将负折射率材料引入到空芯Bragg光纤包层中,形成具有正负折射率介质层交替的空芯Bragg光纤, 运用传输矩阵理论对该Bragg光纤的束缚损耗特性进行分析和计算, 并与传统的全正折射率介质层Bragg光纤的束缚损耗进行对比。结果发现: 在最低损耗方面含负折射率材料的空芯Bragg光纤没有表现出任何优势, 但在最低损耗点附近的损耗小于全正折射率介质层Bragg光纤, 损耗曲线比较平滑, 并且传输波长范围较宽; 当空气作为一个介质层的材料时, 两种Bragg光纤的束缚损耗特性几乎一致; 当减小包层折射率对比时出现了与全正折射率介质层Bragg光纤不同的现象, 损耗曲线变的更为平滑, 说明传输波长范围变宽了。

针对变光照环境下给皮带撕裂视觉检测过程造成的识别干扰, 提出了一种基于洛伦兹信息测度(Lorentz Information Measure, LIM)分块的改进Ostu分割算法的结构光视觉检测方法。首先将红色线性激光投射到皮带表面, 通过CCD相机捕获高对比度图像; 然后利用LIM方法将ROI(Region of Interesting)区域根据其水平方向光照强度分块, 并逐块通过线性加权Ostu算法进行图像分割, 进而合并出整幅图像的激光条纹; 最后提取激光条纹中心线, 并对其信息特征进行分析比较, 判断皮带是否发生撕裂。通过现场在皮带机上进行试验, 在轻度和重度污染环境下, 892张样本的正确检测率为95.72%, 平均单张样本检测时间为89ms, 检测精度和速度满足实用要求。

准直光管角度分划示值一般用来校准小角度光学仪器, 在靶场试验中主要用于校准校靶镜、瞄准镜等火炮瞄准仪器, 其示值需要定期进行校准和溯源。提出了采用经纬仪对准直光管角度分划示值误差进行校准溯源的方法, 建立了测量模型, 进行了测量实验和不确定度分析评定。结果表明, 该方法满足量值溯源和传递要求。

用V棱镜折射仪测量光学玻璃的折射率, 常规测试精度可以达到±5×10-5。通过分析V棱镜折射仪折射率误差的原因发现, V槽与被测件折射率越接近, 测量误差越小, 因而对V槽进行了改进。在最新的光学玻璃nd-vd图上选取6种高品质材料, 将原来的V槽进行细分, 组成新的测试标准块。对生产产品进行了实测, 与标准样块进行了比对。实测结果表明, 采用改进的V槽可以得到更精确的测量结果, 测试精度可以达到±2×10-5。

为了模拟人类视觉系统成像机制, 真实再现人眼对外界场景的视觉感知, 为机器视觉提供符合生物视觉特性的理想图像,从色度学的角度研究了彩色图像的真实影像再现技术。针对色貌模型存在图像模糊、对比度低的缺点, 在iCAM色貌模型的基础上, 引入了人工神经网络的非线性Sigmoid函数, 提出了基于Sigmoid-iCAM色貌模型的真实影像再现算法, 并给出了该模型处理不同类型图像的控制参数统计规律。与基于CIECAM02、iCAM色貌模型的真实影像再现算法相比, 该算法在对色调失真图像实现颜色复原的同时, 有效地提高了图像的对比度和局部细节, 很好地实现了视觉系统的颜色恒定性。

利用光纤激光加工系统对厚度为0.12mm 的SUS304材料进行回转法打孔。通过正交实验方法分析了激光功率比、占空比、切割速度、重复频率、辅助气压等参数对打孔质量的影响。实验结果表明,激光打孔工艺最优参数组合是:切割速度为12mm/s,占空比为8％,重复频率为1.5kHz,功率比为85％,辅助气压为0.8MPa。在此优化参数下得到的最小打孔锥度为0.05°, 且微小孔边缘热影响区较小, 孔真圆度较好, 可以保证较高的打孔质量。

高动态范围图像原始数据在获取和合成过程中会出现异常值, 进而影响色调映射后的低动态范围图像显示效果。为了解决此问题, 提出了一种基于图像引导滤波的图像色貌模型(iCAM06)色调映射算法。该算法使用具有较强平滑作用的引导滤波代替双边滤波, 将输入数据分成细节层和基本层, 分别对细节层和基本层进行处理。为了使映射后的图像更加符合人眼感知效果, 对色适应矩阵CAT02进行了调整。实验结果表明, 与相关算法相比较, 该算法减少了由于数据异常造成的显著噪声点, 避免了伪影和偏色现象, 使细节得到了较好的保持。信息熵、方差和清晰度等客观指标也证明了该算法的有效性。

设计了一套结合鱼眼摄像头和头戴显示器的新型全景显示系统。采用鱼眼正交投影法建立合适的数学模型, 基于该数学模型合理展开虚拟半球的UV, 将鱼眼图像映射到虚拟半球上, 同时使用双目虚拟摄像头采集已经矫正畸变的图像, 并将其显示在头戴显示器中, 达到头戴显示器全景显示的效果。通过实际测试验证了该方案的可行性。

椭圆检测是机器视觉和模式识别的基本任务。首先在椭圆中心初定位阶段, 通过参数空间的少量投票, 依据均值漂移技术获取粗略的椭圆中心, 然后再由精提策略实现椭圆中心的精确像素级定位, 并采用插值方法进一步获取椭圆中心亚像素坐标。仿真及真实图像的实验结果表明, 所提出的方法同时具备了椭圆检测的鲁棒性和中心定位的精确性。

针对多视角下老龄人异常行为检测问题, 利用3D人体数据和多线性子空间分析方法, 从时间、视角和空间动作特征对其进行了研究。首先通过三维结构光传感器获取人体扫描点云数据, 并进行点云精简和人体表面重建。然后提取人体点云数据的表面曲率特征, 并将其映射到二维彩色图像中, 构成彩色动作特征图。通过提取特定时长内所有动作的彩色特征图, 生成基于曲率的彩色动作能量图模型, 并使用2D-PCA对彩色动作能量特征图进行降维。最后运用基于张量分析的多线性子空间分析方法, 对多视角下降维后的数据进行视角无关的特征提取, 并完成异常行为的分类和识别。实验结果表明, 该方法切实可行, 可将其应用于助老机器人和老龄人监护等相关领域。

为了提高诊断人眼对比敏感度性能,研制了变对比度、变频率、变亮度和四方位可控的计量校准级对比度阈值测试仪器。提出了可行的变对比度挡光板的移动以及变频率和四方位靶板组切换的优化控制设计方案。

为了实现对水下机械手运动范围的检测, 研发了一套多目立体视觉测量系统。通过测量机械手末端空间运动轨迹, 利用空间圆拟合算法可计算出被测关节的实际运动范围。对其中的核心算法空间圆拟合进行了研究。首先空间圆可看作是由一个平面与球体相交而成, 其圆心必定在球体上任意两点连线的中垂面上, 可基于空间向量的拟合方法推导出中垂面的方程, 与拟合的空间平面联立即可求出空间圆方程, 进而利用拟合出来的空间圆的圆心坐标求出圆半径。然后对实际测量过程中的错误跟踪点进行了分析, 如果在空间圆拟合的过程中对错误跟踪点不加以去除, 则会带来错误的拟合结果, 从而会大大影响测量结果的正确性。最后提出了基于RANSAC(Random Sample Consensus)的空间圆拟合算法, 它可以从一组包含错误点的测量数据集中通过迭代方式有效剔除粗大误差点, 从而估计出数学模型的参数和正确的拟合结果。仿真测试及实际测量实验的结果表明, 当粗大误差点所占总测量点数的比例小于20%时, 所提出的算法可有效地剔除所有粗大误差点, 很好地解决了机械手运动范围检测系统在实际工程应用中所遇到的问题。

射流速度和冲击角度会影响冲击射流的动力特性, 对射流抛光的材料去除面型和材料去除量有重要的影响。对冲击射流壁面流场结构进行了分析, 建立了工件壁面上的速度、压力与冲击角度、射流出口速度的数学关系。在分析理想平面的基础上, 重点分析了射流速度和冲击角度的变化对存在表面瑕疵的工件材料去除量的影响。结果表明: 对于理想平面, 当冲击角度大约为30°时, 可得到理想的高斯型面型分布; 对于存在瑕疵的工件表面, 在小角度冲击时更有利于材料的去除; 工件材料的去除量均随着射流速度的增大而增大。

为了提高空间域彩色图像零水印算法的水印嵌入和检测精度以及抵抗旋转几何变换的能力, 提出了一种基于Radon变换和四元数实矩阵表示的抗旋转攻击空间域零水印算法。首先将原始彩色图像使用四元数实矩阵来表征, 并计算实数字矩阵的Radon变换不变矩; 然后利用少量低阶Radon变换不变矩来设计和构建零水印信息; 在水印检测前, 通过Radon变换几何校正算法对可能遭受旋转攻击的待检测图像进行旋转角度的校正, 然后进行水印的提取。实验结果表明, 该方法可以获得良好的图像视觉效果, 对于旋转几何攻击具有很强的鲁棒性, 同时对滤波、JPEG压缩和剪切攻击也具有一定的鲁棒性。

设计了一种新型的八边形纤芯为椭圆的空气孔掺氟的光子晶体光纤。通过全矢量有限元法(FVFEM)和各项异性完美匹配层法(APML)对所设计的光纤进行了仿真研究。数值结果表明所设计的光纤在1.34~1.72μm波段具有0±0.4ps/(nm·km)的超平坦色散, 覆盖了S、C和L通信波段, 且在同一波长范围处限制损耗低于10-7dB/m, 在1.55μm波长处对应的双折射率和非线性系数分别为2.12×10-2和50.67W-1·km-1。所设计的光纤在超连续谱产生、色散补偿、极化保偏等方面具有潜在的应用。

利用圆环形LED光源阵列结构, 结合反射杯与自由曲面透镜的混合型配光, 设计了可以实现对汽车前照灯远光和近光同时配光的光学系统。对经反射器聚光后的光线及配光屏幕进行了适当的网格划分, 根据能量守恒定律, 建立了出光角、自由曲面透镜与配光屏幕之间的坐标关系。结合折射定律, 通过迭代计算得到自由曲面透镜上的点坐标, 并使用三维建模软件得到透镜模型。利用Tracepro软件对光学系统模型进行了光线追迹。结果表明, 所设计的光学系统可以同时满足GB 25991-2010《LED前照灯标准》对LED前照灯远光和近光的配光要求, 与传统的LED前照灯相比, 能耗可降低至原来的75%。

为了研究在不同环境光下人眼辨色水平上的颜色视觉特性, 通过在液晶显示器上显示颜色刺激, 使用心理物理学中的恒常刺激法进行主观实验, 获取了CIE1976a*-b*平面上3名标准观察者在暗室、A光源和D50三种环境光下的5个基本颜色中心的主观实验数据。采用性能因子PF/3评价标准观察者的测试重复性和准确性, 根据主观实验拟合得到色度椭圆来表示辨色阈值实验的结果。实验结果表明: CIE1976a*-b*平面是视觉非均匀的; 在整体上, 人眼的辨色灵敏度随着外界光源色温的变大而变小; 人眼在三种环境光下的5个颜色中心区域, 红绿方向的视觉色差尺度均小于黄蓝方向。实验结果可以为均匀颜色空间和色差公式的改进提供原始数据。

针对图像分割中经典GAC模型无法准确分割拓扑结构变化的凹陷目标、容易穿越深度凹陷的弱边缘轮廓和无法准确分割含噪声目标的问题, 通过利用图像灰色关联度、类间方差和经典GAC模型构造新能量函数, 提出了一种改进的GAC模型, 该模型可增强经典GAC模型的边界检测能力, 减少分割时间。仿真实验验证了改进的GAC模型的正确性和有效性。

为了提高复杂场景弱小目标高光谱融合图像的质量, 提出了基于相似性分类的主成分融合方法。光谱数据像素向量的相似性测度分类产生类矩阵, 通过由类矩阵主成分变换的降维投影矩阵来投影变换原有光谱数据, 获得降维数据矩阵。对比了传统PCA与基于欧式距离分类的PCA(ED_PCA)、基于光谱角分类的PCA(SA_PCA)、基于光谱信息散度分类的PCA(SID_PCA)和基于正交投影散度分类的PCA(OPD_PCA)四种改进方法的融合性能。实验结果表明: SA_PCA和SID_PCA方法兼具了ED_PCA和OPD_PCA的优点, 对比度提升较好, 阈值参数不敏感, 运行时间较短。