基于双目立体视觉的视线跟踪系统标定

针对使用主动红外光的视线跟踪系统存在的限制,构建了在自然光条件下允许头部自然移动的视线跟踪系统,该系统通过双目立体视觉系统获取眼睛特征参数,在三维空间中重构眼睛视线向量来估计眼睛的视线。通过头戴式标定板来估计头部姿态,减少了视线跟踪过程中头部移动带来的误差影响;提出了一种视线跟踪系统中个人参数的标定方法,该方法先假定眼睛视轴与光轴重合,由此计算出眼球的中心、半径、眼睛视轴与光轴的夹角的初始估计值,用非线性优化算法对这些初始值进行优化。通过实验表明,提出的视线跟踪算法对使用者限制较少,同时具有较高的视线估计精度,能满足很多视线跟踪应用场合的需要。     

光电跟踪系统计算机辅助控制实现

建立了基于数值微分的目标运动状态滤波预测模型,用s-函数实现了卡尔曼滤波预测算法。利用目标位置拟合方法给出角位置信息,并以此为观测信息通过卡尔曼滤波预测出当前角位置和角速度信息,将其引入跟踪控制系统中以克服脱靶量滞后问题,同时也实现了系统的等效复合控制。仿真结果表明,基于数值微分的模型适用于角度跟踪,滤波预测具有较好的鲁棒性。通过对两个不同等效正弦输入的验证,可知角位置合成精度对共轴跟踪影响较大,在脱靶量和跟踪架角位置采样匹配对应时,跟踪仿真精度较高,而对等效复合控制跟踪误差影响较小,输入信号角频率增大时误差增大。     

风干扰下基于变船长比的无人水面艇路径跟踪方法

摘要：针对无人水面艇在路径跟踪过程中易受风环境干扰的问题,建立了风环境下无人水面艇的运动数学模型,提出一种用于抵抗风干扰的直线路径跟踪方法。首先,基于视距导航原理,设计了跟踪期望航向角的PD控制器,通过融合路径方向,距离偏差及船长比等信息,实时调整左右两侧推进电机的控制电压,实现无人水面艇直线路径跟踪。然后,针对不同船长比对直线路径跟踪的影响,采用模糊控制方法,设计了以跟踪过程中的距离偏差和距离偏差变化率为输入,以船长比为输出的模糊控制模块,对船长比进行自适应调整,以提高控制器的抗风干扰性能。仿真结果表明,所提方法可减小风干扰作用下的跟踪静差,较之传统单纯PD控制方法,抵抗风干扰的能力得到提高。     

基于图像处理的人眼注视方向检测研究

提出了一种基于图像处理技术以实现人眼注视方向的实时检测方法。研究了人眼瞳孔、眼眶的位置、形状及其与视线方向的关系。以人眼注视不同方向时,眼睛瞳孔位置和眼眶形状产生的差异为基础,通过对所拍摄的眼部图片进行实时处理与分析,实现了对人眼注视方向的实时检测。实验结果表明了该方法的可行性及有效性。     

天基光学传感器视线指向确定与校正

高精度的传感器视线指向确定与校正是天基光学监视系统高精度跟踪和定位目标的重要保障,而高帧频、窄视场的凝视相机的视线指向确定和校正是这一问题的难点所在。在研究凝视相机的成像模型及其观测特点的基础上,提出了基于地标控制点的视线指向实时确定与校正算法。将影响凝视相机视线指向的误差因素(热变形误差、安装误差等)等效为视线指向偏移角,通过建立地标控制点的观测方程和偏移角的状态转移模型,采用扩展卡尔曼滤波器,实现了对偏移角的实时估计和视线指向的高精度确定与校正。仿真结果表明所提算法的精度、时效性均能够满足天基光学红外监视系统目标跟踪与定位处理的需求。     

基于方向预估计的边界跟踪算法

 为了实现多目标轮廓高效跟踪,提出了基于方向预估计的边界跟踪算法。研究了多目标轮廓模型表达以及轮廓初始点选取方法,为多轮廓跟踪提供模型依据。定义了4方向操作模板和方向矩阵实现轮廓走向的估计,通过定义权重矩阵避免轮廓跟踪算法进入搜索陷阱,提高算法的鲁棒性。对多组头部MR图像进行实验,结果表明,在同等边界数据情况下,新算法跟踪效率较变窗爬虫跟踪算法和传统跟踪算法平均提高约21%,鲁棒性明显增强。     

针对虚拟现实跟踪技术的快速滤波算法

提出一种用于实现手位手形跟踪的颜色滤波方法的计算模型。它可以取代虚拟现实中的数据手套,成为人机交互的工具。本方法是基于计算机视觉技术,模仿人眼的颜色视觉的特性,通过提取手的像素的特征颜色作为参考,对整个图像进行颜色滤波处理,从而将背景和干扰物体的像滤除,只保留手的像。然后经过平滑和轮廓提取处理,得到只含有手的轮廓的图像。颜色滤波算法能大大提高跟踪和识别的可靠性和实时性。     

增强现实技术综述

增强现实技术是将计算机渲染生成的虚拟场景与真实世界中的场景无缝融合起来的一种技术,它通过视频显示设备将虚实融合的场景呈现给用户,使人们与计算机之间的交互更加的自然,同时具有广泛的应用前景,因此成为近年来的一个研究热点。随着跟踪注册技术的进步、计算机性能的飞速发展、深度摄像机的普及,以及Light Field投影技术在增强现实中的应用,增强现实技术逐渐成为下一代人机交互的发展方向。该文章首先概述了增强现实的主要研究内容和发展情况,并详细介绍了增强现实的关键技术、开发工具,然后分类概述了增强现实应用案例。     

复杂背景下目标检测的级联分类器算法研究

目标检测与跟踪一直是图像处理与计算机视觉领域的热门研究方向之一,其对军事上的成像制导、跟踪军事目标等以及民事方面的安防监控、智能人机交互等方面均有着重要的研究价值.将特征匹配问题看成是一种更普遍的二分类问题,将这种难解的高维计算变成二分类问题,使计算复杂度大大减小,这类方法以大数定律和贝叶斯法则为理论依据,本文提出一种非树形结构的分类器,并从理论上推导出其实现公式,将1bitBP特征应用到分类器中,同时采用计算量由小到大的三个分类器进行级联从而实现鲁棒精确的目标检测.从实验结果来看,本文算法能够对目标的尺度变化、旋转、部分遮挡、形变、模糊、背景变化等复杂情况有较好鲁棒性,并且检测精度相对较高,而本文算法的计算复杂度低、计算量小,有较高的应用价值.     

智能写字机器人设计

设计了一种两自由度写字机器人,可以很方便地完成在平面上的书写绘画任务。可以把在计算机输入的文字通过控制算法和硬件电路用步进电机带动写字笔在纸面自动地描写出来。上位机选用计算机作为主机,采用Arduino系统作为从机。在计算机上将输入的文字转换成坐标形式的G代码,在通过串口发送给下位机控制器,下位机控制器采用直线插补和圆弧形插补算法,输出控制脉冲和方向电平控制步进电机前进或者后退。步进电机是由脉冲控制的,每发来一个脉冲就前进一步,实现了对距离的精确控制。本设计可以拓展一轴,加入Z轴理论上可以实现3D打印功能,把写字笔换成雕刻刀或者是激光头可以雕刻立体作品,拓展功能丰富。     

A new data processing and calibration method for an eye-tracking device pronunciation system

In this paper, a new data processing and calibration method for a pronunciation system of an eye-tracking device is described. The eye-tracking device was created using both head mounted display (HMD) technology and remote operation capabilities. A pattern recognition computer program was used to distinguish the pupil position and calculate its coordinates.This system can be adapted to provide a digital speech function. A new method for processing the image of the eye in the PC-based system was also developed. With one video CCD camera and frame grabber analyzing a series of human pupil images while the subject is gazing at the screen, an auto-calibration algorithm is used to obtain the direction of the eye gaze in real time. The computers provide the speech sound according to the location where the eye gazes exceed 0.5 s. The availability of multipurpose in this eye-tracking system with very simple equipment will be reconfirmed for future advanced research.     

基于普尔钦斑点的人眼视线方向检测

分析了在人眼视线方向检测中普尔钦斑的成像机理,探讨了普尔钦斑的位置与眼球转动角度间的变化关系,发现普尔钦斑的位置随着眼球的转动而基本呈线性变化的规律。提出了仅利用普尔钦斑的偏移量来检测视线方向的新方法。该方法只需在拍摄得到的眼睛图像中寻找灰度特征明显的普尔钦斑即可准确判断出使用者的视线方向。实验证明,该方法简单有效,所需要的运算量小,可提高视线方向的检测速度和精度,能进一步简化检测装置。     

基于人眼视觉特性的火炮内膛图像增强方法

为了提高窥膛图像的观测效果,减小背景和噪声对目标图像的模糊度,根据图像特点提出了一种基于人眼视觉特性的图像增强新方法.该方法根据目标图像与背景、噪声图像特性的差异来进行不同的处理,使待测的疵病图像相对增强,目标图像突出,便于人眼观察.     

远距离成像汽车平视显示光路结构设计

针对汽车AR-HUD显示虚像视距更远、虚像视场角更大的需求,采用自由曲面离轴反射光路结构,设计了一种焦距为-309 mm,虚像视距为7.5 m,虚像视场角为9.8°×5.5°的虚像显示光路。为保证驾驶员观察到的虚像的清晰度,结合人眼典型分辨角为1′,源图像显示模块采用分辨率为854×480 pixel的背投式DLP微投影系统。将人眼与虚像显示光路作为整体进行设计,使用Eyebox(孔径光阑偏移范围)模拟驾驶员眼睛活动范围,对于不同的孔径光阑位置,该光学系统的虚像面在奈奎斯特空间频率0.33 lp/mm处,中心视场MTF值大于0.6,全视场MTF值大于0.3。此外,使用蒙特卡罗方法对该系统取不同入瞳位置时进行了初步公差分析,系统90%的MTF值大于0.49,表明该系统容差能力较强。     

45°视场角投影式头盔在视空间的性能评价

提出理想透镜像距不变,通过改变其焦距来模拟人眼调节完成视空间性能评价的一种新方法.对45°投影式头盔物镜系统进行了精确的视空间评价.其MTF评价结果显示,系统在眼睛注视0°视场时可达到1 arc minute的分辨率;注视＋13.1°视场时可达到1.4 arc minute的分辨率.眼睛无论是注视0°视场还是＋13.1°视场,只有在一定的视场范围内,调节模糊和像散模糊才不会影响图像的清晰程度,且系统的横向色差和二级光谱均小于人眼的最小分辨角,不会对成像清晰度造成影响.眼睛注视＋13.1°视场时,系统的调节和调节模糊、像散和像散模糊、横向色差和二级光谱均具有明显的非对称性.此外,与改变理想透镜像距进行视空间评价的结果相比较,只有注视13.1°视场时的MTF差别较大.     

投影式头盔物镜设计在视空间的性能评价

对一款折衍混合投影式头盔(Head-mounted projective displays,HMPDs)物镜进行了精确的视空间评价,并给出了详细的评价步骤和评价结果。在对调制传递函数(MTF)进行评价时,充分考虑了人眼的焦距和瞳孔对评价结果的影响,给出了调节和像散所造成的分辨力损失的计算公式。评价结果显示:对于3 mm瞳孔,该系统中心视场调制传递函数在0.5 cycles/(′)达到了0.55,达到了人眼的最小分辨角(1′)。当眼睛注视投影像面中心时,轴外点最大需要0.35D的调节量,由此造成的分辨力损失最大为3.5′。由于像散造成的分辨力损失最大只有1.1′。横向色差和二级光谱最大值分别只有0.57′和0.17′,均小于人眼的最小分辨角。这些结果证明此设计满足投影式头盔物镜的使用需要。该方法适用于所有的头盔系统在视空间的性能评价。     

基于人眼视觉系统的假彩色融合图像质量的评价方法

随着图像融合技术的发展,各种融合算法层出不穷,而很多情况下最终的融合图像是由人眼观察的,因此基于人眼视觉系统的图像融合质量评价显得尤为重要.为了能够模拟人眼对于融合图像的感知,得到融合后图像质量的客观评价,本文提出了一种基于色差理论的假彩色融合图像质量的评价方法.首先将源图像和融合图像转化到CIE L*a*b*均匀色空间,在频域对图像进行对比度敏感函数滤波,通过计算滤波后融合图像的色差判断图像的细节信息,在一定程度上色差越大信息越丰富;通过计算融合图像与源图像的色差判断融合图像与源图像的相关性,相关性越高,融合算法越好.通过融合图像的色差大小以及与源图像的相关性两个参量,得出融合算法的优劣.实验表明,与其他评价方法相比,本文提出的评价方法与人眼观察的结果较为一致.     

高准确度光学系统中材料非均匀性对成像质量的影响

利用Zernike多项式对用Zygo干涉仪测得的离散材料折射率数据进行了拟合,再使用光线光学的方法评价了系统的成像质量. 由于材料折射率分布的无规则性,在对包含非均匀介质的实际光学系统的模拟仿真和优化时,需要考虑选取材料不同部位加工成的透镜会对系统成像质量有不同的影响,而且加工好的透镜在装配过程中,绕着光轴旋转不同的角度同样会影响成像质量. 通过计算机模拟的方法预先选取材料的最佳部位以及找到最好的装配位置,从而提高了光学系统的性能.