新型自动立体显示背光板的光学设计

立体显示技术的研究主要是解决虚拟现实领域的三维视觉问题。自动立体显示是不需要配戴特殊眼镜的,使用一个二维平面空间显示屏显示至少一对满足双眼视差的立体图像。当人的双眼接受到具有视差的立体图像对时,在视网膜上形成视差像,经大脑神经系统的融合,从而产生深度感。提出了一种全新的实现自动立体显示的折射式方法,设计了基于此方法的一种新型折射式的、结构简单的、通过透射显示屏(如液晶显示屏)实现自动立体显示的背光系统。根据视差立体显示参量模型,建立了光学系统的结构参量以及分析了光学材料的性质对实现立体显示的影响,并运用先进的光学设计软件进行设计、模拟。     

基于视觉显著性的立体显示图像深度调整

基于双目视差的立体显示系统中,不恰当的图像景深分布是引起视疲劳的主要原因,因此提出一种新颖的立体深度调整方法以提高立体显示观看视觉舒适度。该方法以原始立体图像作为输入,应用图像谱残差提取的方法获得立体图像的视觉显著性,结合特定的观看条件建立视疲劳指标模型,获取特定图像在特定观看条件下的最佳零视差平面(ZDP)。根据最佳ZDP对原始输入左右视图进行视差调整,从而获得视疲劳指标最小的立体图像。为了进一步验证该方法对立体显示视觉舒适度的提升效果,设计并完成了相应的视觉感知实验。实验结果表明,该方法显著提高了立体显示观看舒适度。     

基于光场相机的全视差三维显示

针对光场相机采集的三维信息在显示时只能呈现非常窄的视差问题,对光场相机信息记录过程进行了分析,提出一种将光场数据转化为元素图像阵列(EIA),并对EIA中的物体进行重新采样以调整深度的全视差三维显示方法。为了验证该方法的有效性,使用光场相机采集真实三维物体,利用所提方法对光场图像进行处理后,将其在深度优先集成成像(DPII)系统中进行显示。实验结果表明,利用所提方法可以实现光场数据的全视差三维显示。     

基于多视差函数拟合的集成成像深度提取方法EI北大核心CSCD

集成成像系统采用微透镜阵列记录空间场景信息,只有一次成像过程,在获取场景深度时,不存在相机的参数设置和校准问题,简化了深度测量过程,具有很大优势。但是由于该系统采集的元素图像分辨率低,容易受记录噪声影响,元素图像之间匹配困难。基于集成成像系统能够计算重构出多幅视图的优势,充分利用多幅视图提供的冗余信息来改善立体匹配情况。采用颜色相似性的自适应窗口在参考视图与其他视图之间进行立体匹配,得到参考视图与其他视图之间的视差信息,利用视差与视图对之间的抽样距离满足正比函数关系的性质,对多个视差值进行函数拟合,减少了由于记录噪声等因素产生的误匹配,物体深度层次的分辨更加准确。     

基于双模成像的液晶微透镜阵列

利用向列相液晶材料的各向异性和双折射特点,采用紫外光刻和湿法刻蚀技术,设计并制作了透明的圆孔图案梯度折射率液晶微透镜阵列。搭建了光学测试系统,测试了该阵列的聚焦性能和焦距,并给出了焦距与加载电压之间的关系。将该阵列与主镜头和图像传感器进行耦合,构成一个双模成像相机原型,通过开启或关闭加载电压实现光场成像模式和普通成像模式的快速切换。在两种工作模式下对目标物采集双模原始图像,结果表明该相机既可在光场工作模式下采集三维光场图像,也可在普通工作模式下采集普通图像。     

基于多视差函数拟合的集成成像深度提取方法

集成成像系统采用微透镜阵列记录空间场景信息,只有一次成像过程,在获取场景深度时,不存在相机的参数设置和校准问题,简化了深度测量过程,具有很大优势。但是由于该系统采集的元素图像分辨率低,容易受记录噪声影响,元素图像之间匹配困难。基于集成成像系统能够计算重构出多幅视图的优势,充分利用多幅视图提供的冗余信息来改善立体匹配情况。采用颜色相似性的自适应窗口在参考视图与其他视图之间进行立体匹配,得到参考视图与其他视图之间的视差信息,利用视差与视图对之间的抽样距离满足正比函数关系的性质,对多个视差值进行函数拟合,减少了由于记录噪声等因素产生的误匹配,物体深度层次的分辨更加准确。     

基于相机阵列的新型牙科三维扫描仪

为解决传统牙科三维扫描仪扫描中的抖动问题,提出了一种基于相机阵列的新型牙科三维扫描仪。利用多个不同视场的相机可以直接单次照相获取目标的三维信息,避免了扫描过程中抖动带来的影响,提高系统实时性。由于牙齿尺寸较小,所以选择微透镜阵列代替大型相机阵列,在减小系统体积的同时可以更好地保证相机间光轴的平行度。实验结果显示,系统最终实现了单颗牙齿的视差和深度计算。系统结构简单,便于小型化和低成本口内牙齿三维测量设备的研制,进一步推进医学数据的数字化进程。     

头盔显示器视差自动测量中眼位点的自动对准

自动测量头盔显示器的视差时，用CCD相机取代人眼的主观读取，由于机器视觉不如人眼灵活，CCD相机在人眼观察点才能确保移动时采集的图像是完整的，从而保证全视场的视差测量。该文提出采用模式搜索法在头盔显示器光学平面内实现CCD相机自动对准人眼观察点(眼位点)，从而实现头盔显示器全视场视差的自动测量。对该自动测量系统的测量原理，以及CCD相机自动对准眼位点的实现过程进行了详细论述与说明，对测量精度与效率，对准精度与重复定位精度进行了实验分析。实验结果表明，该方法能够快速、准确、自动地对准眼位点，定位精度为±0.071°，与摆头法测量视差系统进行对比实验，全视场视差测量效率高，重复精度高。     

双目智能眼镜视差快速测试系统设计

为了快速测试双目智能眼镜的视差,提出了一种用大口径长焦距镜头CMOS作为检测设备的测试系统。将大口径长焦距镜头的CMOS相机与双目智能眼镜的光轴在同一水平面上且共线,通过一次拍摄得到双目智能眼镜的显示画面,借助十字刻度测试图作为图像源,快速计算出双目智能眼镜的视差。论述并推导了双目智能眼镜视差产生的数学模型及计算公式,分析了系统误差来源。实验结果表明,一次拍摄就可以得到表征双目视差的图像;相机图像采集精度误差为2.47″;测试图读数误差为3.7′;测试图读数测试法与实际测试结果的误差为3.85′,满足快速高效测试双目智能眼镜的要求。     

双焦距立体视觉中的光学成像模型

成像物镜具有两个独立的焦距,并分别对空间物体成像,这种系统被称为双焦成像系统。双焦成像系统从单一角度记录三维场景中各物点的图像,它构成了单目立体视觉的基本光学成像模型。由于焦距为f1和f2的物镜所成的像的矢量值存在差别,即视差,并且视差的大小与物点的深度存在着定量关系,因此可利用双焦成像的视差特征来恢复场景的深度信息。叙述了双焦成像的立体视觉原理和系统的改进方案,并根据双焦成像的深度算法对已知深度的物方平面进行了深度测量。试验结果表明,深度恢复的相对误差约为-0.14%,测量结果的方差为0.97mm。     

液晶透镜无偏振片成像的优化算法

液晶透镜因其无机械移动就可以实现对焦的优势,有望应用在机器人视觉、自动驾驶、深度测量等技术领域。在液晶透镜视觉成像系统中,为了不使用偏振片就可以获得高对比度的图像,提出一种优化的无偏振片成像算法。图像边缘体现图像的主要轮廓信息,边缘决定图像的对比度,所以此算法提取图像边缘,在边缘部分利用获取的非对焦图像和对焦图像进行图像处理,平滑区域不作处理,去除由非调制的寻常光带来的低频图像分量,提高图像边缘对比度,同时抑制平滑区域噪声的增加。实验证明,优化后的算法增强了图像边缘的对比度,相比于优化前的算法,图像噪声下降了50%。     

基于双目立体相机的室外场景三维重建系统设计

摘要：三维重建是图像处理、计算机视觉、计算机图形学的一个重要研究领域,双目视觉通过模拟人眼处理景物的方式可以获取目标物体的三维信息,具有非接触、速度快、精度高、自动化程度好等诸多优点,可以大大提高工业生产效率,已经成为人们研究的热点。在传统的基于双目立体视觉的三维重建系统基础上进行了方法和算法的改进与创新,并根据具体应用场合拓展了系统功能。硬件选用Stereolabs公司的二代ZED双目立体相机套件,配合该套件提供的软件开发工具包（ZED SDK）,使用NVIDIA推出的通用并行计算架构CUDA,很大程度上优化了三维重建的运行效率;针对立体匹配过程噪声及原有视图引入误差等问题,利用插值法和数学形态学平滑方法进行处理,引入了视差图修复与细化环节;采用更为合理的特征点提取方法,优化了深度值计算环节。在实验室环境下,对整体系统进行了性能测试,结果表明,算法稳定高效,系统重建效果好,性价比高。     

基于HALCON的双目立体视觉工件尺寸测量

为了实现对大批量生产工件尺寸的精密测量，该文基于双目立体视觉视差原理，设计了一种工件尺寸实时测量系统；系统通过两个工业数字摄像头实时采集工件不同角度的两幅图像，并基于机器视觉软件HALCON的HDevelop开发环境，对两幅图像进行相关预处理，获取感兴趣区域。提出一种基于canny的亚像素边缘检测、边缘细化、基于atukey权重函数的最小二乘法边缘拟合及边缘均匀取点算法获取精确的边缘特征点，并通过双目系统标定、极线约束与NCC相结合的立体匹配、世界坐标转换、几何计算相结合的非接触式双目视觉方法进行尺寸测量。通过大量实验证明，该方法可有效地获取工件特征点的三维坐标值，不借助外部测量仪器实现工件关键尺寸的高精度实时检测，检测精度达±0.2mm以上，简单快捷，具有较好的准确性和实时性。     

非相干成像双目视觉系统的误差分析

影响双目视觉系统测量精度的因素很多,目前系统结构参数对测量精度的影响主要有光轴与基线的夹角、基线距离、水平视角、物距以及透镜焦距等。由于孔径尺寸直接影响成像分辨率,是决定双目视觉测量精度的核心因素,因此依据非相干成像理论,对双目成像过程进行仿真和实验,采用加速鲁棒特征算法对所成的图像对进行特征提取与匹配,获取其视差值,并且计算其视差均方根误差来表征系统误差。研究结果表明,系统误差随着透镜孔径大小的增大而减小,并且趋于饱和。该研究可以为双目系统设计过程中系统参数和孔径尺寸的选取提供理论和实验依据。     

平行摄像机阵列移位法获取视差图像的研究

平行摄像机阵列移位法是一种摄像机阵列获取三维场景的视差图像的新方法.该方法在平行摄像机阵列法的基础上,将获取的视差图像进行平移处理,获得了立体显示所需的具有正、负水平视差的视差图像,且这些视差图像没有楔形失真和垂直视差.该方法集中了会聚摄像机阵列法和平行摄像机阵列法两种常规方法各自的优点并摒弃了其缺点.实验证实,所获取的视差图像在光栅式自由立体显示器上得到了三维场景的清晰逼真再现显示效果.     

利用液晶透镜实现扩展景深成像

针对现有利用液晶透镜获取扩展景深图像的方法需要较长时间的问题,提出一种提升液晶透镜扩展景深融合效率的方法,该方法可以缩短获取扩展景深图像的时间。利用液晶透镜在正负状态之间切换时保持透镜效果的特性,获取图像进行计算。通过考虑每个图像的景深,减少融合所需要的图像数量,从而缩短图像处理的时间。所提方法的图像使用数量减少至现有基于液晶透镜的景深扩展技术的31.2%,计算时间减少至34.38%,合成效率显著提升。所提扩展景深图像质量的方法在主观评价与客观评价上均获得了较好的实验效果。     

基于双层微透镜阵列的移动视差式立体显示屏

受限于微透镜的数值孔径和像差问题,目前移动视差式立体显示屏存在多视场空间、视场区之间存在视场跳变、主视场空间角度小、显示效果模糊等问题.本文基于离散采样思想,分析了移动视差型三维显示系统的工作机理,结合加工工艺,设计了复合曲面反射层的双层微透镜阵列屏.仿真结果表明:所设计显示屏的视场观看空间角可提升到60°,相对于传统的三维显示屏,双层微结构显示屏可有效提高视场角和显示性能.     

基于SIFT匹配算法的多视点自由立体显示视差图像的生成

提出了一种利用同一场景的两幅视差图像生成用于多视点自由立体显示的多幅视差图像的方法。首先运用SIFT匹配算法从两幅视差图像中寻找匹配点,并运用生长运算得到图像的稠密匹配;然后根据匹配点坐标对视差进行了近似计算并得到左视差图像的深度图像;最后提出一种基于投影原理的多幅视差图像生成方法,由左视差图像和其深度图像生成了应用于多视点自由立体显示的多幅视差图像,其立体显示效果良好。     

单目激光散斑投影系统的外参数标定方法

由于缺少可参考的散斑图案,单目激光散斑投影系统需要借助精密的测距仪器,提前拍摄不同标准距离处的散斑图像,测量效率较低,且无法在线校正系统的光轴偏移。针对上述问题,提出一种基于单目激光散斑投影系统的外参数标定方法,可将单目激光散斑投影系统等效于带有散斑图像的双目立体视觉系统。通过调整标定板的位姿,计算同名散斑点的空间三维坐标,解算红外相机与激光散斑投射器之间的位姿关系,并对其进行迭代优化,生成投射器的虚拟散斑图像。实验结果表明,所提方法的位移测量误差低于0.16 mm,标准球的半径测量误差低于0.13 mm,且在一定的深度范围内,深度重建结果明显优于Astra-Pro的探测结果。所提方法可有效提高单目激光散斑投影系统的标定效率和深度重建精度。     

亮度优化立体视频视觉舒适度评价

结合立体视频帧左右视图的灰度图,采用鲁棒性算法与软剪刀算法相结合的"画笔"方案来提取立体视频帧的前景区域,合成视差图并提取水平视差,计算深度视差;根据主观评价结果建立视差深度-视觉舒适度模型,再结合亮度对视觉舒适度的评价模型进行优化,使模型的评分更接近人类视觉系统的评分;结合人类主观评价实验的结果,用逆向代入法求出模型的系数确定模型,最终实现基于人类视觉系统特性的对立体视频视觉舒适度的评价。实验结果表明:通过视觉舒适度模型计算得到的结果与人类主观评价结果之间的误差率不超过5%,其中大部分视频误差率不超过1%。说明评价模型更符合人类主观感知结果的立体视频视觉舒适度,模型评分更接近人类视觉系统特性的主观实验评分,这为立体视频舒适度的评价提供了参考。