基于改进差分进化算法的相机标定研究

目前相机标定多采用Tsai和Weng的基于非线性成像模型的分步标定法。在研究标定算法的过程中发现,待优化的目标函数具有多个局部极值点,采用传统的局部优化算法会导致迅速收敛到局部极值点,而非全局最优解,影响了标定精度。差分进化是一种收敛速度很快的进化算法,但当初始种群分布不够理想时,它可能快速收敛到局部极值点。将其改进后用于相机标定,提出了分步法与改进的差分进化算法相结合的相机标定方法。数据实验表明:标定精度比直接采用分步法有所提高。     

机械臂D-H参数和减速比几何标定及误差补偿

针对机械臂D-H参数和关节电机减速比不精确导致机械臂绝对定位精度降低的问题,提出了在利用几何分析标定机械臂D-H参数的基础上,通过分析关节实际旋转角度和相应电机编码器码值的线性关系,标定关节电机减速比的方法。针对关节角误差微分补偿法计算量大的缺点,通过推导机械臂末端位姿矩阵误差和关节角误差之间的微分关系建立误差模型,求解关节补偿角,避免了雅各比矩阵的求取,提高了计算效率。最后采用三维激光跟踪仪搭建测量系统,完成了一种6自由度机械臂的标定及补偿实验。实验结果表明,通过参数标定及误差补偿,机械臂的绝对定位误差均值从标定前的2.83 mm和1.14°降低到0.54 mm和0.24°,验证了方法的有效性。     

基于归一化算法的一维标定物多相机标定

为了提高多相机一维标定的精度,提出了一种基于归一化算法的分层逐步标定法,由基本矩阵获得射影投影矩阵,进而转换成度量投影矩阵。对标定物图像特征点的坐标进行归一化预处理,以提高标定精度,同时又保持线性方法快速、易实现的优点。在所提标定方法中,一维标定物可自由运动,不受场地环境约束,使用灵活。通过仿真和真实实验,验证了归一化特征点坐标可以显著提高标定结果的精度和稳健性。     

基于相机视角的标定和定位算法的研究

双目视觉可用于目标的准确定位和三维信息获取。对双目视觉中的标定和定位算法进行了基于相机视角的相关研究,包括成像模型、基于相机视角的双目视觉标定和定位的基本原理等,并进行了实验验证。将其结果与传统算法进行了相应的对比分析,结果表明具有良好的标定和定位效果。     

空间机械臂运动过程中的碰撞检测方法

针对一种六关节机械臂,导出了各关节和末端的坐标,对可能与舱体碰撞的机械臂的几个连杆,将其上面的各点表示成两端关节坐标的函数,并由此给出了该点与舱体碰撞的检查方法;该方法不仅能检查机械臂关节与舱体的碰撞,而且能够检查机械臂连杆上任何位置与舱体的碰撞;对可能发生相互碰撞的机械臂的每对连杆,将其上面的各点表示成两端关节坐标的函数,并由此给出了每对连杆相互碰撞的检查方法;该方法不仅能检查机械臂两连杆两端关节的相互碰撞,而且能够检查机械臂两连杆上任何位置之间的相互碰撞;仿真结果证实了两种碰撞检查方法可行性和有效性。     

自由度冗余蛇形臂机器人手眼标定研究

针对自由度冗余蛇形臂机器人的手眼标定问题,提出一种不依赖蛇形臂机构运动参数求解视觉系统与末端法兰盘手眼关系的方法;借助外部辅助双目相机系统,通过构造外部相机、末端法兰盘、视觉导航相机三者坐标系的闭环转换得到待求手眼关系;首先根据立体视觉原理得到标志点在对应相机坐标系下的3D坐标;然后利用四元数法分别求得外部相机坐标系与法兰盘坐标系、外部相机坐标系与视觉导航相机坐标系间的转换关系;最后构建坐标系转换关系闭环求得手眼关系;实验结果表明,该标定法避免了蛇形臂自由度冗余导致运动控制精度差带来的干扰,标定精度满足设计要求。     

基于一维标定物和改进进化策略的相机标定

为了解决运动参数光电探测过程中的相机标定问题,制作一种两端及中间各安装一个红外反光标记球的一维标定物.不需要其它复杂标定装置,只要将这种特制的一维标定物在测量空间内多次随意移动并摄取其图像,即可实现标定.算法首先假定主点位于像面中心附近的某个位置,再求出焦距、旋转矩阵、平移向量和比例因子,最后通过评价函数将相机标定转换成寻找两相机最佳主点对的非线性最小化问题.在传统进化策略中引进个体的自我改进系数、个体间距离等概念,提出了求取子代个体间的欧式距离并排序的方法,设计了搜索最佳主点对的改进型进化策略算法.与传统标定方法相比,基于一维标定物的方法克服了多相机场合的遮挡问题,改进进化策略的引入打破了一维标定物需做某种特殊运动的限制,使一维标定物自由运动时相机内、外参数的同时求解成为可能,改进的模拟退火进化策略改善了算法的全局收敛性能并加快了收敛速度.     

相机内参量及像差系数与外参量的解耦标定方法

基于无穷远点与相机内参量关系,提出了一种相机内参量及像差系数与外参量解耦标定方法.首先,根据平面单应计算绝对二次曲线在像面的投影方程,线性求解相机内参量;然后,将重投影像点视为理想像点线性求解像差系数,并计算像点重投影误差;最后,将序列图像的平面单应作为待优化参量,以最小化像点重投影误差为目标函数,重复上述过程,输出最优的相机内参量和像差系数.在相同配置下,分别对本文方法和张正友平面靶板标定方法的标定准确度进行仿真与对比分析.基于不同姿态和位置的27幅棋盘格图片,分别利用这两种方法对相机内参量进行标定实验.实验结果表明:与张正友平面靶板标定方法相比,本文方法的标定准确度提高了至少1％;在实物实验中,张正友平面靶板标定方法和本文方法的重投影残差分别为0.064像素和0.008像素.     

相机标定的外界影响因素分析

针对相机标定结果易受外界因素干扰的问题,为了提高标定准确度,利用已有的摄像机针孔成像模型,采用自适应角点检测算法提取靶标图像中的特征点,标定结果以重投影横纵像素误差的平均值作为性能指标,对均匀光源的照度、标定图片数量以及标定靶标上棋盘格尺寸3个影响因子做了相应的分组对比实验。研究结果表明,选择亮度高的光源提升标定准确度达到38%以上;特征点数目156个时,仅需18张～22张标定图片;相对较小的棋盘格尺寸可以使得标定准确度提高50%。以上结果充分说明了光源、图片数量和棋盘格尺寸对于提高相机标定准确度具有重要意义。     

基于CRIO的机械臂测控系统设计

为了快速验证机械臂控制系统的操控准确性与执行机构稳定性,研制了一套机械臂测控与状态监测系统。在介绍基于NI CompactRIO平台的Profibus、CANopen、485总线以及快速IO总线技术应用的基础上,阐述了基于LabVIEW FPGA技术的测试数据高速采集、分析与处理等软件模块的具体实现方法。为了验证测试与显控平台的性能,针对摇摆试验台上的机械臂进行了摇摆状态PID控制与姿态显示测试,结果表明,机械臂的稳定控制角度误差为±0.40,控制信号传输延迟为0.3ms,姿态反馈延迟时间为50ms,PC端显控画面刷新时间为0.04 s,系统可不间断持续运行,性能优越,满足机械臂状态监测与性能测试要求。     

单色仪定标曲线的非线性拟合简

采用两种方案对WDF棱镜单色仪的定标曲线进行非线性拟合。通过实验找出棱镜的折射率与TT鼓轮的关系,得到利用科希公式拟合定标曲线的可行性方案;利用高阶多项式对定标曲线进行拟合,运用统计的方法探讨不同的拟合阶数对拟合结果的影响,并得到了最佳的拟合阶数和高精度的拟合结果。     

变焦曲线拟合方法的比较与研究

在机械补偿变焦距光学系统中,通过利用变焦曲线控制变倍组与补偿组的移动来达到变焦目的.因此,为使变焦距光学系统在变焦过程中能够始终成像清晰且稳定,拟合出良好的变焦曲线是十分必要的.本文运用动态光学理论、CODE V和ZEMAX宏三种方法分别对一个20倍变焦距光学系统进行变焦曲线拟合,得到相应的运动曲线方程.根据所得到的三组曲线方程,随机选取若干变焦位置点,分别对这些位置点的光学系统离焦量、中心视场MTF和边缘视场MTF进行评价.数据分析表明,动态光学理论拟合出的变焦曲线在满足系统要求前提下更能够保证像面的稳定性.     

多组元全动型变焦距物镜高斯光学

设定多个变倍组元和多个补偿组元并应用最优化计算方法,给出了最新型变焦距物镜多组元全动型高斯光学参数的计算方法,它概括了几种所有机械补偿法的变焦方式。     

应用动态光学理论求解变焦光学系统补偿组凸轮曲线

变焦镜头在校正像差的同时,还要求像面稳定,才能保证成像质量。采用机械补偿的方法,可以保证凸轮的准确性以使像面稳定,从而保证成像质量。首先应用动态光学理论推导出变焦光学系统的像移补偿组公式,从而得到像移补偿组的轨迹曲线。再根据推导得出的补偿曲线加工出凸轮机构,可对光学系统变焦带来的像移实现完全补偿。此外还给出三个变焦系统的设计实例,用来验证该方法的正确性和实用性。     

35～7Omm/F3.5～4.8变焦镜头的优化设计

传统的镜头光学设计多半是在一初始模型(如专利)的基础上作一定程度的人工修改。然而借助光学设计软件的新技术,可以对初始模型作较大的改动,使之脱离原有的模式而得到一个更优化的结果。本文以一个35～70mm/F3.5～4.8变焦镜头的光学设计为例,简要地叙述了这一过程。     

光谱曲线拟合程序的开发与运行的技巧

针对固体中杂质发光光谱的特殊问题,以FORTRAN77语言编写了多套曲线拟合程序,可分别适用于光滑型,散粒噪音叠加型及混合型光谱曲线的分解,并介绍了正确使用程序的技巧,对如何获得正确,可靠的拟合结果进行了讨论。     

机械补偿法变焦镜头三个发展阶段的概况和发展方向

叙述机械补偿法变焦镜头三个不同的发展阶段、特点和发展方向。     

多组元全动型变焦距透镜高斯光学参数的求解方法

在求解多组元全动型变焦距透镜高斯光学参数的过程中，不再区分变倍组与补偿组的概念，统一将变焦距系统运动组元的移动距离和焦距作为变量，并将组元的F数作为约束条件，提出了一种能同时求解多组元全动型变焦距系统在每个变焦位置高斯光学参数的计算方法，并给出了设计实例，证明了算法的可行性，提高了光学系统设计的智能化程度。     

摄像机镜头畸变的一种非量测校正方法

为了减少噪声对摄像机镜头畸变的校正结果带来的影响,提出了一种校正摄像机镜头畸变的非量测方法.先找出由直线畸变而成的曲线,再用直线段连接每条曲线的两个端点形成一些闭合曲线.把它们的面积平方和定义为畸变测度,并用遗传算法搜索畸变测度的最小值.以此得到畸变参量.计算表明,该畸变测度具有较好的抗噪声能力,而遗传算法能避免收敛于局部极小值,减少了矫正图像的均方根误差.实验表明,对多幅图像分别和联合校正,相应矫正图像之间的均方根误差较小,计算和实验郜表明该校正方法具有良好的稳健性.     

Review of Recent Zoom Lens Developments for 35 mm Cinematography at Panavision

A series of high performance zoom lens objectives developed by Panavision over fifteen years, which are very popular in the motion picture (cine) industry, are described. Various aspects of four cine zoom lenses, including; definitions, development, specification, construction, aberrations and tolerances, are discussed.This paper was originally presented at the 2nd International Conference on Optical Design and Fabrication, ODF2000 which was held on November 15-17, 2000 at the International Conference Center, Tokyo, Waseda University, Japan.