单摄像机虚拟立体视觉测量技术研究

以双目立体视觉传感器三维测量模型为基础,提出了一种用于测量空间三维点坐标的低成本单摄像机模型。该模型利用光学成像,把单摄像机镜像为一对虚拟摄像机,在一个CCD像面上采集到同一物体存在视差的两幅图像,从而恢复空间点的三维信息。讨论了单摄像机传感器测量空间三维点坐标的基本原理,建立了单摄像机传感器的测量模型,克服了双摄像机系统中成本高、切换采集左右摄像机的图像使检测速度减慢等诸多缺陷,为空间三维点的精密测量提供了经济、快速、有效的测量途径。实验表明．传感器可实现约0．8％的相对测量精度．证明了本方案合理、有效。     

An Improved Stereo Matching Algorithm for Vehicle Speed Measurement System Based on Spatial and Temporal Image Fusion

This paper proposes an improved stereo matching algorithm for vehicle speed measurement system based on spatial and temporal image fusion (STIF). Firstly, the matching point pairs in the license plate area with obviously abnormal distance to the camera are roughly removed according to the characteristic of license plate specification. Secondly, more mismatching point pairs are finely removed according to local neighborhood consistency constraint (LNCC). Thirdly, the optimum speed measurement point pairs are selected for successive stereo frame pairs by STIF of binocular stereo video, so that the 3D points corresponding to the matching point pairs for speed measurement in the successive stereo frame pairs are in the same position on the real vehicle, which can significantly improve the vehicle speed measurement accuracy. LNCC and STIF can be used not only for license plate, but also for vehicle logo, light, mirror etc. Experimental results demonstrate that the vehicle speed measurement system with the proposed LNCC+STIF stereo matching algorithm can significantly outperform the state-of-the-art system in accuracy.     

TDI CCD立体相机内方位元素测试技术研究

依据星载单镜头TDICCD立体相机立体成像及测绘要求,结合普通测绘相机内方位元素,提出了星载单镜头立体相机内方位元素由焦距、主点位置、立体成像角(前后视交角)、图像畸变等元素组成。给出了立体相机内方位元素测试的方法,针对立体相机成像特点给出了计算内方位元素的算法,对其进行了实际测量和验证,其测量结果符合设计要求。     

Fluid flow visualization by three-dimensionally reconstructed tracer path lines

The development of a measurement system for the visualization, topological classification and quantitative analysis of complex flows in large-scale wind tunnel experiments is described. A new approach is sought whereby the topological features of the flow, e.g. stream lines, separation and reattachment regions, stagnation points and vortex lines are extracted directly and are preferably visualized in real-time in a virtual wind tunnel environment. The system is based on a stereo arrangement of two CCD cameras. A frame rate of 120 f/s allows measurements at high flow velocities. Helium filled soap bubbles are used as tracer particles. The present paper describes a simple camera calibration procedure for large measurement environments and examines the problem of fast and accurate reconstruction of path lines in three dimensions, which will enable true three-dimensional and time-resolved fluid flow visualization. Experimentally obtained visualization results for a free-stream flow, flow around a circular plate and flow over a delta wing are presented.     

神龙一号参数测量用高速两分幅相机

采用长焦距镜头的后工作空间全口径分光原理,利用门控型像增强器、CCD相机、基于大规模可编程集成电路的高速快门控制触发系统等部件,研制了具有较高时间分辨能力和高灵敏度的两分幅高速相机,并在此基础上建立了束参数的高速测量系统。两分幅相机的最高快门速度约3 ns,幅间间隔时间则具有以0.5 ns的步进进行调节的能力;快门时间及幅间间隔时间可以分别独立调节,最大可到1 s;同时具有较好的线性度和空间响应的均匀性,等效背景噪声低到约5 electronspixel-1s-1,并且分幅相机灵敏度调节范围大。该系统一次可以拍摄两幅图像,图像阵列可达到1 0241 024,满足神龙一号的各种测量要求。     

摄像测量在舰船变形测量中的应用研究

针对舰船不同安装基座间相对变形的高精度测量要求,提出了一种利用单摄像机三维姿态测量原理和亚像素定位法,通过若干台摄像机进行传递测量船体变形的方法,来解决对两个或多个不通视安装基座之间相对变形进行高精度测量的问题。分别对单摄像测量和多级摄像传递测量进行了测量精度分析,采用4台2K×2K分辨率的摄像机进行传递测量,测量精度优于23″。该方法在舰船上较易实施,且精度较高。     

Single-camera panoramic stereo system with single-viewpoint optics

A simple and successful design for a panoramic stereo system that uses a single camera and multiple mirrors is presented. A wide-baseline stereo enhances the three-dimensional reconstruction accuracy even with a single camera. The feasibility of the system as a practical stereo sensor has been demonstrated with experiments in an indoor environment.     

一种目标空间运动分析系统

针对运动目标空间定位问题,将立体视觉技术与单视频序列下的运动目标检测相结合,设计了一种目标空间运动分析系统,实现目标的空间定位,扩展了单视频序列运动目标检测课题的应用范围。针对从单目向多目过渡过程中面临的问题,从硬件上提出了相应的解决方案,将立体镜头与高速相机相结合,克服了芯片一致性、相机同步、运动拖影等影响。由于立体像对源于同一帧图像,所以可以直接使用传统单序列运动目标检测方法获取运动掩模。使用该空间运动分析系统在光照充足的室外条件下进行单一目标的自由落体和斜坡运动2组实验,实验结果表明:该系统运行稳定,实现了运动目标的空间位置分析功能,1 m范围内,定位绝对误差小于0.01 m。     

基于光学测棒的立体视觉坐标测量系统的研究

提出了一种基丁测量与校准功能合一的光学测棒的立体视觉坐标测最系统.采用光学测棒作为成像目标,通过任意放置的两台摄像机获取测棒上的发光特征点的图像实现被测物体三维坐标的测量,同时利用测量数据定期对两台摄像机外部方位参数进行校准.深入研究了两台摄像机内部参数和外部方位参数校准过程中的校准件和校准算法的设计,以及系统测量建模等关键技术,提出了相应的解决方案,减小了摄像机内外参数校准及测量模型对测量结果的影响,提高系统的测量精度.实验结果表明.该系统的最大测量误差为0.11 mm.     

基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统

燃料组件变形状态是堆芯运行过程中的重要监测指标,基于水下双目视觉的变形检测系统不仅能获得燃料组件关键参数的三维尺寸,还可以测量组件的整体轮廓。根据水下大型燃料组件的高热、高辐射特点,研制了一种基于16台摄像单元的水下双目检测系统,并给出各组成模块的详细设计;通过联合Harris特征点和区域灰度互相关方法,实现辐射噪声干扰下的双目摄像模块的组内快速图像配准。经模拟水池和核电现场实验,验证系统局部参数测量精度优于0.2 mm,全局参数测量精度满足0.5 mm,为高热、高辐射的水下乏燃料组件的局部变形和整体弯曲等参数测量提供有力工具。     

激光投影成像式运动目标位姿测量与误差分析

为了实现室内运动目标位姿的高精度测量,建立了一套激光投影成像式位姿测量系统.该系统利用两两共线且交叉排列在同一平面上的点激光投射器作为合作目标捷联在运动目标上,通过与光斑接收幕墙的配合共同组成运动目标位姿测量基线放大系统,利用高速摄像机实时记录幕墙上投影光斑的位置,利用摄像机标定结果求解投影光斑的世界坐标,利用投影光斑之间构成的单位向量建立运动目标位姿解算模型.最后,根据测量原理推导了图像坐标提取、摄像机外部参数标定、光束直线度与目标位姿解算结果之间的误差传递函数.实验结果表明,当摄像机的视场范围为14 000mm×7 000mm时,测量系统的姿态角测量精度为1′(1δ),位置测量精度为5mm,且误差大小与目标位姿测量误差传递函数理论计算值一致,验证了本文提出的目标位姿测量方法与测量误差传递模型的准确性,能够满足目标位姿测量高精度的要求.     

一种双目立体视觉系统的误差分析方法

基于摄像机透视成像的针孔模型,分析了立体视觉中摄像机标定和三维重建过程的主要误差来源。基于各主要误差源的模型分析,建立了双目视觉系统3D测量误差与摄像机参数、基线长度、测量距离等因素之间的关系式。如已知相关参数,可以估算出双目视觉系统的3D测量精度,或根据3D测量精度要求,初步确定摄像机的内部各项参数和基线长度、测量距离等参数。     

真空断路器弧后残余等离子体的探针诊断方法

真空断路器开断过程中弧后残余等离子体是表征其开断性能的重要参量。基于探针电子饱和区域工作原理,提出了一种真空电弧弧后残余等离子体电子密度测量方法,分析了其结构和工作原理。设计了探针诊断系统的探针结构和控制系统,基于可拆卸真空腔体进行了残余等离子体电子密度的单探针测量实验,采用高速相机观测电弧发展演变过程,研究了电流大小、触头结构等参数对残余等离子体衰减过程的影响。通过前人其他诊断方法对比验证了该测量方法的有效性,为后续真空断路器弧后微观特性研究提供了一种低成本、有效的诊断方法。     

基于目标运动的复眼式双目视觉测距法

昆虫（螳螂）复眼利用目标的动态差异实现立体视觉，具有视场大、计算简单、实时性高等特点，是立体视觉研究的新方向。为实现复眼立体视觉在机器人视觉导航中的应用，根据复眼结构以及信息处理机制，提出并研究了环形光电传感器的目标快速检测与定位方法。首先，搭建了基于60个光电二极管的等6°夹角分布式环形传感器，形成具有360°视场的环形仿生复眼；其次，建立了基于光流原理的运动目标方位角检测模型，采用傅里叶拟合法实现了方位角检测模型的优化，实现了运动目标方位角与目标距离大视野范围内的简单、快速检测。实验结果表明:1）可实现距离375 mm范围内运动速度为30 mm/s的目标方位角实时检测，测量误差在2°范围内；2）基于目标方位角检测模型，可实现双目阵列传感器在300 mm×375 mm视野重叠区域范围内、平均测量误差在10 mm范围内的立体视觉测距。基于光流的运动目标方位角检测模型可用于实现对运动目标空间位置的动态实时检测，在运动检测、视觉导航等领域具有广泛的应用前景。     

基于十字靶标的双目立体测量系统标定

提出了一种基于十字靶标的双目立体测量系统标定方法。采用多视图几何约束和光束平差优化精确获得两相机内参数,同时得到在两相机各自坐标系下重建出的靶点三维坐标点集;由两组三维点集之间的刚体变换直接求得系统外参数。该方法只需双相机同时对十字靶标拍摄一次,再由两相机单独拍摄若干幅靶标图像即可,现场操作简单灵活。在标定结果的基础上,对长度为611.800mm的标尺进行多次测量,平均值为611.776mm,标准差为0.030mm。     

基于在轨成像物理机理的立体测绘相机建模与仿真

基于在轨成像物理机理的立体测绘相机成像建模与仿真综合考虑了大气辐射传输、卫星运行平台、光学系统成像、相机辐射响应等各个环节,采用数值模拟技术进行精确建模,可用于进行成像过程端到端的完整分析,评估成像系统设计可行性及成像质量。本文以可见光立体测绘相机为例,采用高精度高、分辨率地表物理模型作为输入源,首先结合立体测绘相机内外方位元素计算正视相机和前视相机CCD光敏面各亚像元区域中心的观测向量,然后根据目标相机的成像参数得到地面目标在相机入瞳处的辐亮度,最后通过光线追迹算法和光学系统点扩散函数模型计算探测器靶面的辐通量,经由探测器辐射响应模型得到数字影像。实验结果表明,正视相机几何物理模型定位精度达124 m,前视相机定位精度达193 m,能够较为可靠地模拟出立体影像,模拟方法可行。     

单目多视点立体图像提取及应用

设计并实现了一种基于广角相机和平面镜的单目多视点立体图像摄像系统,给出了硬件装置的设计指标和优化方法;同时,在研究了硬件系统的标定方法基础上,实现了其在三维测距方面的应用。多枚平面镜构成的对称斗型腔体被放置在广角相机前面,物体光线经过不同平面镜反射后,投影到相机图像平面的不同区域,在相机投影平面上生成物体多个影像,形成单目多视点投影图像。该类图像等价于视点不同的多幅图像,可以使用多视点立体视觉算法实现三维测量。     

High precision camera calibration in vision measurement

In order to ensure the measurement precision for shape recovery from a stereo vision system, a novel high precision calibration method is presented. Some standard points acquired from the object of interest are used as standard world points. There are four rotation matrices and translation matrices that need to be calibrated, the first is between the left camera and the world coordinate, the second is between the right camera and the world coordinate, the third is between the left camera and the right camera, and the last is between the right camera and the left camera. The lens distortion parameters include radial and tangential distortion. The merits of the calibration method are its high precision, easy of operation, and high reliability.     

Calibration procedure for 3D measurement systems using two cameras and a laser line

In order to ensure the precision of the measurement of complex 3D object surfaces using non-contact laser scanning systems, a novel stereo vision calibration procedure based on a laser line projection plane is presented. This calibration procedure can also be used in measurement systems based on a single camera and a laser line projection. This procedure, while using only laser-coplanar points, is oriented towards laser line detection and allows the matching of two images on the laser projection plane without the use of a rigid motion equation. These features make this procedure very precise, simple and, consequently, easier to implement.     

基于前视跑道图像的飞机偏心距精确测量

根据飞机地面最小操纵速度试飞的光电测试需求,提出一种基于前视跑道图像的飞机偏心距精确测量技术,通过在飞机中后段机腹中心线上加装前视高速数字摄像机,获取飞机运动时跑道及飞机起落架的前视序列图像,通过图像判读获取飞机主起连线与跑道标识线交点的亚像素坐标,在摄像机测量参数高精度标定的基础上,根据摄影测量的单站定位原理精确解算交点在物方空间坐标系下的坐标,进而获取飞机偏离跑道中心线的距离。飞行试验测试结果表明,该测量方案切实可行,数据直观可靠,可实现3 cm的测量精度,完全满足试飞测试任务需求。