端面不透光的PDMS微柱阵列制备与图像处理方法研究

细胞可对外界施加力的作用，从而感知外界环境并做出力学响应。聚二甲基硅氧烷（PDMS）微柱阵列被广泛应用于细胞力测量，通过测量微柱顶面在细胞力作用下的位移量，获得细胞力的大小及方向。然而，由于PDMS微柱的高透明度，当利用明场显微图像进行图像处理计算微柱位移量时，提取微柱端面质心的算法较为复杂。提出了一种利用磁珠修饰微柱端面使其不透光的方法，以降低图像处理算法复杂度，同时提高微柱位置的识别精度。磁珠在外界磁场作用下被引入模具，向模具中浇铸PDMS后，得到端面嵌有磁珠的不透光PDMS微柱。修饰过后的微柱，其端面会在倒置显微镜下形成实心圆形图案，可以直接用regionprops函数计算出实心圆形图案的质心；未经修饰的微柱，在倒置显微镜下形成环形图案，需要用运算更为复杂的霍夫变换来计算环形图案质心。实验结果表明:该PDMS微柱修饰方法能使微柱端面与基底的对比度得到很大提高，因此在提取端面质心时，不需要用到霍夫变换，减小了图像处理中算法的复杂度，并且提高了微柱定位的精度。     

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。     

用于易燃易爆危险化学品快速识别的手机拉曼系统

危险化学品泄漏，公共场所爆炸等安全问题时刻威胁公众安全，亟需研究用于危化品现场检测的便携、快速、准确的探测装置。虽然现有的检测装置能够实现对样品的识别，但由于体积大，需要预处理，不适合现场快检。因此，提出了将拉曼系统与手机融合，使其更加便捷，便于实现对危险化学品的现场快速识别。该仪器采用了大数值孔径镜头（F/2.0）替换传统反射光谱仪中凹面反射镜（F/4.0），光学收集效率提高了近4倍，同时利用体相位全息光栅和狭缝空间耦合技术，提高了系统的灵敏度。文中利用设计的拉曼系统对10种易燃易爆危险化学样品进行光谱测试，实现了对危化品的现场检测，10种危化品与数据库的匹配系数能达到95%以上，具有快速、准确、无损的优势，对日后的安检应用领域具有重要意义。     

基于激光回馈效应的应力测量系统研究

玻璃材料的内应力直接影响玻璃零件加工质量和光学器件使用寿命,在航空航天、精密光学系统,精密加工等领域受到高度重视,高灵敏度,大测量范围的应力检测技术已经成为当前的研究热点。本文提出一种基于激光回馈效应的应力测量方法。激光回馈系统由激光器和外部反射镜构成,待测样品放置在回馈外腔中。由于应力引起的双折射效应,带有应力的样品使外腔分裂为两个“物理长度”,不同的外腔长决定了不同偏振方向的回馈光相位,通过提取相位差信息,可获得应力的大小。从理论上分析了回馈系统中激光器的输出光在正交方向的相位与外腔应力双折射的关系；通过傅里叶变换的方式得到双折射外腔激光回馈系统光强调谐曲线的相位信息；最后,采用激光回馈系统对不同的飞机座舱有机玻璃样品内应力进行了测量,并给出测量结果。该方法具有结构简单、精度高的优势,并且具有应用于玻璃材料生产线、改进制备工艺的潜力。     

基于四步相移光栅投影的三维形貌测量系统

为了实现对具有明显跳变面物体的轮廓测量,建立了四步相移光栅投影的三维形貌测量系统,并对所采用的四步相移测量算法进行研究。在介绍四步相移原理的基础上以有明显跳变面的三棱锥橡皮块为例,建立针对明显跳变面的测量算法。通过对4幅相移图算术求和并除以4得到平均灰度图;将平均灰度图二值化处理定位明显跳变面或阴影部分;将二值化图像与包裹相位图卷积,而后对包裹相位图进行解包裹,从而得到正确的连续相位,最终获取物体三维形貌。根据上述算法测量三棱锥的三维形貌并计算其体积,测量实验表明:被测物的体积平均相对精度为0.47%。     

应用数字散斑投影测量纸页厚度

传统的纸张厚度测量方法只能测量纸页某一点厚度, 该类方法会因为纸张厚度全场分布不匀带来测量误差。针对该问题, 提出利用数字散斑投影的纸页厚度检测方法, 向待测纸页投射散斑图案, 并构建散斑投影的实验测量系统, 通过三维数字图像相关的算法处理, 得到纸页的形貌以及厚度。实验表明, 对纸张厚度名义值为0.180 mm的实验样品进行测量, 结果为0.177 mm, 对该方法进行重复实验, 测得的相对误差小于4%, 而且该方法能够直观地显示纸页的全场分布。此外, 提出的纸页厚度测量方法具有结构简单、非接触式测量、全场测量等优点, 为纸页生产中的厚度检测提供了新思路。     

基于T分布混合模型的多光谱人脸图像配准

为了降低多光谱人脸图像中出现的非刚性形变、噪声和离群点等因素对配准结果的准确性和稳健性的影响,提出一种综合考虑特征点的空间几何结构和局部形状特征两方面信息的多光谱人脸图像配准方法。所提方法首先通过基于内部距离的形状上下文描述子来表述点集的局部特征信息,建立可见光和红外图像相似性测度函数。然后利用Student′s-T分布混合模型来表示图像特征点集配准过程中变换模型估计问题,并采用期望最大化算法对模型进行求解。仿真数据表明在点集存在非刚性形变、噪声和离群点的情况下,所提方法仍可以实现点集间的精确配准。可见光和红外人脸真实图像数据表明所提方法的平均匹配误差和运算效率都优于对比算法,配准融合后的多光谱人脸图像可以提高后续的人脸检测和识别性能。     

激光器内腔频差对双折射外腔激光回馈系统输出影响的理论及实验研究

玻璃材料的内应力关系及所在系统的稳定性、安全性和可靠性,是精密加工领域的重要问题.基于双折射外腔激光回馈效应的应力测量技术以其先进新颖的测量原理受到普遍关注.传统理论普遍认为双折射回馈系统中激光器的输出相位仅由外腔相位延迟决定,而将测量误差归因于外腔镜的非线性运动.本文结合正交偏振激光原理和三镜腔等效模型,测量了激光器的内腔双折射引起的频差大小,进行了频率调谐回馈实验,并根据结论计算了内腔频差对外腔相位延迟测量结果的影响,发现激光器的输出相位由外腔相位延迟、内腔频差、外腔长度共同决定.本文总结了内腔和外腔各向异性共同作用下激光器正交偏振态的相位特性,补充了激光回馈的物理内容,对于应力-双折射、位移、距离等重要参量的精确测量,都具有重要指导意义.     

大尺寸视觉测量系统在线标定的新方法

提出了一种新的基于视场边缘距离相对约束条件的摄像机标定方法,并用于大尺寸测量中摄像机的标定,该方法在标定摄像机内外方位参数的同时也完成了成像畸变的校正,将标定结果用于测量,在4×4×1m3的测量视场内,其相对精度达到1/2000,与传统标定方法相比,该标定方法灵活性高,更加适用于测量视场较大的情况。     

多尺度特征融合的目标检测算法研究

针对Faster R-CNN在多尺度目标检测时易出现小目标漏检和误检的问题,提出一种改进的多尺度目标检测算法。将利于小目标检测的低层网络和利于大尺度目标检测的高层网络进行多尺度特征融合;在训练阶段,采用在线难例样本挖掘算法维护难例样本分类池,加速神经网络模型迭代收敛,解决训练样本不均衡、训练效率低下的问题;计算并统计待检测目标的尺度大小,合理控制用于生成候选区域的锚框尺寸,提高模型泛化能力。采用PASCAL VOC2012公开数据集和类人足球机器人自建数据集进行算法验证,实验结果表明,相比Faster R-CNN算法,本算法的平均检测精度在上述数据集下分别提高了8.61和5.47个百分点。