为求解机械臂最短路径问题, 导出了机械臂末端路径长度的表示式, 并将最短路径问题归结为一个泛函极值问题。为简化求解过程, 将泛函极值问题转化成另一个同解的泛函极值问题, 并利用变分法求出了表示后一问题解的微分方程组。利用上三角矩阵逆矩阵的表示式, 将该微分方程组转化成了标准状态方程组, 与微分几何方法相比, 避免了逆矩阵计算, 使转化过程更加简单。利用 Matlab进行仿真, 求出了 3R机械臂最短路径所对应的三个关节角度的位移函数。

针对大口径光学望远镜方位轴系的结构特点, 利用 ANSYS建立了相应结构的二维简化模型, 对接触刚度、接触算法等接触仿真相关参数进行了简要分析与设定。结果表明, 与经典的赫兹接触理论相比, ANSYS计算得到的最大接触压力与弹性趋近量误差分别为 4.3%和 0.4%, 验证了 ANSYS分析中模型建立和参数设置的合理性。再利用所得 ANSYS模型, 结合轴承实际参数, 对该望远镜方位轴系的平面止推轴承进行了静力学分析, 建立了一种静承载能力曲线的绘制方法, 为大口径望远镜方位轴系设计提供了可靠的理论依据。

针对高动态范围目标, 本文设计了一种基于数字微镜器件 (DMD), 能够对高动态目标进行自动区域调光的望远系统, 其中 DMD为中间像面。首先 DMD上所有微反射镜处于开状态, 获取一幅目标景象的图像, 按照平均灰度和局部动态将该图像划分为若干小区域, 并设定各区域的曝光时间等参数。按照确定的参数逐区控制 DMD微反射镜的开关状态及时间, 并完成探测器的曝光成像, 获得具有高动态范围的图像。设计的望远系统焦距为 223 mm, F数为 5, 视场为 3°, 工作波段为 480～760 nm, 最终系统的动态范围可达 140 dB。设计结果表明, 在 DMD像面上, 各视场 MTF 在 Nyquist频率处均大于 0.70, 畸变接近于 0; 在探测器像面上, 各视场 MTF在 Nyquist频率处均大于 0.55, 畸变小于 2%。

显微镜是有着漫长发展史的经典光学仪器之一, 它的性能在不断提高, 但显微物镜工作距离短在很大程度上限制了其应用。随着市场对长工作距离显微镜的迫切需求, 其研发将具有重要意义。本文根据设计要求, 初定物镜结构, 然后利用 ZEMAX进行设计、优化, 给出了一工作距离 150 mm、线视场 0.8、放大倍率 5倍、分辨力 6 μm的折射式以及折反射式显微物镜的设计结果, 并对比了二者的优缺点。

尽管 OCT早已在世界范围内获得临床诊断许可, 但这项技术尚无任何国际标准。如何验证 OCT的成像能力及有效性被认为是该技术标准化进程中的重要一环。本研究研制了一种可用于 OCT三维成像分辨率测试的模拟眼。该模拟眼利用透明树脂材料仿真了人眼的重要光学元件: 角膜与晶状体。采用 3D打印技术在模拟眼眼底制作出了参照 USAF1951靶板设计的三维分辨率测试图案。研究结果表明该模拟眼能够对 OCT设备的三维成像分辨率性能进行初步评估, 通过进一步改进, 未来可用于注册检验或日常质控。

提出了一种医学层析图像的计算全息三维可视化技术。首先研究了层析图像序列的三维信息融合, 将层析图像序列的二维信息融合成三维信息, 用计算全息图的方法进行三维信息记录。然后结合空间光调制器的结构特性, 对全息系统的空间频率、参物光夹角、取样间隔以及全息再现像的再现区域和视角等进行了讨论和分析, 并设置了相关参数, 使计算全息系统与电子显示系统相匹配。最后用液晶空间光调制器作为全息图显示载体, 用计算机控制全息图的实时输出, 用雾屏承载三维空间再现像, 建立三维图像光电再现与实时显示系统, 实现层析图像序列的三维可视化, 给出了理论分析与实验结果。

本文基于牙菌斑与牙齿组织自体荧光光谱的差异性, 提出了一种利用自体荧光成像的牙菌斑量化分析方法。首先测试了牙齿样品在 405 nm激发光作用下自体荧光光谱分布, 在分析荧光颜色参量与牙菌斑含量相关性的基础上, 提出以荧光图像的 R/B作为牙菌斑含量量化的参量, 并确定使用中心波长为 490 nm的长波通滤光片对荧光光谱波段进行选择性提取。最后, 搭建实验装置获取了牙齿自体荧光图像, 利用 R/B值作为分割阈值得到了三个不同等级的牙菌斑含量与分布的量化分析结果, 与视诊结果相符。

为了克服人脸识别中存在的遮挡等闭塞问题, 本文提出了 Gabor特征结合 Metaface学习的扩展稀疏表示人脸识别算法 (GMFL)。考虑到 Gabor局部特征对光照、表情和姿态等变化的鲁棒性, 该算法首先提取图像的 Gabor特征集; 然后对 Gabor特征集进行 Metaface字典学习得到具有更强稀疏表示能力的新字典, 同时引入 Gabor闭塞字典来编码表示图像中的闭塞部分, 并与新字典联合构造一组过完备字典基; 最后利用过完备字典基求解稀疏系数重构样本, 根据样本与重构样本之间的残差最小原则对人脸图像进行分类识别。在 AR人脸库和 FERET数据库上的实验结果验证了本文算法的可行性和有效性。

近年来, 自动掌纹识别方法的研究吸引了越来越多的关注, 已有的工作主要集中于二维掌纹识别。然而, 二维掌纹图像存在着易伪造、抗噪能力差的缺陷, 实际应用中会带来潜在的安全隐患。因此, 三维掌纹识别被视为一种可行的解决方案来进一步提高识别的性能。基于局部纹理特征, 本文提出一种有效的三维掌纹识别方法。该方法首先利用形状指数来描述三维掌纹的局部几何特征, 接着提取形状指数图像的局部三值模式以及 Gabor小波特征, 最后在匹配分数层次上对这两种互补的局部纹理特征进行融合, 随后的实验证明了融合特征较单独特征要好。在香港理工三维掌纹数据库上的实验结果表明, 本文方法在识别率上要优于目前流行的其它三维掌纹识别方法, 从而验证了本文方法的有效性。

针对传统掌纹识别方法易受噪声干扰, 且旋转鲁棒性差的问题, 提出一种采用均匀局部二元模式 (Uniform Local Binary Patterns, ULBP)及稀疏表示的掌纹识别方法。该方法利用善于表达图像纹理特征, 且具有良好旋转不变性和抗干扰性的 ULBP提取掌纹图像特征; 同时考虑到直接对整幅图像进行 ULBP处理会丢失局部纹理, 采用先对各图像进行分块, 再对各块分别进行 ULBP处理的特征提取方案。在分类算法的设计上, 本文利用掌纹图像库中训练样本的 ULBP特征构造过完备字典, 通过求解 l1范数意义下的最优化问题实现测试样本的稀疏分解, 并提出一种基于统计残差平均的稀疏表示分类方法, 实现了测试掌纹图像的分类识别。实验结果表明, 本文方法不仅具有良好的旋转及噪声鲁棒性, 而且总体识别率明显优于基于 PCA及 2DPCA的传统稀疏表示分类方法, 对于包含 5 000031 0人的掌纹数据库, 识别率分别提高了 8.8%和 6.8%。

针对传统稀疏表征分类器只有在训练样本足够多时才会对特征变化不敏感的缺点, 提出一种 Shearlet多方向自适应加权融合的稀疏表征人脸识别算法。为了提取局部方向信息并降低特征维数, 首先利用 Shearlet变换对图像进行多尺度、多方向分解, 获得子带系数矩阵, 然后根据子带系数矩阵方差的大小对同一尺度的方向子图按主方向排序, 利用子带系数矩阵的能量和均值特征对排序后的人脸子图进行加权融合, 最后为了使得表征系数矢量具有更为显著的稀疏性, 进一步利用融合特征构造字典。在 ORL、FERET和 YALE人脸库中做了多组实验, 结果表明, 该方法能增强对外界环境变化的鲁棒性, 同时可以提高人脸的识别率。

设计了一种 18杆空间相机桁架式主支撑结构, 解决了大型离轴三反空间相机主支撑结构要求同时具备轻质、高刚度、高强度和高热尺寸稳定性的难题。分析了采用整体框架结构及桁架支撑结构作为离轴三反空间相机主支撑结构的优缺点, 根据光学系统及相机整体结构尺寸特点, 确定了桁架支撑方案。分析对比了单层 6杆桁架结构和双层 18杆桁架结构的动静态刚度。合理选取了桁架式主支撑结构的材料, 分析了对支杆基频的影响因素, 优化设计了支杆的结构参数, 分析了 18杆桁架支撑结构的力、热特性, 并对支杆与杆接头的胶粘结强度进行了试验测试。有限元分析结果表明, 相机桁架主支撑结构一阶固有频率为 78.4 Hz, 次镜在 X向重力作用下绕 Y轴的最大倾角为 4.6″, 动静态刚度均满足设计指标要求。碳纤支杆拉伸试验结果表明, 胶粘结支杆的抗拉强度为 5.85 MPa, 满足强度要求。

LDP算法是将与 Kirsch算子运算后得到的一些负值的邻域灰度值作为中心灰度值的编码因子, 这将会导致中心灰度值不能很好的反映邻域局部特征信息, 从而降低识别率。针对于此, 本文提出了一种改进的局部定向模式(CLDP)算法。该算法在 LDP的基础上, 去掉邻域灰度值为负值的因子, 对中心灰度值进行重新编码, 由于该编码值是将与 Kirsch算子运算后的正值最大值作为图像边缘输出, 使中心灰度值能很好反映邻域的局部特征信息, 从而提高人脸的识别率。本文还将提出的 CLDP算法用在 YALE, ORL, JAFFE等人脸数据库中进行人脸识别。从实验的结果表明, 该方法识别性能较 LDP算法, LDN算法以及 ELDP算法等更好的。

为了更好地评价 30 m望远镜三镜 (TMT M3)的反射镜, 本文结合系统频域特征以及斜率均方根, 对于其检测、评价的基本原理进行研究。首先根据斜率均方根 (slope RMS)的定义, 基于正弦多项式, 对于其基本性质进行推导与分析; 然后, 针对斜率测量, 提出 slope RMS的分离与合成方法, 为提出符合 TMT招标方要求的检测评价方法提供理论基础; 最后, 将本文方法应用于 TMT三镜仿真数据, 检验了本文假设的正确性与方法的可行性。

气溶胶吸收直接影响光在大气中的传播造成光的衰减。本文采用折返式 Jamin偏振干涉结构建立了气溶胶光热干涉实验系统, 提出并实验研究了在激光照射 (加热)和降温两个阶段分别测量吸收系数的方法, 确定了两种方法测量气溶胶吸收系数的激发激光功率, 为进一步开展气溶胶吸收系数的实验研究提供了参数支持。

为了保证电动变焦数字监控摄像机的变焦步进电机和调焦步进电机的调节范围在厂家设计的可聚焦范围内, 设计了一种基于变焦曲线的变焦电机和调焦电机的原点位置校正方法。首先, 从镜头厂家提供的镜头变焦曲线中选定一条作为标准曲线。接着, 利用自动调焦方法采集标准曲线对应距离下的实际变焦曲线。然后, 计算标准变焦曲线的最高点和实际变焦曲线的最高点的偏移量。最后, 在该偏移量附近的一个小范围内按照平方差最小的原则求出最佳偏移量即为原点位置的补偿值。在 30倍光学变焦数字高清摄像机中实现了该方法, 实验结果表明: 48台采用本文方法成功校正的镜头在设计调节范围内均没有出现电机堵转和无法聚焦的现象, 校正成功率 96%, 很好地解决了由于原点位置误差造成的问题。