受平面折射影响的视觉测量技术研究

针对防爆相机玻璃保护罩因平面折射导致的相机成像偏差对视觉测量的影响,推导出非平行平面折射下的相机模型,并在此基础上提出了基于动态虚拟焦距的折射畸变的校正方法,有效解决了相机光轴与折射面法向量不平行时折射畸变难以校正的问题。实验结果表明：校正后的图像偏差的均方根误差分别下降了68.69%、72.82%,校正后的测量相对误差低于0.5%,校正后相机的定位精度和测量精度均有明显的提高。     

航空变焦距斜视成像几何畸变的自动校正

针对变焦距航空摄像机斜视成像产生的几何变形,提出一种同时校正斜视梯形失真和变焦距镜头非线性畸变的自动校正方法。根据直线透视投影不变性原理,利用单参数除式模型通过变步长优化搜索方法得到不同焦距对应的镜头畸变系数和畸变中心坐标;研究了焦距变化对畸变的影响规律,校正了镜头畸变使其满足针孔成像模型;引入飞机位置、姿态和摄像机视轴指向方位等因素,将航空图像重投影到地图坐标系中,对坐标变换后的像素亮度值进行重采样得到校正斜视变形和镜头畸变后的正射投影图像。对不同焦距和位置姿态下拍摄的地面靶标畸变图像和实际航空变焦距斜视图像进行了校正。结果表明,该方法能够有效准确地校正图像的几何变形,当飞行高度为2 500m时,在文中给定的位置姿态精度下的图像几何校正均方误差约为2m,较好地满足了后续图像拼接需求。该方法效率高,便于自动化实现,对提高图像拼接精度和实现目标精确定位与实时稳定跟踪具有重要意义。     

圆柱曲面透视投影失真的图像校正

针对机器视觉系统中透视投影导致的钢管、桥梁拉索等圆柱表面缺陷测量不准的问题,提出了一种圆柱曲面透视投影失真的图像校正方法。该方法在提取圆柱成像区域、明确横向和轴向方向的基础上,基于圆柱曲面的透视投影特性,将产生的失真分解为轴向变形和横向变形,利用系统成像参数和圆柱半径建立校正图像与原图像的坐标对应关系,通过最邻近插值法进行像素映射实现透视投影失真校正。实验结果表明,该方法对不同直径圆柱的图像均有良好的校正效果,校正后的图像消除了圆柱曲面“近大远小”透视变形和倾斜投影变形;进行棋盘格模拟校正时,6个圆柱棋盘格边长的测量误差从校正前最高的14.9%降低至校正后的1.2%;进行划痕测量时,两种直径的原图像的最大误差分别为78.0%与61.8%,经本文方法校正后,两种直径的最大误差仅为5.9%与5.5%,校正效果显著。     

显微立体视觉小尺度测量系统的标定

结合透视投影模型、非参数化的光学畸变模型以及光束平差算法,提出并实现了一种标定显微立体视觉系统光路的方法。首先,通过光刻方法制作了用于显微立体视觉系统标定的标定参考物,并利用待标定系统采集标定参考物不同方位的图像。然后,基于非参数化的光学畸变模型,采用样条曲面计算得到显微立体视觉系统的畸变校正场,并结合透视投影模型建立显微立体视觉系统的完整成像模型。最后,利用光束平差算法对所建立的成像模型进行标定计算和优化调整。搭建了显微立体视觉小尺度测量装置,验证了提出的标定方法的可行性。通过标定获得了测量装置两个光路的焦距和相对方位等参数,并借助于高精度四轴位移台对标定结果进行了精度验证。结果表明,采用本文方法标定后位移测量的精度优于1%,能够满足微胀形实验中三维变形测量的要求。该标定方法也可用于其他显微视觉检测领域。     

基于共线特征点的摄像机镜头畸变校正

提出一种基于未知世界坐标共线特征点的未标定摄像机畸变校正算法以及基于预计算模板的快速实现方法。利用直线的透视投影不变性来估计镜头的畸变参数,不需要知道摄像机的内外部参数,也不需要知道任何空间特征点的世界坐标,简化了镜头畸变校正的过程。该方法的特点是需要的已知条件少,算法简单,易于实施,算法的计算速度快。试验结果表明,该方法能准确快速校正由摄像机镜头畸变引起的图像几何畸变,对机器视觉系统是可行的,预计算模板实现方法大大地降低了计算量,为镜头畸变校正实时应用奠定了基础。     

水下透视投影图像非线性畸变校正方法

针对水下成像多界面折射引起的图像非线性畸变,提出一种水下透视投影图像校正方法,将相机透过多界面拍摄的水下图像转化为空气中相机拍摄目标的透视投影图像。首先,在多层平面折射模型下,以四维光场参数化的形式对水下相机成像过程建模,通过光场的方向信息计算出水中像点与校正像点间坐标的映射关系。然后,利用两者映射关系将水下相机获取的图像转化为空气中透视投影图像。经仿真优化,物距在2～4 m的透视投影图像平均误差在1 pixel以内。实验结果也验证了该方法的可靠性与准确性,当物距在2 m时,校正后的透视投影图像平均误差为0.56 pixel,行匹配平均误差为0.4 pixel。     

一种基于MATLAB的浮球姿态视觉检测系统

液浮陀螺中浮球的静平衡直接影响到陀螺仪的精度与综合性能,介绍一种基于机器视觉原理及MATLAB软件的浮球姿态检测系统。本文给出了一种由图像信息估计浮球及其中心轴孔空间姿态的视觉检测方法:若相机焦距已知,且给定球体与圆特征形状参数,则可由单视方法估计球心与圆特征中心位置及其法向方向。使用上述算法,可实现对被测球体中心轴端面的法线方向估计,同时还可估计出被测球体及端面中心的位置,从而实现对目标浮球位置及姿态的非接触测量。借助MATLAB提供的丰富的图像处理函数及图形化界面,从而方便地实现了一个实用的视觉检测系统。     

地貌测量中相机畸变误差的校正

摄影图像校正对于三维摄影测量的观测精度有重要影响。以MX-2010-W型地貌仪中使用的D5000单反CCD相机为例,提出一种基于ArcGIS的相机畸变误差校正的方法,并进行了试验验证。试验结果表明该方法可以在不预知相机内外方位元素的条件下进行相机畸变差求解和三维重建,并且校正效果显著。     

一种基于对称与反对称结构特征的棋盘格图像特征点检测算法

棋盘格图像在相机标定、畸变校正等方面应用十分广泛。棋盘格图像中每4个相邻方格的交点往往被当作特征点。这些特征点的检测精度会直接影响相机标定、畸变校正等的精度。而在由数码相机拍摄或扫描仪扫描得到的实际图像中,由于噪声以及分辨率等因素的影响,方格交点往往扩散为由若干像素点组成的点阵,这给特征点的高精度检测带来很大的困难。本文分析了现有特征点检测算法的不足,提出了一种新的基于棋盘格图像结构特征的特征点检测算法。该算法巧妙地利用棋盘格图像的像素点相对于方格交点对称、相对于方格交线反对称这一特点,计算交点附近区域每一像素点的对称度和反对称度,并以此为依据来判定特征点的准确位置。实验结果表明,该算法精度高、计算简单,对噪声、透视、畸变等鲁棒性强,便于特征点检测的自动化处理,非常适合在相机标定、畸变校正中应用。     

基于数学模型的视觉测量系统图像畸变校正方法

视觉测量系统图像中存在的各种非线性畸变对测量精度产生影响,必须进行校正。生产过程中的干扰使畸变随机变化,因此采用不变参数的图像畸变校正模型难以实现工件尺寸的精确测量。提出一种新的畸变校正方法,采用自回归时间序列模型的一般表达式建立被测工件直线边缘的数学模型,并采用最小二乘方法以及综合考虑计算量的损失函数最小准则实现模型的参数估计和定阶。根据模型的输出滤除被测工件直线边缘的趋势成分,获得被测工件的真实边界位置。通过计算两边界之间的垂直距离达到测量工件尺寸的目的。试验证明,该算法简单可行,可用于加工过程的在线检测。     

球形靶标中心成像点的高精度定位

为提高球形靶标中心在像平面上成像点的定位精度,研究了球形靶标成像理论及球心成像点定位方法。建立了空间球在摄像机系统下的投影模型,结合空间解析几何理论,证明了球形靶标的透视投影特性。推导出了球心成像点坐标的精确表达式,并结合测量实际给提出了球心成像点的高精度定位方法。利用仿真实验建立了球心投影畸变误差模型并分析了相关影响因素。最后,结合陶瓷标准球进行了视觉系统位姿参数标定实验。结果表明,该定位方法求得的空间球球心重投影误差比传统的球心成像坐标定位方法产生的重投影误差平均减少了36%,位姿参数稳定性相对提高了40%。得到的结果验证了该球形靶标中心成像点定位方法精度高,鲁棒性强,可应用于基于球形靶标的视觉标定或测量中。     

基于彩色图像的高速目标单目位姿测量方法

针对风洞分离实验对于视觉测量系统的高精度、大视场、高速的测量要求,提出一种基于单目摄像机的风洞运动目标位姿测量方法。该方法利用单目摄像机进行运动目标位姿信息测量,相比于双目测量方法具有设备简单、视场大的优点。首先提出一种基于靶标特征点相互约束关系的参数优化方法,采用复合式靶标实现摄像机的快速高精度标定;针对目标运动图像处理,提出一种基于图像差叠法和标记点位置估计的图像快速分割与目标定位方法,实现图像特征的快速准确定位;针对单目测量要求及目标运动特性,提出一种基于方向估计标记点布局方式,实现合作标记点的快速识别和提取;最后利用单目视觉原理求解运动目标的位置和姿态信息,通过实验室模拟实验完成了测量系统的精度验证,在1 m×1 m视场范围内,其位移测量精度可达到0.19 mm,俯仰和偏航角测量精度可达到0.18°。     

基于市售设备的结构光系统模型及标定

在射影几何矩阵模型和三角法解析模型的基础上,结合市售数码相机和投影仪内部结构参数精度高、工作稳定的特点建立了结构光三维测量系统的实用数学模型。提出一种借助数码相机赋予投影仪"视觉"功能,向标定模板投射正交格雷码图案,从而确定DMD像面点和空间标准点对应关系的投影仪标定方法。作为上述数学模型的基础,设计了基于共线特征的校正模板,采用图像法将数码相机镜头畸变参数分离于系统参数之外单独标定。文中具体给出了数学模型、标定公式及校正模板,最后进行了标定、测量实验。仿真系统验证了方法的可行性,测量相对误差约为0.2%;实际系统平面测量相对误差小于0.7%,重构的复杂表面具有良好视觉效果。     

基于圆心不对称投影修正的相机标定方法

提出了采用圆心做控制点标定相机,根据成像模型推导了计算误差所需的数学公式,并在标定过程中修正了圆心图像坐标由不对称投影引起的投影误差,以提高标定精度。首先利用直接线性模型估计投影变换矩阵,直接用其元素计算空间圆在图像平面上的投影,对圆心的图像坐标进行修正后,再次计算投影变换矩阵。该方法无需对该矩阵做分解,避免了不同坐标系的转换。模拟试验考察了投影误差与各种空间圆方位参数的关系,实际试验表明:在相机分辨率为780×582,空间圆半径为20mm时,修正误差后的标定误差为0.19437像素,优于未修正的结果,同时也表明该方法可行有效。     

基于相机状态方程多模增广的改进MSCKF算法

针对基于多状态约束卡尔曼滤波(MSCKF)的视觉-惯性里程计算法中相机状态方程增广过程的误差累积问题,提出了一种相机状态方程多模增广方法。该方法首先对视觉特征跟踪状态的稳定性进行判断,然后自动地选择基于视觉图像信息优化求解相机相对位姿参数或基于惯性传感器(IMU)状态递推结果联合相机外参初始化新图像帧相机位姿参数两种途径增广相机的状态方程,解决特征跟踪状态稳定情况下IMU误差的累积问题。实验部分通过EuRo C数据和实际应用数据对算法的性能进行了验证分析,结果表明,改进后的MSCKF算法能够在特征跟踪稳定状态下有效避免IMU误差的累积,进一步融合视觉与惯性系统之间的互补优势,提高载体的定位定向精度和稳定性。     

利用平行透视投影模型的位姿迭代估计

提出了一种利用平行透视投影模型的高效位姿迭代估计方法来提高单目视觉测量系统的精度和鲁棒性.通过引入齐次坐标表示,避免了现有算法对平行透视投影参考点选择的限制.首先,研究了平行透视投影模型下使用齐次坐标求解目标位姿的方法,阐述了它的几何意义.然后,通过迭代的方式将其应用于一般透视模型下目标位姿的高精度估计.仿真实验结果表明,本文方法提高了基于平行透视投影模型的位姿迭代估计的精度,速度和抗噪性能.实物测量结果表明,本文方法的平移测量精度优于0.1 mm,旋转测量精度优于0.1°,可以满足各种视觉检测系统的要求.另外,使用标志点和图像特征亚像素定位技术还可进一步提高该算法的精度.     

任意位姿物体机器视觉测量视差变形补正

提出一种对机器视觉测量视场内任意位姿目标物体视差变形导致测量误差进行物体自动跟踪和变形补正的方法。在分析视差变形基础上,提出自动跟踪检测模型,得出补正参数。通过改进的序贯相似性检测算法(SSDA)模板匹配、图像的二值化处理和腐蚀、质心坐标求取和轮廓边缘搜索等计算,计算出反映目标物体位置、姿态偏移的特征参数,从而求得目标物体自动跟踪位置、姿态偏移补正量。以任意位姿M4螺母内螺纹检测为实验对象,实验结果表明,该自动跟踪补正方法可行,具有较好的跟踪一致性,取得了较好的视差变形补正效果。     

大视场远距离视觉测量系统的分步标定

为了克服工程大视场标定精度不高、标靶加工难度大以及现场操作繁琐的问题,本文基于工业近景摄影测量基本原理提出一种大视场多相机内、外参数的分步标定方法。首先,根据相机透视投影模型,在近距离采用小幅面标靶和角锥体法完成相机前截面内参数的解算;然后,在远距离被测空间内布置若干编码标志点,利用多片后方交会原理计算得到相机外参数;最后,对相机内、外参数进行整体光束平差优化,实现精确标定。为验证该方法的可行性和精度,进行了大视场视觉测量实验,测量结果表明本文标定方法的重投影误差小于0.08像素;外场试验实测10 m直升机旋翼总距角的相对误差小于0.1°。该方法可实现相机内参数标定实验室进行、外参数标定外场完成的操作分离。     

适于高速CCD图像数据光纤传输的纠错技术

提出了一种适于高速CCD图像数据光纤传输的纠错算法用于提高大视场时间积分延迟(TDI)CCD相机中图像数据传输的可靠性。首先,分析了大视场空间相机图像数据光纤传输特点和光纤信道加性高斯白噪声(AWGN)模型下的数据传输差错,在此基础上提出了(16,8)纠错编码算法。阐述了(16,8)纠错编码算法思想以及纠错原理,说明了(16,8)纠错编码器的超大规模集成电路(VLSI)实现方法和编码器电路。然后,从不同角度分析了(16,8)纠错编码算法在大视场空间相机中应用的可行性。最后,在一空间多光谱相机样机的传输系统上进行了试验验证。结果表明:(16,8)纠错编码算法纠错能力强、易于硬件实现、占用资源少,在3 043Byte内可以纠正191bit错误,编码器资源占用率小于5%。提出的算法提高了空间相机中图像数据光纤传输的可靠性。     

智能三坐标测量机中零件位置自动识别系统

提出了一种基于机器视觉和CAD三维模型的零件自动定位方案，利用虚拟图像匹配的方法确定零件在工作台上的位置和方向。在CAD三维模型中，针对零件的可能放置方式通过透视成像的方法形成多幅虚拟图像。CCD产生的实际图像与各幅虚拟图像进行匹配。确定零件坐标系与机器坐标系的关系，达到定位目的。最后在三坐标测量机平台上实现了该方法，并给出了定位定向实验误差分析。