing Map,SOM)的双目视觉特征点快速匹配方法。对双目视觉获取的环境图像提取SIFT特征向量作为改进SOM的输入,利用获胜者计算技术完成对输入SIFT特征点的快速匹配,SOM竞争学习过程中用街区距离与棋盘距离的线性组合作为相似性度量函数。实验结果表明,所提方法在路标特征匹配的时间和效果上优于传统SIFT和SURF特征匹配的方法,且能满足实时性要求。     

基于DLT的双目视觉火源图像立体匹配新算法

为了提高双目视觉过程中对火源图像立体匹配的准确性和匹配速度,提出基于DLT的双目视觉火源图像立体匹配新算法。首先用直接线性变换DLT算法对火源图像进行图像校正,其次用Harris算法对其进行特征点提取,最后利用SURF算法对提取的特征点进行特征向量及特征向量在多维空间中对应点之间的欧式距离进行计算,得到两个特征点的相似程度并给予正确匹配结果。实验结果表明,该算法提高了火源图像立体匹配的准确性和匹配速度,适用于大空间建筑双目视觉火灾自动定位系统,具有一定的应用价值。     

一种新的立体匹配算法

立体匹配是目前计算机视觉领域中最活跃的研究主题之一,在三维重构、对象识别与分类、图像对齐等应用中,立体匹配都是一个关键步骤.为了能够更精确地对特征点进行匹配,给出了一个新的匹配约束条件:匹配点距离相关性约束,据此提出了一种新的立体匹配算法.该算法独立于特征点的检测算法,首先使用灰度相关法进行初始匹配,然后利用最小中值平方法获得部分正确匹配点集,在此基础上加入匹配点距离相关性约束进行引导匹配,得到最后的匹配点集.实验表明,该算法能够很好地实现特征点的正确匹配.具有很高的使用价值.     

基于粗精立体匹配的双目视觉目标定位方法

针对双目视觉系统定位精度较低的问题,提出一种基于粗-精立体匹配的双目视觉目标定位方法。该方法采用粗-精匹配策略：在粗匹配阶段使用基于Canny-Harris特征点的随机蕨算法对左右图中的目标进行识别,提取目标矩形区域的中心点,实现中心匹配;在精匹配阶段建立一种基于图像梯度信息的二值特征描述子,将中心匹配得到的右中心点作为估计值,设定像素搜索范围,于该区域中找出左中心点的最佳匹配点。最后,将得到的中心点匹配对代入平行双目视觉的数学模型中,实现目标定位。实验结果表明,在500 mm距离范围内,所提出定位方法的定位误差控制在7 mm内,平均相对定位误差为2.53%,相比其他方法具有定位精度高、运行时间短的优点。     

基于SURF特征点的图像配准系统

提出一种基于SURF特征点的图像自动配准方法。首先在图像的尺度空间中提取特征点,然后对特征点进行亚像素定位,并赋予主方向。根据特征点邻域信息分布计算得到特征向量后,利用最近邻特征点距离与次近邻特征点距离之比得到初始匹配点对。然后使用RANSAC算法剔除错误匹配特征点对,同时计算得到图像之间的变换参数。实验结果表明该方法能够实现不同分辨率图像的自动配准。     

双目立体视觉的目标识别与定位

双目立体视觉系统可以实现对目标的识别与定位.此系统包含摄像机标定、图像分割、立体匹配和三维测距4个模块.在摄像机标定部分,提出了基于云台转角的外参数估计方法.该方法可以精确完成摄像头旋转情况下外参的估计,增强了机器人的视觉功能.并利用广茂达机器人系统,基于改进的双目视觉系统进行目标识别与定位,以此结果作为依据控制机器人的手臂进行相应运动,最终实现了对目标物体的抓取,验证了提出方法的可行性.     

基于仿生双目的无人旋翼机自主着陆方法

基于仿生双目理论提出一种仿双眼异向运动的变视轴夹角双目视觉系统,通过对实时采集的目标图像的处理,研究其双目摄像机夹角的在线自标定,实现获取无人旋翼机的实时高度信息。实验结果表明,该方法获得的光轴夹角信息相对误差小于5%,能准确控制双目摄像机的转动,避免由于双目视觉盲区所造成的着陆误差,系统所标定出的旋翼机高度信息也为其安全着陆提供了有力保障。     

基于新型双目机构的立体视觉系统标定

为了获得更大的摄像机视野和更高的系统鲁棒性，研制了一种新型的双目机构；并以此机构为核心搭建了立体视觉系统，之后对整个系统进行了标定．为有效地消除图像的畸变，提出了一种显—隐式畸变校正方法；此方法可以同时校正图像的径向和切向畸变，用最小二乘法即可求解．提出了一种简单而精确的分步旋转法来校准左右图像的极线．实验结果表明，经过显—隐式畸变校正方法和分步旋转法处理的立体图对，可以满足立体匹配的要求．     

基于人工路标和立体视觉的移动机器人自定位

针对室内移动机器人的自定位问题,提出一种基于人工路标和双目视觉的室内移动机器人自定位方法。首先设计了一种可扩展的彩色人工路标,并给出路标的编码方法;然后利用色彩空间变换,直线交比不变性以及自适应窗口实现路标检测与识别;最后在分析双目立体视觉模型的基础上建立起基于路标的双目立体视觉定位模型,实现移动机器人的准确定位。实验结果表明,路标对光照和视觉传感器的采集位置具有较强的鲁棒性,定位精度能够满足室内移动机器人的定位要求。     

双目视觉测量传感器研究

研究了按照激光三角测量原理由 1个线激光器及 2个CCD摄像机组成的双目视觉测量传感器。探讨了 2个CCD摄像机的摆放位置及其对测量精度的影响,确定了其几何参数。在此基础上,论述了其工作过程,包括其标定方法、标定过程、扫描图像采集、特征提取、特征匹配及三维数据生成。该双目视觉测量传感器配合扫描机构(如三坐标测量机 )即可对物体进行非接触式三维激光扫描测量,其测量速度快,精度比较高,可以应用于逆向工程领域。     

立体图像对的生成

获取同一场景的立体图像对是实现双目立体成像的一个关键问题。提出了一种在三维场景已经建好的情况下生成立体图像对的方法。该方法根据双目立体视觉的原理，利用3DS MAX中的摄像机对象对场景中的物体进行坐标变换和透视投影变换，分别生成左眼视图和右眼视图。实验结果表明，两个目标摄像机与三维模型的位置关系以及基线长度是影响立体效果的重要因素，改变目标摄像机与三维模型的位置，可以分别生成正视差、负视差的立体图像对，当AB与CO的比例参数为0.05时，生成的立体图像对的立体效果较佳。     

基于双目立体视觉技术的桥梁裂缝测量系统

针对国内外桥梁裂缝测量效率低、成本高、精度低等现状,提出了一种基于双目立体视觉技术的桥梁裂缝测量系统。采用相机标定、图像匹配、三维坐标计算等双目立体视觉技术对桥梁裂缝的宽度和长度进行计算,实现了桥梁裂缝测量系统。实验通过与单目摄像机用图像处理方法计算的桥梁尺寸结果作对比,表明:对于同一条裂缝的宽度与长度,用所提方法在不同拍摄角度下计算结果差别不大,并且与真实值的相对误差分别保持在10%和1%以内,而同一条件下单目测量系统的计算结果则随着拍摄角度的变化相差很大,宽度测量误差最大达到了19.41%,长度测量误差最大达到了54.35%。说明基于双目立体视觉技术的桥梁裂缝测量系统可以应用于实际中,并且鲁棒性更强,测量结果更精确。     

基于双目视觉的移动机器人空间测距研究

空间测距是移动机器人实时避障和路径规划的基础.研究了移动机器人双目摄像头由一般布置形式变换到标准布置形式进而实现空间测距的方法.首先对摄像头进行标定(对双目摄像头进行立体标定);然后基于标定结果对摄像头一般布置下所获得立体图像进行极线校正,并得到校正后新的摄像机相互位置参数;最后基于已校正图像和新的位置参数实现移动机器人移动过程中深度与特定目标空间尺寸测量.实验结果证实了本文方法能获得比较精确的测量结果.     

双目区域视差快速计算及测距算法

目的 双目测距对水面无人艇自主避障以及视觉侦察具有重要意义,但视觉传感器成像易受光照环境及运动模糊等因素的影响,基于经典Census变换的立体匹配代价计算方法耗时长,且视差获取精度差,影响测距精度。为了提高测距精度并保证算法运行速度,提出一种用于双目测距的快速立体匹配算法。方法 基于传统Census变换,提出一种新的比特串生成方法,在匹配点正方形支持窗口的各边等距各选3个像素点,共选出8个像素点,这8个像素点两两比较生成一个字节的比特串。将左右视场中的匹配点与待匹配点的比特串进行异或,得到两点的汉明距离,在各汉明距离中找到距离最小的像素点作为匹配像素点,两像素点的横坐标差为视差。本文采用区域视差计算的方法,在左右视场确定同一目标区域后进行视差提取和滤波,利用平均视差计算目标的距离。结果 本文算法与基于传统Census变换的立体匹配视差获取方法相比,在运算速度方面优势明显,时间稳定在0.4 s左右,用时仅为传统Census变换算法的1/5。在Middlebury数据集中的图像对teddy和cones上进行的算法运行时间对比实验中,本文基于Census变换改进的算法比已有的基于Census变换的匹配算法在运行时间上快了近20 s。在实际双目测距实验中,采用本文算法在1019 m范围内测距误差在5%以内,根据无人艇的运动特点和避障要求,通过分析可知该算法的测距精度可以满足低速无人艇的避障需求。结论 本文给出的基于改进Census变换的匹配算法在立体匹配速度上有大幅提高,提取目标视差用于测距,实际测距结果表明,本文算法能够满足水面无人艇的视觉避障要求。