目标落点的视觉测量方法研究

 针对传统视觉测量方法不能用于远距离和大场域目标测量的问题,提出了一种简单的视觉测量方法,可精确地测量远距离、大场域内目标落点的位置。利用简单的现场标校方法,使两相机的横向核平面水平且重合。在此基础上,根据视觉测量原理,建立了简化的落点坐标视觉测量模型。利用该模型,在250 m×350 m的测量区域内对遍布相机视场的44个目标点进行了视觉测量实验。实验数据显示:各点的综合相对测量误差小于0.3%,达到了较高的测量精度,完全适用于远距离、大视场的目标落点测量。     

光速处理的高精度光电混合相关探测图像运动位移

为测量航天遥感相机因姿态不稳定以及各种扰动引起的图像运动,提出了基于光速处理的高精度光电混合相关探测测量方法.利用高速CCD和主CCD对同一目标进行成像,在曝光时间内高速CCD获取序列图像,利用联合变换相关器对所采集的图像序列进行光学运算,测量出相邻序列图像的运动位移.阐述了光学相关方法测量图像运动的原理,并模拟分析了噪声和不同运动条件下的测量精度.建立了相应的测量像移的实验系统,实验数字模拟及实验结果都证实了该方法的有效性,测量精度优于0.1像元,满足卫星遥感相机的使用要求.     

三维相位展开算法在精密运动测试中的应用

三维相位展开算法将基于空间的相位展开算法拓展到时间轴上,包含了一维时间和二维空间信息,适合于运动测试。通过建立一维时间相位展开算法的数学模型,分析了该算法运动测试的基本原理,讨论了在精密测试中的使用方法和适用范围,并对微谐振器的微结构进行运动测试。实验表明,算法在相位展开中引入时间信息,不仅消除了形变测量中需选取静止点为相位参考点或参考平面的限制,还可以同时测量物体表面某点纳米级的离面运动曲线和表面形变。     

一种汽车锁扣铆点的视觉检测方法

汽车锁扣是保证汽车安全运行的重要部件,针对传统方法测量锁扣铆点不稳定、精度低的缺点,提出了一种基于机器视觉的检测方法;首先进行相机标定,通过预处理消除拍摄影响,接着提取锁扣的几何特征以建立测量坐标系,并对其进行仿射变换以消除图像几何失真;然后标定铆点所在区域,设置ROI(regions of interest)使铆点从检测背景中分离出来成为一个独立的图像单元,对其进行梯度锐化以增强图像边缘,并依据ROI自身特点对传统锐化方法进行了改进;最后,采用随机Hough变换分别提取改进前后图像铆点的轮廓,测量铆点直径并进行对比;实验表明,改进后图像铆点直径的测量值更加准确,精度达到0.035 mm,满足检测要求。该方法适用于铆点在线高精度检测,具有重要的应用价值。     

基于最小生成树与改进卡尔曼滤波器的实时电子稳像方法

为解决稳像过程中局部运动分量导致的全局运动估计不准确问题,提出了一种实时电子稳像方法.该方法提出基于最小生成树的特征点迭代筛选算法,采用相邻帧图像特征点最小生成树的相似度衡量特征点匹配精度,剔除错误匹配的特征点和局部运动前景上的特征点,避免了局部运动分量的影响.采用自适应加权法修正相邻帧之间的仿射变换矩阵,解决由于运动前景遮挡造成的背景特征点数量稀少进而导致的稳像晃动问题.针对相机跟拍与随机抖动分量混合问题,提出基于运动矢量队列的双卡尔曼滤波器,自适应地修正卡尔曼滤波器的测量噪声协方差,动态调整滤波平滑性能,有效处理同时包含相机跟拍运动与随机抖动分量的视频,保留相机跟拍分量.实验表明,该方法对于视频图像中包含局部前景运动和相机跟拍运动的情况,对比其他3种方法,仍可以保持良好的稳像效果;在Intel Core i53.30GHz CPU下,对于640×360分辨率的彩色图像序列可达到40FPS的稳像帧率,并且运算过程中无需利用下一帧图像信息,具有实时稳像的优点.     

傅里叶望远镜大气湍流模拟实验

傅里叶望远术是一种能对深空暗弱目标进行高分辨率成像的技术.为了验证大气湍流对傅里叶望远镜系统的影响,进行了实验室环境下大气湍流模拟实验研究.在三束光傅里叶望远镜实验系统上,通过控制射频驱动器的输出功率来模拟光强抖动,改变射频驱动器的瞬时频率来模拟相位抖动.给出了实验理论依据,推导了湍流强度与实验变量的关系.实验在弱湍流闪烁和相位抖动两种情况下,分别给单束光和三束光加随机扰动并计算其Strehl比.结果表明,只在单束光上加扰动时重建图像影响不大;在三束光上加扰动时,弱湍流光强抖动对傅里叶望远镜系统的成像效果影响具有较大的随机性,而相位抖动会严重影响系统成像质量.因此,消除光强抖动和相位抖动影响是图像重建算法改进应该考虑的一个关键因素.     

结构现场可调的点激光精密测量系统

为了实现激光传感器测头可以根据现场条件来实时改变入射角度,建立了结构可调的点激光测量系统。建立了相机的针孔模型,利用张正友标定算法得到该相机模型的内部参数,定义点激光测量系统中的光心角,推导出利用像点坐标和相机内部参数实时求取光心角公式。建立了点激光测量系统的数学模型,引入点激光测量系统的结构参数:基线距和基准角,利用零平面和两个基准面标定系统结构参数。利用标定得到的系统结构参数进行实时的逆向工程在线测量。实验结果表明:测量系统量程为75mm时,该标定算法最大标定误差≤0.02mm,点激光测量系统的测量误差≤0.06mm,达到精密测量的要求。     

空中点目标运动模糊复原方法

在使用相机对空中远处点目标成像时,不可避免的,会因为相机的角运动引起图像的模糊。针对这一问题,提出了一种运动模糊复原方法。首先通过建立点目标运动的模型来了解造成运动模糊的原因,其次通过对模型的分析,从基本理论开始推导得出一个退化函数,并且采用模糊图像的维纳滤波复原模型。最后,对图像进行了仿真实验。实验结果表明,该复原模型有较好的复原效果。     

基于循环反向编码的三维人脸测量方法

针对人脸测量时的抖动现象，设计了一种循环反向编码方法。该方法无需专门投影反向二值条纹辅助边缘点定位，减少了投影图案的数量。用循环的三帧条纹图像代替原本利用正反两帧条纹图像定位的方式，提高边缘点检测精度的同时能够有效消除定位偏差。实验表明，所提方法能够有效提高测量速度，同时保持较高的测量精度，减少点云中的运动波纹。     

基于弱透视成像模型的目标三维姿态测量

为了准确获取空间目标跟踪、视觉导航等领域中目标的三维姿态,进行了目标三维姿态单目视觉测量方法研究.提取图像目标的典型特征点构造出直角三角形,并通过其边长比例先验信息以及弱透视成像模型推导出目标三维姿态的单目解算算法.与传统测姿方法相比,该算法在相机焦距等内参量未知条件下依然可解算姿态,增大了测姿应用范围;与传统迭代测姿方法相比,避免了循环迭代求解过程,无需设置迭代初值,提高了解算效率.数值仿真试验结果表明目标在离相机1~3km成像时姿态测量误差低于1.5°;实际图像序列测量结果表明目标俯仰角和偏航角测量结果拟合残差小于1°,翻滚角拟合残差小于2°.实验验证了算法的正确性和稳定性,表明该算法在内参量未知条件下能有效测量中远距离成像目标三维姿态.     

基于双目视觉的空间脱靶量测量技术研究

为了测量飞行目标的空间脱靶量,采用在指定区域附近放置凝视等待式双目相机,测量飞行目标位置、速度等参数,得到空间脱靶量信息。在建立数学模型后,设计了运动目标测量系统,并对系统误差进行了分析。实验和结果分析表明,该系统对运动小球的测量相对误差小于2%,验证了系统设计的可行性。     

一种单目视觉位姿测量系统的误差分析方法

针对单目视觉位姿测量传统误差分析方法中只考虑单一误差因素，分析结果与工程实际有较大差异的问题，提出一种考虑多误差因素共同作用的误差分析方法。根据单目视觉系统的测量范围和相机参数建立其位姿测量模型；综合考虑相机内参、镜头畸变、图像点、靶标三维点等误差因素，将其同时引入位姿测量模型进行分析；分析抑制不同参数误差及提高相机分辨率等在多误差因素共同作用下对位姿测量结果的影响，找到最有效的精度优化方法。采用小型机械臂手眼定位中的单目视觉位姿测量系统进行实验，结果表明通过抑制相机径向畸变误差和提高相机分辨率，能够有效地提升该系统的位姿测量精度，位姿精度分别提升6.57%、4.21%和5.88%、5.54%。     

光场相机视觉测量误差分析

光场相机通过一次曝光可以获取空间目标的位置和方向信息,具有重聚焦和多视角的特性,利用光场的这些特性可以进行视觉测量.本文对光场极平面图像视觉测量、重聚焦视觉测量、双目视觉以及多目视觉测量方法的测量原理和误差影响因素进行了理论分析,并通过实验验证了光场视觉测量误差跟不同视角基线长度,主透镜焦距大小,目标离相机的实际距离等结构参量的关系;理论分析和实验结果表明,由于相机基线较短,远距离测量误差较大,近距离测量具有较高的精度;在光场微透镜阵列大小有限条件下,采用多个视角组合的测量方法具有更高的测量精度.     

准同心广义经纬相机的成像模型及高精度标定

对于大尺度运动目标的参数测量,固定相机存在着视场与空间分辨率之间的矛盾,并且当测量空中或海上目标时相机的标定也十分困难。跟踪式相机(如光电经纬仪)能解决此问题,但存在体积大、成本高和操作复杂等缺点。结合两者特点取长补短,将相机固定在二维旋转平台上,尽可能实现同心放置,组成准同心广义经纬相机进行中远场高精度测量,测量过程中转台实时跟踪目标并为相机提供外参数。此方法并没有光电经纬仪非常严格的同心同轴的安装要求。在合理假设基础上建立了经纬相机成像模型,提出了线性求解及平差优化相机参数的方法。大量仿真与实际测量验证了模型和标定方法的正确性和高精度。广义经纬相机测量系统组合巧妙、装拆和操作简单、体积小、成本低、可全视场测量且测量精度高,有广泛且重要的应用前景。     

航天验证器运动参数摄影测量方法

针对大多数测量实施试验中测量条件的局限性,提出一种基于双相机联合无同名点的双目视觉运动参数测量方法,采用该方法计算位姿初值并采用全局正交迭代算法优化初值。该测量方法在实现过程中不需要同名点参与,只需要两台相机的视场内有6个以上的目标合作标志点,就可得到验证器在运动过程中的位置和姿态等参数。对航天器悬停、避障和着陆阶段进行试验,将该测量方法与同一工况试验下基于同名点的双目位姿测量方法、基于正交迭代的单目位姿测量方法获取的结果和全站仪打点获得的默认真值进行对比,得到姿态测量误差小于0.5°,位置测量误差小于0.01 m。     

基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法研究

针对传统光学成像测量方法对高速运动目标成像帧频低、像质模糊,难以满足对目标形变高精度测量的缺点,提出一种基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法。该方法利用线阵CCD高分辨率、高帧频等优势,通过提取线阵CCD输出目标强度——像素曲线斜率变化率最大点来获取目标所占像素数N的像素数提取方法,同时采用DMD模拟高速运动目标形变过程,配合基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法进行形变测量实验验证。实验结果显示采用该方法对V=450 km/h的高速运动目标进行形变量测量时,可以满足目标形变测量偏差小于0.3 mm,标准差小于0.5 mm,相对误差最低0.01%。实现了高速运动目标形变量的准确测量,为高速磨损测试、高温形变测试、高压形态测试等奠定了基础。     

基于物距辅助的单站姿态处理方法

为了解决靶场姿态测量系统中远距离单站测量易出现不稳定解或解不收敛的难题,从而为靶场常规中远距离光学单站姿态处理提供可行方案,在某参与计算特征点物距可获取的前提下,提出了一种物距辅助的单站姿态信息获取方法;首先提出物面连续离散化等效计算像长的方法,在此基础上,以像长为匹配元素建立单站透视姿态测量模型,然后以炮管为例对算法进行试验验证,最后对关键影响因素进行误差分析。结果表明:偏航角、俯仰角相对真值的均方根误差分别为0.97°、0.90°;所提方法可拓展至飞机类非轴对称回转体目标单站飞行姿态的处理。     

光学相关法测量空间相机像移的性能研究

为了测量由卫星姿态不稳定或振动等原因引起的空间相机的亚像元像移,使用了光学联合变换相关器(JTC)对安装在相机焦面上的辅助面阵CCD采集到的相邻两帧图像进行相关运算.给出了使用该方法测量像移的原理,搭建了实现JTC的光学实验平台,对JTC测量相机像移的性能进行了实验研究.结果表明,使用JTC完全可以测量空间相机的亚像元...     

激光陀螺中的光学抖动及其对锁区的影响分析

为了提高激光陀螺的性能,提出利用光学抖动改善陀螺锁区的方法.研究了环形光路中背向散射对锁区的影响,理想状态下可以消除陀螺的零阶锁区.在微扰条件下对光学抖动下陀螺腔内的光路变化进行了分析计算,得到了使陀螺锁区达到最佳改善的理论光学抖动量并进行了实验研究.实验结果表明:光学抖动可以起到类似机械抖动加噪的效果,改善陀螺的零偏稳定性.     

大型激光装置束间同步抖动的高精度测量

在多路激光组合使用的大型激光装置中,需要对不同链路输出的激光进行严格的同步控制,以获得更高能量和更高强度的激光脉冲。介绍了利用光谱干涉方法测量大型激光装置中束间同步抖动的基本原理,分析了光谱仪分辨率、束间固有同步延迟等参数对测量精度的影响。在实验上第一次基于光谱干涉方法获得了国内典型的大型激光装置(神光-Ⅲ原型装置)束间同步抖动数据。实验结果表明,神光Ⅲ原型装置的束间同步抖动优于2ps。该方法与目前常用的方法(光电管结合示波器测试方法或者条纹相机测试法)相比具有更高的精度。实验获得的结果为超高峰值功率激光相干合成技术路线和相关误差控制方案的选取提供依据。