基于非平行系统的水下图像转化模型

针对水下三维重建成像时图像失真的问题,提出一种基于非平行双目视觉系统的转化条件和转化模型,将摄像机透过平面防水罩拍摄的水下图像转化为摄像机与目标间无水存在的一般空气图像.当摄像机焦点在水与空气分界面处时,水下图像和空气图像像素间存在一一对应关系,当摄像机焦点位于水面外时,该模型在物距远大于焦距及焦点沿z轴方向与折射面距离的情况下仍成立.实验利用特征点三维坐标重建验证模型的正确性,结果显示,利用本文方法重建的三维坐标和实际三维坐标相比,x、y、z轴方向的重建误差平均值分别为2.23%,1.51%,1.10%,表明该模型转化后的图像可采用空气中的图像处理方法,为空气中的三维重建方法应用于水下的探索提供理论依据.     

深海光学照明与成像系统分析及进展

深海光学成像系统分为4个子系统:照明系统、相机系统、图像处理系统以及数据存储与传输系统,本文对深海光学成像系统化研究与发展趋势展开分析。文中有针对性地对深海光学成像最前端的两个子系统-照明系统与相机系统进行了较为详细地阐述。其中,深海照明系统进一步细分为3个更小的系统:光源系统、配光系统以及灯阵系统;对于深海相机系统则根据其应用领域及技术特点细分为水下普通成像、激光成像、偏振光成像、3D/全景成像、显微成像以及光谱成像6类。从近年来国内外深海光学成像的发展历史及现状来看,其未来的发展趋势可以归结为以下几点:更高的分辨率,更深的工作深度,更大的观测范围以及更多样的成像方式。     

多尺度水下偏振成像方法

水下偏振成像技术利用散射光偏振特性能够有效提高水下成像质量,在水下目标探测和识别领域具有重要应用价值.针对该技术在背景散射光和目标信息光分离时由于噪声放大现象导致重建图像质量受限的问题,提出多尺度水下偏振成像方法.该方法利用图像分层处理思想,结合小波变换的多尺度特性,对体现图像高对比度的基础层和低对比度但细节信息丰富的细节层分别进行处理,重建高对比度、高信噪比的清晰场景图像.实验结果表明,多尺度水下偏振成像方法不仅能够大幅提高对比度,复原图像细节信息,而且能够有效抑制放大噪声,提高重建图像的信噪比,在水下偏振成像领域具有良好应用前景.     

基于图像自标定的3D打印模型高效生成方法

为了克服三维重建高度依赖标定板,满足3D打印模型的工业需求,提出基于图像自标定的高效3D打印模型生成方法,无需借助标定板计算相机参数,直接使用单相机采集序列图像进行三维重建。为了克服基于自标定方法易受图像质量和特征点匹配精确度的影响,根据人机交互与自适应分割算法相结合的方法去除原始图像背景及过滤噪声,使图像感兴趣区域特征更为明显,采用快速稳定特征算法提取序列图像中特征点并根据特征点的匹配度进行精确的特征点匹配,再使用匹配信息自标定求解得到相机模型参数,最后根据相机模型以及特征点信息完成三维目标的稠密重建。实验结果表明,自标定及重建方法对大小各异,表面材质不同的目标均可实现重建。     

融合Kinect与γ相机图像的放射性区域重建与定位

针对核设施退役、核应急处置过程中放射性分布信息的可视化需求,提出了一种基于Kinect与γ相机图像信息融合的放射性区域重建与定位方法。首先,基于γ相机的特殊成像方式,构建了Kinect与γ相机组合成像模型,并完成相机组合联合标定;其次,基于视觉地图构建方法,建立了核辐射环境稠密点云地图并得到Kinect位姿;然后,提取γ相机图像中的放射性分布信息,根据相机组合模型计算地图中的放射性区域点云;最后,基于最小包围盒对γ相机成像的中心区域进行三维定位。在实验中,通过将Kinect和γ相机数据同步与空间对齐,在少量γ相机图像的情况下,实现了单个点源的三维分布重建模型与辐射场景地图的融合。在8×12 m2的实验室环境中点源定位的均方根误差为0.11 m,证明了本文方法的有效性。     

多帧距离选通图像点扩散函数估计的超分辨率重建

为了解决水下激光距离选通图像成像过程中退化模型复杂的难题,提出了利用连续帧图像估计点扩散函数的距离选通超分辨成像方法。首先,从连续帧图像中选取一帧为参考帧作为初始清晰图像,下一帧图像为模糊图像,用梯度约束的方法求出点扩散函数,用于优化清晰图像;然后,依次将后续帧图像当作模糊图像与清晰图像交替迭代求取点扩散函数并优化更新清晰图像;最后获得的清晰图像与参考帧图像用乘法更新的方法估计点扩散函数,结合凸集投影法算法进行超分辨率成像重建。仿真实验结果表明,改进的算法重建图像分辨率和质量明显优于原始的算法。     

一个新型的水下实况微光高速电视记录系统

介绍了一个新型的水下实况微光高速电视记录系统在船上或岸上使用该系统的控制系统,可对该系统的水下成像系统进行远程控制,并通过该水下成像系统得到水下运动目标的水下常速电视图像、水下高速电视图像和水下微光高速电视图像该系统的工作水深可达水下50m.     

反向追迹法获取水下对空全景图像

在水下透过波浪对海面及空中目标成像,所获取的目标图像会发生畸变。为定量分析波浪对图像畸变的影响,建立一种理想的水下对空成像模型,得到透过波浪的全景图像。首先,在给定的成像模型下,运用主光线反向追迹法,由斯涅耳定律计算出与水下入射光线对应的水上折射光线的方向矢量,从而得到天球上目标点与成像靶面上单像素点的物像对应关系。然后,对整个成像靶面上的像素点进行遍历,形成水下对空全景图像。最后,在4种特殊的海面波浪波形下,利用MATLAB环境计算出天空圆形目标及背景的水下对空全景图像。计算结果表明:运用反向追迹法能够有效地计算出水下对空全景图像,通过调整波浪参数,可以定量分析图像的畸变程度。主光线反向追迹法适用于分析透过具有一阶可导波浪的水下对空全景图像的畸变特征,为研究更复杂波浪下的水下对空图像畸变特征奠定了基础。     

空间相机自适应曝光

为实现空间相机的自适应曝光,提出了一种根据场景高亮度信息设置曝光参量的测光、解算、成像工作模式.在空间相机前加装大尺度面阵测光相机,在空间相机推扫某一区域前,测光相机首先采用预设的曝光参量获取该区域图像,实测当前区域的高亮度信息;再将该高亮度设为空间相机的饱和亮度,解算空间相机的曝光参量;随着卫星的转动,空间相机采用该曝光参量完成位置区域拍摄成像,实现空间相机的自适应曝光.地面验证实验结果表明:与采用固定的较小的曝光参量相比,本文方法可以减小欠曝光图像数量;根据某次实验结果统计,图像的灰度范围由37提高到253,图像熵显著提高.该方法能够根据当前场景内容充分利用成像系统的动态范围并提高图像的灰度层次和图像质量.     

水下目标物偏振成像特性研究

偏振图像比传统强度图像包含更丰富的物体表面反射及散射信息。用萨尔萨(SALSA)相机在自然光照下获取水下偏振图像，研究不同材质物体、放置深度、牛奶浓度及波段因素对水下目标物偏振成像的影响。结果表明:蓝色波段偏振成像能够较好地获取水下物体的边界轮廓等信息; 不同材质的目标物在水下呈现不同的偏振特性, 紫铜偏振度最高达0.69;在1.40 mg/L牛奶浑浊度的水下，偏振图像仍能通过比较目标物的偏振度(degree of polarization，DOP)信息来检测出水下目标物，瓷片的DOP仅降低0.31;此外，在水下约40 cm深度下，偏振成像获取的图像比强度图像轮廓更为清晰，如铁的偏振对比度比强度对比度高5.26%。     

水下双目立体测量系统的建模与误差分析

提出了一种新的基于双目视觉的水下成像模型。在摄像机理想针孔成像模型的基础上,考虑平面防水罩厚度对光线经水、防水罩、空气发生两次折射的影响,建立了摄像机在水下环境中物体的三维重建模型。针对此模型,分析了双目测量系统结构参数以及被测物点位置对测量精度的影响,对进一步优化系统结构设计和提升系统测量精度具有一定的实际指导意义。     

不同光照条件下水下成像背景光的建模与研究

由于光在水中传输时的衰减和散射效应, 水下成像系统通常很难达到令人满意的成像效果, 而成像过程中由于光散射产生的背景光则是造成水下图像退化的主要原因. 本文对自然光照和人工光照两种不同光照条件下的水下成像背景光进行了建模和仿真分析. 结果显示: 自然光照下的无穷远处背景光与衰减系数成反比, 与散射系数成正比; 人工光照下的无穷远处背景光则与衰减系数、散射系数和相机-光源距离有关. 两种光照条件下的背景光都可以用无穷远处背景光的指数衰减表达式来表示. 水下图像背景光的强度主要与水体光学参数、相机-景物的距离、相机-光源的距离及相机成像角等因素有关. 本文的研究结论不仅可用于水下成像系统的设计与优化, 也可用来从水下图像背景光中估计水体光学参数、相机-景物距离等图像信息.     

基于数字高程模型的航空相机图像清晰度检测方法

为解决弱特征区域中航空相机成像清晰度检测的问题,根据前后两次图像间具有重叠区域的特点,提出了一种基于数字高程模型（DEM）的航空相机图像清晰度检测方法。该方法在引入高精度DEM数据后,以重投影误差最小化原则修正航空成像模型,应用尺度不变特征转换（SIFT）算法进行特征匹配,并利用特征点偏移位置计算主距变化量,最终将主距变化量作为清晰度检测的标准以实现弱特征区域航空图像的清晰度检测。实验表明,所提算法对不同清晰度的弱特征区域航空图像均能进行清晰度检测,其检测均方根误差为16.275μm,小于光学系统的半焦深（19.2μm）,能够满足航空相机的实际工程精度要求。     

基于主动散斑投射的水下双目视觉三维成像

基于主动散斑投射的双目立体视觉成像技术仅需一次投影拍摄即可实现三维重建,适合于动态成像,但在水下应用时,存在小孔模型失效、极线约束匹配条件不满足,以及投射散斑左右图像因受水下环境吸收、散射影响产生退化等问题。本文重新建立了基于主动投射散斑图案的水下双目视觉成像模型,分析了散斑图案对水下双目对应点匹配精度的影响,搭建了主动散斑水下双目视觉动态三维成像系统实验装置。实验结果表明,基于主动散斑投射的水下双目立体视觉技术具有较好的动态3D成像效果,动态误差在该双目立体视觉实验装置本身结构和系统参数决定的静态误差之内。     

代数迭代重建算法在折射衬度CT中的应用

X射线折射衬度CT是一种基于相位衬度的断层成像技术,特别适合对由轻元素组成的生物、医学样品进行成像,可以观察到常规吸收衬度CT无法观察到的软组织内部微细结构,是一种具有巨大发展潜力的新成像方法.迭代重建算法和解析重建算法是计算机断层成像技术中并行发展的两种算法,虽然已经提出了几种X射线折射衬度CT的解析重建算法,可是还未见X射线折射衬度CT迭代重建算法的报道.研究了代数迭代重建算法在X射线折射衬度CT中的应用,比较分析了不同的投影数据排列方式对于折射衬度CT重建图像的影响,并对实验数据进行了图像重建,获得了满意的CT图像.研究结果表明,在相位衬度CT中,迭代重建算法相对于解析重建算法而言,能减少投影次数,降低曝光剂量,减少对生物样品的辐射损伤,在生物样品成像和投影数据不完整的情况下具有明显的优势. 关键词： 衍射增强成像 代数迭代算法 CT重建 同步辐射     

铁路运行环境下的车载相机姿态估计

基于对铁路运行环境中所拍摄的图像特征的分析,提出了一种修正的线段检测子(MLSD),并利用该线段检测子结合最小二乘拟合及交叉迭代优化方法对消失点进行快速检测,进而利用消失点坐标实现了相机姿态的估计,为后续调整机器视觉算法进行铁路运行环境的场景重建提供重要依据。运用该方法,基于车载相机所拍摄的图像对车载相机姿态进行估计,实验所得的估计值满足了车载检测系统的精度要求,表明了此方法对于估计相机姿态有效的。     

基于水下成像系统模型的水下图像超分辨率重建技术研究

水下成像技术在诸多领域获得了越来越多的应用,然而由于受到成像器件参数、水体特性等成像系统参数的影响,水下图像的分辨率普遍较低、像质较差。基于包括点扩散函数、衍射极限等水下成像系统模型的图像超分辨率重建技术,能够在提高图像分辨率的同时增强图像质量。为了尽可能提高图像分辨率,建立了基于光束传播理论的超分辨率成像模型,并将其应用于水下脉冲激光距离选通成像结果图像的超分辨率重构。重构实验的结果表明,所提出的方法可以有效地提高水下成像的分辨率和质量。     

基于粒子群优化的水下成像系统标定

摄像机在水下拍摄时,经过不同介质的成像光线会发生折射,小孔成像模型不再成立,现有标定方法无法准确标定系统参量.针对此问题,本文提出一种基于粒子群优化的水下成像系统标定方法.在空气中应用张正友平面标定法得到摄像机内、外参量,通过求取特征点间相对定位距离,建立系统对水中物体的标定评价函数,并用粒子群算法对其优化,从而标定得到光心到防水罩距离、防水罩平面法向量和防水罩厚度.结果表明:基于粒子群标定算法得到的相对定位误差平均值分别为1.99%和0.62%,而应用高阶畸变折射补偿法得到的相对定位误差平均值分别为3.29%和2.68%;当被测物位于不同拍摄距离以及改变不同姿态时,由本文算法得到的相对定位误差均低于高阶畸变折射补偿法,且本文提出的标定算法可以得到高准确度的系统参量,为水下视觉研究提供了可靠的参量依据.     

针孔阵列扫描成像系统研究

采用多针孔线阵配 X光条纹相机 ,由多个针孔的一维条纹图像的数据 ,利用图像处理技术重建出二维图像。由此获得一项高时间分辨的二维空间成像技术 (MIXS) ,此技术利用现有的设备获得比 X光分幅相机高得多的时间分辨的二维图像。     

基于B样条插值算法的亚像元技术的研究

亚像元动态成像技术是目前实现卫星相机小型化及提高相机空间分辨率的一种有效方法。在不改变TDICCD相机的焦距、成像距离,以及TDI CCD器件的像元尺寸的前提下,亚像元动态成像技术可以提高相机的空间分辨率。利用B样条插值算法,研究了TDI CCD相机的图像的亚像元动态插值问题,由两幅相机输出的原始图像经过算法得到比原图像分辨率高的图像,并对比了该算法与其它几种算法的效果,分析结果表明,该算法较其它算法得到的高分辨率图像的效果更佳。