Particle depth measurement based on depth-from-defocus

An optical and digital method has been developed for the detection of the depth of small particles distributed in 3D space and its performance has been examined in numerical simulations and experiments. The present method is based on depth-from-defocus in which the depth of particle is detected from the image blur of the particle. The results of numerical simulations show that low-pass filtering is effective for the reduction of error. In the experiments with a single 3CCD color camera, it is found that the RMS error of the present method is 1.81 mm for the depth range of 40 mm.     

基于深度约束的水下稠密立体匹配

针对双目水下图像匹配不满足空气中常规极线约束的问题,提出一种基于深度约束的半全局算法以实现水下稠密立体匹配.首先采用深度约束确定匹配过程的深度约束搜索区域.然后,基于深度约束区域将绝对差值和梯度计算推广到二维区域并进行加权融合.在深度约束区域内的搜索过程中,采用胜者为王的策略确定某一视差值下的最佳行差及最佳行差下的匹配代价,并将其作为能量函数的数据项应用于半全局算法中,进行匹配代价的聚合.最后采用抛物线拟合法得到亚像素级的稠密视差图.在水下图片上进行的稠密立体匹配结果表明:相较于其他半全局匹配算法,本文算法在极大提高运行速度的前提下,可以获得良好的水下稠密立体匹配效果.     

Theoretical study on nanoindentation hardness measurement of a particle embedded in a matrix

The finite element method was used to simulate indentation tests on a particle embedded in a matrix, to investigate the influence of the properties of the particle and the matrix, and the indentation depth on the measured hardness. The particle’s work-hardening exponent and the mismatch in particle and matrix yield strength have a significant influence on the measured hardness. A particle-dominated indentation depth was identified, within which the measured nanoindentation hardness agrees very well with the true hardness of the particle material. Numerical results from the simulations of a wide range of material properties determined that the measured hardness is within 5% difference of the particle’s true hardness when the indentation depth is less than 13.5% of the particle’s radius. The results can be used in practice as a guideline to measure the hardness of a particle embedded in a matrix and provides the theoretical basis to develop a particle-embedded method to measure the hardness of individual particles.     

Vision system for three-dimensional position measurement based on stereo disparity

A stereo disparity-based range finding technique was developed for measuring three-dimensional coordinates of object points. It used an image-matching algorithm which functionally consisted of scene reduction, epipolar line selection, and features matching. Experiments implementing this technique were performed on an industrial vision system. An error analysis indicated that image resolution was the major source of measurement inaccuracy.     

不同粒径沙地表面双向反射特性研究

由于自然环境遭到人为因素的破坏,我国沙地面积正在逐步扩大,确定沙地的性质与面积已经成为改善环境的重要的指示性信息.遥感技术以其特有的优势可以为沙地监测提供科学有效的信息.本文以不同粒径沙地表面为研究对象,测量其双向反射信息,分析粒径大小对沙地表面反射特性的影响;基于现有的模型对不同粒径大小沙地表面的反射信息进行计算,与实测信息进行对比.研究结果表明,粒径大小对沙地表面反射的反射分布特性有明显的影响;通过对比测量的反射信息与模型计算的反射信息发现,利用双向反射模型可以准确地计算出不同粒径沙地表面的反射信息.本研究不仅确定了粒径大小对反射信息的影响,也为遥感技术估算沙地表面粒径大小以及研究地表固有光学特性提供参考.     

基于极线局部校正的特征匹配方法

针对利用多视图像进行目标三维测量、结构重建时在极线约束下对直接区域灰度相关进行同名特征匹配常常失效的问题,提出了一种基于极线局部校正的特征匹配算法。介绍了极线约束匹配的原理,分析了相关方法在极线约束匹配中的缺陷以及在多种像机位姿配置下的图像特征间的约束关系,在此基础上提出了一种极线局部区域校正的方法,对待匹配区域进行校正使自动相关匹配能有效执行,结合最小二乘匹配得到了高精度的匹配结果。实验结果证明了新算法的有效性,大大提高了自动匹配的可靠性、速度和精度。     

大尺度三维几何尺寸立体视觉测量系统实现

基于立体视觉的大尺度三维几何尺寸测量技术是对外形不规则的大型物体进行几何量测量的有效方法。与传统的视觉测量技术不同,大尺度视觉测量的精度随测量距离的增加而迅速下降,同时大尺度空间下照明条件难以控制,也使得测量变得不稳定。因此如何在大测量尺度的前提下提高测量精度成为这一领域的研究难点。从立体视觉测量系统的原理出发,分析了影响系统精度的各种因素,将相位一致性变换与极线约束条件引入结构光光条中心提取之中,显著提高了图像分析的精度。研制了测量系统的样机并给出了实验结果,现场测试表明该系统可以有效地保证大尺度条件下的测量精度。     

Measurement of water cloud particle size with a dual-polarization pulsed bistatic lidar

A new bistatic lidar was developed for measuring water cloud particle size at the base of lower clouds. The lidar uses a pulsed Nd:YAG laser at 532 nm and a receiver having a polarization analyzer located at a suitable scattering angle. Cloud particle size (mode radius of the assumed size distribution) was derived from the ratio of the polarization components of the scattered light based on the single scattering Mie theory. The experiment was performed on board the research vessel Mirai in the northwestern Pacific. Particle size at the bottom of maritime cumulus and stratus was measured, and the difference between the internal structures of cumulus and stratus was observed. The effect of multiple scattering was studied by changing the observing scattering angle. The effect was not significant when the penetration depth was less than 50 m.     

An infrared salient object stereo matching algorithm based on epipolar rectification

Due to the higher noise and less details in infrared images, general matching algorithms are prone to obtaining unsatisfying results. Combining the idea of salient object, we propose a novel infrared stereo matching algorithm which applies to unconstrained stereo rigs. Firstly, we present an epipolar rectification method introducing particle swarm optimization and K-nearest neighbor to deal with the problem of epipolar constraint. Then we make use of transition region to extract salient object in the rectified infrared image pairs. Finally, disparity map is generated by matching salient regions. Experiments show that our algorithm deals with the infrared stereo matching of unconstrained stereo rigs with better accuracy and higher speed.     

基于CCD传感的激光粒度测试技术研究

颗粒测试在工业生产和科学研究中涉及的领域非常广泛,常用的颗粒粒度及其分布的测试方法是激光粒度测试法,其具有测试精度高、测量速度快、重复性好和可测粒径范围宽等突出优点。CCD传感器有灵敏度高、分辨率高、噪声小和较大的动态范围等优点,其作为激光粒度仪的探测器提高光强分辨率的应用已经很普遍了。为提高测量精度,通过对CCD传感技术的研究,应用图像处理的方法来设计光电探测器,搭建了基于米氏散射原理的激光粒度测试系统。实验结果表明,用CCD传感器采集光散射图像,再对图像进行处理,D50与D10误差在6%之内,D90误差在1%之内,降低了测量的重复误差。     

基于序列图象对应概率累积的基础矩阵求解方法

提出一种基于图象序列对应概率累积的基础矩阵求解算法.该算法基于序列对应概率累积求最大熵点的对应概率累积分布图,采用RANSAC思想和加权最小二乘法拟舍极线,通过统计分类器求解极点并消除出格极线,并利用所求的对应极线和极点,采用一种参量化方法求解F矩阵.该算法工程实现容易,对输入的源图象没有苛刻的要求,可以基于随机拍摄的图象序列方便地求解F矩阵.     

基于序列图象对应概率累积的基础矩阵求解方法*

提出一种基于图象序列对应概率累积的基础矩阵求解算法.该算法基于序列对应概率累积求最大熵点的对应概率累积分布图,采用RANSAC思想和加权最小二乘法拟合极线,通过统计分类器求解极点并消除出格极线,并利用所求的对应极线和极点,采用一种参量化方法求解F矩阵.该算法工程实现容易,对输入的源图象没有苛刻的要求,可以基于随机拍摄的图象序列方便地求解F矩阵.     

逆向工程中基于共轴立体视觉的曲面边界测量

针对逆向工程中引导性曲面边界信息的快速获取问题,系统地研究了共轴立体视觉测量方法,建立该方法的数学模型,详细分析了摄像机焦距、基线距等系统结构参数及被测点空间位置对测量精度的影响,通过数学分析确定摄像机基线距的最佳取值范围,研究共轴立体视觉测量系统特殊的极线几何关系.提出基于共轴立体视觉的曲面边界快速测量方法,利用三坐标测量机的精密机械系统及精确的空间定位能力,用单个摄像机以两次共轴定位摄取图像的方式实现共轴立体视觉测量功能,然后利用共轴立体视觉外极线相互平行且通过各自像平面主点的特殊极线几何关系简化同源像点匹配过程,从而快速获取被测曲面的边界信息.实验结果表明:用基于三坐标测量机的单摄像机共轴立体视觉测量方法获取的曲面边界平均误差为0.268 mm,基本满足逆向工程中对引导性曲面边界的测量精度要求.     

Three-dimensional particle imaging by wavefront sensing

We present two methods for three-dimensional particle metrology from a single two-dimensional view. The techniques are based on wavefront sensing where the three-dimensional location of a particle is encoded into a single image plane. The first technique is based on multiplanar imaging, and the second produces three-dimensional location information via anamorphic distortion of the recorded images. Preliminary results show that an uncertainty of 8 microm in depth can be obtained for low-particle density over a thin plane, and an uncertainty of 30 microm for higher particle density over a 10 mm deep volume.     

基于离焦的微操作机器人系统光轴方向深度测量

在分析显微物镜成像原理的基础上,提出并实现了一种微操作机器人系统光轴方向深度测量方法,该方法通过显微物镜离焦光学传递函数（optical transfer function, OTF）建立物方离焦程度与显微图像模糊程度的关系,由此实现深度测量.由于考虑了透镜参数与衍射效应的影响,方法具有较高的测量精度和较好的线性度,同时利用条状物体快速辨识算法,对原始方法进行了简化,使深度测量可在线完成.进一步,将上述方法应用于实际微操作机器人系统,通过离焦状态双针互插实验验证了方法的有效性,同时拓展了微操作机器人系统的有效操作空间. 关键词： 深度测量 微操作机器人 显微镜系统成像模型 光学传递函数     

基于不可压缩光滑粒子动力学的黏性液滴变形过程仿真

应用基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学(incompressible smoothed particle hydrodynamics, ISPH)法对黏性液滴变形过程进行了数值仿真. 对于张力失稳导致的粒子非物理簇集问题, 采用粒子移位技术加以解决. 为了验证本文ISPH 算法的精度和稳定性, 分别模拟了圆形黏性液滴的拉伸变形过程以及方形液滴的旋转变形过程, 得到了不同时刻液滴内部的压力变化特征, 准确地捕捉了液滴自由面演化过程, 并将数值计算结果与文献中的解析解进行了比较.分析结果表明, 基于投影算法的不可压缩光滑粒子动力学方法结合粒子移位技术, 能够有效地模拟黏性液滴变形过程, 可以得到精确和稳定的结果. 关键词： 不可压缩光滑粒子动力学 黏性液滴 自由面流动 数值仿真     

对纳米微粒制备教学实验中微粒尺寸表征的探讨

讨论了纳米微粒制备教学实验的尺寸表征方法．用称重法得出纳米微粒的视比重，TEM法观测纳米微粒的粒径分布．发现视比重与粒径分布之间有定量的依存关系．可以将视比重换算成微粒尺寸，并对不同制备条件下的Cu纳米粉的物理参量与微粒尺寸之间的关系进行了探讨．     

在线透射光脉动颗粒检测仪

介绍了一种新颖的透射光脉动检测技术及基于该技术的颗粒检测仪的信号处理方法,并研制出了新型颗粒检测仪。理论分析表明,检测仪输出值R不受取样管管壁的粘污以及电子元件老化、漂移等不利因素的影响。利用该检测仪对新生态二氧化锰混凝过程进行了在线监测;对混凝剂的最优投量与检测值R的相关性进行了研究。研究结果表明,该检测仪可以在线连续检测水中颗粒尺寸的动态变化,能全面细致地反映混凝过程中絮凝颗粒的成长及破碎的全过程,是一种快速、精细的混凝试验研究工具,并可作为水厂混凝剂最优投量的监控设备。     

利用共线性和对极约束实现匹配扩展

结构化场景图像的纹理较为单一,可提取的局部特征较少。在宽基线情况下,基于图像局部特征的匹配方法很难获取正确匹配,导致匹配精度降低。为此,提出了一种以图像局部特征匹配为基础进行配扩展的方法。匹配扩展时,将图像中线段的两端点作为匹配的基元,利用线段两端点在不同视点间的共线性和对极约束限定候选匹配的搜索空间,剔除错误匹配,进行匹配关系的传播。实验结果表明:当图像存在一定的尺度和视点变化以及明显的光照变化时,该方法能够有效地增加匹配的数目,为精确的极线几何估计和三维重建奠定了良好的基础。     

液体表面光场环状暗斑效应及折射率测量

实验发现透过液体介质的光场出现了一环状暗斑效应。进一步研究表明,该效应是由于光在液体介质表面发生全反射引起的,环状暗斑半径的大小与液体折射率和液体厚度有关,当液体折射率一定时,液体厚度越厚,暗斑半径越大;光液体厚度一定时,折射率越大,暗斑半径越小。进而建立了环状暗斑半径与液体折射率之间的关系,提出了一种测量液体折射率的新方法。