无需系统标定的三维视觉重建

为了解决传统三维重建需要依赖系统标定信息的问题,提出了一种基于相位图的不需要系统标定信息的三维视觉重建算法。首先使用结构光测量技术获得被测物体表面的相位图,再利用相位图的横向和纵向空间扭曲特性计算物体表面相对深度信息,最后实现被测物体的三维视觉重建。这种方法可以用在无法进行标定或无法获取标定信息的场合。实验结果表明,当被测物体表面结构简单时,这种方法的三维视觉重建效果较好。并通过对比传统三维重建结果验证了该方法的有效性。     

基于点阵标定板的视觉测量系统的标定方法EI北大核心CSCD

在应用机器视觉技术进行测量时,测量系统的像素当量、系统误差和光源强度等因素均会对测量精度造成影响,因此必须对像素当量和系统误差进行标定,并分析光源强度对工件图像边缘位置的影响。提出一种基于点阵标定板的视觉测量系统综合标定方法,在提取标定圆圆心坐标的基础上,计算圆心距物理尺寸和像素尺寸的比值,得到像素当量;建立圆心实际坐标和理论坐标的二元三次误差模型,并利用最小二乘法拟合求解误差模型系数;通过确定光源强度引起的图像边缘位置误差补偿量,实现测量系统的综合标定。实验结果表明,该方法可以有效提高系统的测量精度。     

基于IMU的3D扫描仪倾角标定方法北大核心CSCD

3D扫描仪以精度高、速度快、自动处理、稳定性好等优势在场景三维重建、智能制造、自动驾驶、虚拟现实等领域得到了广泛的应用。目前3D扫描仪设备多是安装在三脚架上,容易因为地面不平使得扫描仪的转轴和重力方向产生夹角,最终导致拍摄出的全景图和点云倾斜,成为影响三维重建精度的关键难题。针对该问题,提出一种借助惯性测量单元标定3D扫描仪倾角的方法。该方法利用惯性测量单元输出的加速度信息,通过一个面阵相机建立惯性测量单元和3D扫描仪的联系,将惯性测量单元的加速度信息转到扫描仪的转轴上。利用该信息计算出扫描仪转轴与重力方向的夹角,并将该倾角补偿到生成的全景图和点云中,校正倾斜模型。通过实验对校正前后计算的角度进行对比,实验结果证明倾角测量误差可以控制在0.5°以内。并且经过标定后,精度至少提升20%,验证了整个标定方法的可靠性和准确性。     

基于两步标定法的稳定、高精度条纹投影三维轮廓重建北大核心CSCD

在传统的条纹投影轮廓术(FPP)重建算法中,通常倾向于简化校准模型以提高数值稳定性。但是简化后的校准模型难以有效地补偿FPP系统中照相机和投影仪的镜头畸变,结果不能保证FPP的测量精度。提出了一种两步标定法,依次执行镜头畸变补偿和系统标定,通过使用相机和投影仪的标定参数来校正输入变量的值,实现镜头畸变的有效补偿,同时给出形式简洁但精度更高的测量模型进行物体三维轮廓重建。实验结果验证了方法的有效性和实用性。     

低温环境下复杂冰形快速三维测量技术北大核心CSCD

获取低温结冰风洞试验中模型表面的冰形三维数据,有利于分析结冰对模型气动力特性的影响,为优化模型的防除冰设计提供依据。由于低温结冰风洞现场的低温环境,现有视觉测量法的核心部件难以稳定工作,而且试验结束后,风洞现场温度将升高,有效测量时间短,因此冰形测量面临巨大挑战。为此,设计了一种热平衡与外部保温相复合的低温防护系统,保证设备内核心器件工作在适宜的温度;提出了一种投影加速与低温防护相复合的冰形快速三维测量方法,通过光源和微镜的配合共同完成两个阶段曝光实现灰度复合,减少测量时单次投影图像的总周期数,从而提升整体测量效率。实验结果证明,可实现-20℃低温环境下冰形的稳定快速三维测量。     

基于彩色交叉条纹的相机标定北大核心CSCD

针对相位标靶标定相机需采集多幅条纹图获取相位的问题,提出了一种基于彩色交叉条纹的相机标定方法。本方法在每个标定位置仅需一幅条纹图就可以完成特征标识点的提取;通过液晶显示屏显示一幅红蓝交叉条纹图像,由相机拍摄,采用傅里叶变换和多频外差法分别得到水平和垂直方向的绝对相位;根据相位标靶的空间位置与图像中绝对相位的精确对应关系,标定相机内参,采用非线性最小二乘法优化。基于重投影误差的实验结果表明,本方法可以快速精确的实现相机标定。     

一种极线近似的双目结构光相位立体匹配方法北大核心CSCD

针对双目结构光三维重建中的相位立体匹配效率较低问题,提出了一种极线近似的快速匹配方法。首先依据两相机光心与左像素形成平面与右成像平面交线对极线进行描述;对每行像素中部分区域的对应极线进行近似,结合立体视觉的连续性约束,使得孤立的沿各自极线搜索匹配相位改为区域内沿近似极线连续搜索匹配相位;同时结合双目相机位姿特性,实现全局均匀分区,避免针对每行数据重复分区;计算过程中采用查表法辅助计算。实验结果表明,立体匹配后获得点云平均误差为0.436 mm,属可接受误差范围内,立体匹配计算速度平均提升10.18倍,对640×480尺寸图像可在17 ms内完成立体匹配,可应用于结构光实时三维重建。     

结构光三维测量系统中投影仪标定技术研究

投影仪标定是单摄像机单投影仪结构光三维测量中的基础。采用双面标定块实现投影仪的标定。标定块正面为黑底白色圆点图案,通过Tsai两步法及非线性优化完成摄像机标定。背面为反射率均匀的白色平面,由投影仪投影双方向高亮度的直线来生成特征点。针对特征点三维坐标难以确定的问题,采用了两种方法:一是依靠摄像机标定结果;二是结合正面圆点图案,利用交比不变性获取更多的有效输入数据。标定设备简单,操作方便。实验结果证明具有较理想的标定精度。     

一种分焦平面偏振成像系统光源标定方法北大核心CSCD

水下偏振成像技术是目前水下成像研究的热点,由于自然光在水中衰减大,水下成像系统多采用主动照明方式。针对分焦平面偏振成像系统中偏振照明光源与偏振探测像元偏振方向不匹配引起采集图像偏振信息存在的偏差,进而影响目标图像增强质量的问题,提出了一种分焦平面偏振成像系统光源标定方法。阐述了偏振光源的标定原理,然后给出偏振光源标定的实施步骤,最后采用偏振去雾算法和图像质量评价方法对标定前后的水下目标图像进行了图像增强和图像质量评价。评价结果表明,标定后的增强图像质量优于未标定的增强图像质量,平均梯度最大提升了2.48倍。该标定方法简单有效,实用性强,适用于分焦平面偏振成像系统偏振光源标定。     

基于转轴参数的多自由度双目视觉系统标定

多自由度双目立体视觉系统可以解决传统双目立体视觉视场区域小的问题。避免双目摄像机每转动一个角度都需要重新标定外参数,提出了一种基于转轴参数的标定方法。只需标定出初始位置时双目摄像机的内外参数,使摄像机绕转轴旋转,根据单应性原理测量摄像机与标定模板的位姿关系,确定转轴方向矢量与轴上点坐标。最终利用Rodrigues旋转矩阵确定旋转已知角度后双目摄像机的外参数,实现多自由度双目系统的标定。实验结果表明,提出的方法能准确测量转轴参数,完成多自由度双目立体视觉系统的快速标定,提高系统的工作效率。     

Shifted-phase calibration for a 3-D shape measurement system based on orthogonal composite grating projection

This paper proposes a novel method for reducing measurement error caused by spectrum overlapping in orthogonal-composite-grating-based 3-D measurement method. For 3-D measurement systems based on orthogonal composite grating projection, spectrum overlapping causes phase of each deformed phase-shifting fringe changed differently, which violates the principle that the shifted phases between adjacent deformed fringes must be equivalent to 2π/3, and therefore results in phase measurement error. The proposed shifted-phase calibration method is based on that phase variation of each deformed fringe is independent of height and reflectivity of the measured object. Three composite gratings are projected on the reference plane, and each carrier channel includes three phase-shifting gratings needed in phase measuring profilometry (PMP). Because the adjacent phase-shifting fringes demodulated from the same carrier channel have the phase difference of 2π/3, we can respectively calculate the reference plane's phases of three carrier channels by the phase algorithm of PMP method, and the shifted phases between them are obtained. When an object is measured, the shifted phases between deformed phase-shifting fringes can be calibrated. A new 3-D measurement mathematical model is set to reconstruct object. Our experiments prove that the proposed method can effectively restrain the effect of spectrum overlapping and improve measurement accuracy almost one times.     

一种基于偏振解析的三维表面重建方法

提出用解析反射光偏振图像来重建透明物体表面形状的原理及实现方法。从物体表面反射的光具有一定的偏振特性,偏振特性的不同反映了物体的形状和反射特性的不同,这两者之间存在一种必然的联系。通过分析物体表面反射光的偏振分布,可以得到物体的表面形状。依据菲涅耳反射公式,推导出偏振度与物体表面法线间的函数关系,据此构建相应算法,对由CCD照相机拍得的被测物体的偏振灰度图像进行处理,重建出被测物体的表面形状。实验结果证明提出的方法是实用且有效的。     

A novel TCF calibration method for robotic visual measurement system

An accurate TCF (tool control frame) model is essential for high-accuracy robot off-line programming. Meanwhile, TCF calibration is an important procedure for production recovery after robot collides in industrial field. This article proposes a novel TCF calibration method in robotic visual measurement system in which the robot TCF is defined based on the model of visual sensor and a standard sphere with known diameter is utilized as the calibration target. With the translational and rotational movements of the industrial robot, the visual senor measures the center of standard sphere from multiple different robot postures, TCF orientation and TCP position are determined in two steps. Robot off-line programming is performed based on the TCF calibration result, and robot collision is simulated on an ABB IRB2400 industrial robot. Experimental results have validated the effectiveness and efficiency of the standard sphere-based TCF calibration method, which could control the deviation of an identical featured point within 0.5 mm measured before and after collision recovery.     

Digital holography-assisted 3-D bright-field image reconstruction and refocusing

Optical Review - We propose an image reconstruction technique of a color 3-D object to perform image refocusing by combining information from bright-field image and digital holography. The key...     

3-D flame temperature field reconstruction with multiobjective neural network

A novel 3-D temperature field reconstruction method is proposed in this paper, which is based on multi-wavelength thermometry and Hopfield neural network computed tomography. A mathematical model of multi-wavelength thermometry is founded, and a neural network algorithm based on multiobjective optimization is developed. Through computer simulation and comparison with the algebraic reconstruction technique (ART) and the filter back-projection algorithm (FBP), the reconstruction result of the new method is discussed in detail. The study shows that the new method always gives the best reconstruction results. At last, temperature distribution of a section of four peaks candle flame is reconstructed with this novel method.     

Holographic thin-beam reconstruction technique for the study of 3-D refractive-index field

A thin-beam holographic reconstruction technique to study the 3-D refractive index field of a phase object is described. The advantages and drawbacks of this method are discussed.     

3-D measurement of 2-D jet by 3-D 3-C SPIV

Journal of Visualization - The stereo PIV, commonly known as the SPIV, is capable of measuring all the three velocity components in a two-dimensional measurement plane and thus classified as 2-D...     

结构光三维测量系统标定的关键算法研究

系统参数标定是结构光三维测量系统的关键问题之一,标定板特征圆圆心检测精度与投影仪、相机镜头gamma效应引起的相位误差是系统参数标定的主要误差来源。采用Sobel算子粗定位标定板特征圆的边缘点,以正交傅里叶-马林矩(OFMM)算子对边缘点进行亚像素定位,用椭圆拟合法确定特征圆圆心的方法提高标定板特征圆检测精度。同时,推导结构光三维测量系统gamma非线性数学模型,将计算得到的系统gamma值的倒数作为投影正弦光栅的指数以降低gamma效应引起的相位误差。实验结果证明了该方法的准确性,与不采用亚像素边缘检测与gamma校正相比,X、Y方向的标定精度分别提高约3.5倍与5倍。     

一种自由曲面光学视觉重构方法研究

通过对物体摄像来提取表面 3D信息正成为一种新兴的反求建模方法。传统的视觉算法是基于特征对应的 ,要求物体表面具有几何特征或色彩纹理 ,不适于无纹理自由曲面的重构。将计算机视觉方法与CAGD技术紧密结合 ,对无纹理自由曲面提出了一种新的视觉重构方法。首先将物体表面分割为N边域曲面片 ,经由边缘线提取、匹配 ,重构出曲面片的边界曲线 ;然后通过反射模型、图像光亮度分析求出曲面片的跨界切矢 ;最后综合上述信息 ,构造出光滑的曲面模型