基于双目视觉理论, 提出一种摆动式单目立体视觉测量方法, 并搭建了相应测量系统。建立了精度分析模型, 确定了系统各部分的视场范围, 相机在摆动臂的带动下可以完成两个不同位置的拍摄。通过2D平面靶标定法对系统进行标定, 采用Canny算子和Hough算子相结合的方式完成轮廓检测, 并得到待测工件的匹配点图像。利用最小二乘法进行曲线拟合求取长方体的轮廓交点坐标及空间圆最优化拟合法求取圆的直径, 实现对实验样品的三维测量, 结果显示该系统相对检测精度达0.6%。

为提高全息成像的分辨率, 对超分辨率数字全息进行实验研究, 介绍了全息和超分辨率的基本理论。试验中以激光二极管尾纤发射端作为点光源, 采用非放大的光路系统, 拍摄了一组亚像素位移的LR全息图。通过对LR全息图和SR全息图重建的结果对比,结果显示该方法能够实现全息图亚像素位移, 经超分辨率重建的图像分辨率明显提升。通过使用更高精度的位移装置和更有针对性的超分辨率算法将会进一步提升效果。

针对大多数盲水印算法不能抗旋转攻击及鲁棒性差的问题, 提出一种将彩色QR码作为水印嵌入彩色宿主图像的强鲁棒性盲水印算法。算法基于Arnold变换对彩色QR码分通道置乱加密并归一化, 将水印信息嵌入到彩色载体图像对应通道经小波变换和分块Schur分解后酉矩阵的系数差中。实验结果表明该算法具有较强的鲁棒性, 能够抵抗任意角度的旋转攻击, 且对裁切、JPEG压缩、高斯噪声、椒盐噪声、中值滤波、对比度增强等攻击具有较强的抵抗能力。算法在提取水印过程中不需要任何原载体图像相关信息, 属于盲水印算法, 在数字产品版权保护中具有较大的实际实用价值。

为了实现在车载观瞄系统原位不解体条件下快速、准确的性能检测, 利用离轴反射式大口径平行光管搭建光学系统。基于TracePro实现对该光学系统光线追迹,对光斑质量和精度计算进行了研究。在分析离轴反射式平行光管性能和结构的基础上, 设计了测试装置的光学系统; 分析了该光学系统主要的误差来源及大小, 结合误差合成理论计算其检测精度。结果表明: 成像在该光学系统焦点处的光斑能量分布较为集中, 距中心点0.6mm范围内的光斑能量占总能量的81.39%,该光学系统的检测精度能够达到2.9226″。满足了对车载观瞄系统光轴平行性原位检测时的精度要求, 测试装置的架设、校准也较为容易。

根据高分辨物镜各个光学元件的实测数据, 应用轴向补偿和旋转补偿法, 在仿真精密装调过程中得到了物镜轴向补偿器的最优值和各元件的最佳旋转角度。仿真结果表明, 在97.7%的置信区间内, 物镜各视场波像差RMS值从补偿前的0.087λ(λ=632.8 nm)减小到了补偿后的0.040 λ。依据获得的参数对物镜进行了装调实验, 结果表明, 激光干涉仪测得的物镜各视场波像差RMS值介于0.050～0.082λ之间, 基本达到了衍射极限的分辨率要求, 验证了像质补偿方法的有效性。

为了获得LED扩展光源大角度均匀照明, 采用双自由曲面, 设计了大角度紧凑型透镜。利用角度扩大函数使内自由曲面对光线发散 , 根据矢量Snell定律确定点源透镜的外自由曲面。采用交叠法优化双自由曲面扩展光源透镜模型, 通过BreedPSO算法进一步优化。对于h/d=2.5的紧凑型系统, 均匀度和光效分别为88.12%和84.54%, 照明均匀度明显提高。照明系统横向安装位移误差在［0, 0.3mm］内, 均匀度及光效分别在85%及84%以上, 纵向安装位移误差在［-0.04mm, 0.05mm］, 均匀度及光效均在82%以上。

基于高速飞行器流场光传输数据和变形镜系统, 提出了一种气动光学效应半实物仿真方法。根据流体力学、统计、几何和物理光学等理论, 建立远场目标的光学传输模型, 获得气动光学效应引起的目标光波的波前畸变数据, 控制变形镜系统调制光波来仿真生成畸变。完成了初步验证, 建立了一个超音速飞行模型(马赫数Ma=5)并进行了仿真实验, 计算了实验的波前仿真误差, 并分析了成像偏移和模糊特性。对高速飞行中的气动光学效应进行仿真, 在实验室条件下实现对相关成像系统性能和校正技术的测试。

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)实现气体高灵敏度, 高精度的非接触式检测。为避免二次谐波信号随环境中温度和压强的改变导致实测出现较大误差, 需对测得的气体浓度进行温压补偿。实验以2332nm波长作为CO的中心吸收波长, 以质量分数125×10-6, 1001×10-6, 1701×10-6的CO作为实验气体。提出了利用BP神经网络补偿模型, 并采用遗传算法(GA)与粒子群算法(PSO)优化BP, 修正受温压影响的标气浓度, 并进行了仿真测试对比。实验结果表明, 采用PSO优化BP补偿效果最好, 修正后的CO浓度平均相对误差约为1.55%, 有效提高了CO气体检测系统的精度。

为了有效地对图像序列进行面部表情识别, 提出一种基于主动形状模型(active shape model, ASM)结合Lucas-Kanade(LK)光流法的方法提取位移特征, 采用随机森林分类器对提取到的位移特征进行分类与识别。在Extended Cohn-Kanade(CK+)人脸表情数据库上的实验表明, 该特征提取方法能够很好地描述图像序列中所包含的表情信息和特征点运动变化信息, 比常用的K-近邻、贝叶斯网络和支持向量机等分类器所表现出来的效果要好, 其识别率达到95.1%。

为了快速测试双目智能眼镜的视差, 提出了一种用大口径长焦距镜头CMOS作为检测设备的测试系统。将大口径长焦距镜头的CMOS相机与双目智能眼镜的光轴在同一水平面上且共线, 通过一次拍摄得到双目智能眼镜的显示画面, 借助十字刻度测试图作为图像源, 快速计算出双目智能眼镜的视差。论述并推导了双目智能眼镜视差产生的数学模型及计算公式, 分析了系统误差来源。实验结果表明, 一次拍摄就可以得到表征双目视差的图像; 相机图像采集精度误差为2.47″; 测试图读数误差为3.7′; 测试图读数测试法与实际测试结果的误差为3.85′, 满足快速高效测试双目智能眼镜的要求。

为了改善发射源LED工艺水平的制约, 充分利用频谱资源, 提高可见光通信系统传输速率, 提出了一种基于MIMO-OFDM调制的室内可见光自适应传输方案, 系统根据每个子载波上的信噪比和给定的目标BER在发射源和子载波上选择最优的调制阶数, 最大化信道容量。在此基础上, 搭建了实验系统进行验证。实验结果表明, 结合自适应调制的可见光通信(VLC)系统与无自适应调制系统相比具有更高的频带利用率。

连铸坯的缺陷会对轧制工艺产生影响, 通过对连铸坯表面图像特征进行分析, 提出了一种基于多尺度数学形态学的连铸坯表面缺陷检测方法。该缺陷检测方法能够有效去除噪声, 并对水痕、氧化铁皮、渣痕等伪特征具有较好的抑制作用。实验结果表明, 与Sobel方法、Prewitt方法、Canny方法、Laplacian方法等边缘检测方法相比较, 该方法对缺陷边缘提取完整、平滑、定位准确, 识别准确率达96.37%。

根据色散型成像光谱仪静态和扫描成像两种工作模式的特性, 提出了通过狭缝法测试成像光谱仪系统静态的调制传递函数(modulation transfer function, MTF), 通过刀口法测试系统扫描成像的MTF的完整的测试方案, 并给出了测试实例。刀口法给出了系统扫描成像时沿扫描方向和垂直扫描方向的MTF; 狭缝法采用虚拟狭缝代替成像光谱仪的自身狭缝测试了系统静态时的MTF, 两者测试结果基本吻合。虚拟狭缝法对于其他存在狭缝的成像光谱仪系统成像质量的测试具有借鉴意义。

介绍一款适用于轻小型无人机的多光谱相机。将多个独立的滤光片依次拼接成滤光片阵列在成像探测器前放置由多个滤光片依次排列而成的滤光片阵列, 一次曝光得到地物目标分条带区域的分波段图像, 通过飞行平台的前向运动获得每个条带区域的多光谱图像。利用平台的前向运动代替了旋转、扫描等机械运动, 减轻了相机重量和体积, 适用于轻小型无人机平台, 由于采用较大的探测器件, 能够获得更多的旁向像素数(约4300)和更宽的旁向幅宽。利用研制的多光谱相机, 在中国科学院怀来遥感站进行了无人机飞行试验, 获取了站区周边的6波段多光谱图像。数据处理结果表明该相机的数据质量能够满足植被指数计算等相关要求。

基于典型的折反式超短投射比DLP投影光学系统, 提出并搭建了一种通过调整RGB-LED轮转占空比实现白平衡同步实时反馈的DLP投影仪全性能快速测试平台, 设计了投影系统的整机层叠式机构和散热布局, 并在测试平台下通过光学、散热、功耗、噪声和温升等实验对投影整机的光电性能进行了验证。实验结果具有一定的应用价值和可行性,能够为相关研究和产业化生产提供基本的参考依据。

针对微钙化点容易漏检的问题, 提出一种非下采样轮廓波变换结合对比度受限自适应直方图均衡的乳腺图像微钙化点增强新算法。对乳腺图像预处理, 提取乳房区域并将胸肌区域去除; 再对图像进行非下采样轮廓波变换提取多尺度、多方向的子带, 对其中的多个高频子带采用高斯拉普拉斯算子检测边缘并增强; 进一步采用对比度受限自适应直方图均衡算法, 提高图像局部小区域的对比度, 实现乳腺图像微钙化点增强算法。结果表明该方法是一种有效的乳腺钼靶图像微钙化点增强方法, 为微钙化点检测和乳腺癌诊断提供支持。

根据传统ICP算法存在的缺点, 提出了一种遗传算法结合自适应阈值约束优化的ICP位姿估计方法。采用统计学滤波和区域增长分割算法对原始点云进行预处理, 去除离群点并得到各混乱工件的点云集; 针对ICP易陷于局部最优的问题, 利用遗传优化算法对点云进行粗匹配, 得到目标点集相对于参考点云的初始位姿; 针对迭代速度较慢的缺点, 提出了一种自适应阈值约束法, 利用点对距离约束和法向量夹角约束去除局部大变形点, 在保证实时性的同时提高了位姿估计的精度。实验表明, 该方法能够在84.5ms内定位一个工件, 位姿估计误差达0.39mm, 满足实时性和抓取精度要求, 能够为工业机器人随机箱体抓取提供理论依据与指导。

在使用结构光进行三维重建与测量的过程中, 为避免物体表面的反射光产生噪声干扰, 导致错误的三维测量结果, 提出一种在三维扫描系统中用于防止反射光干扰的投影补偿算法, 利用高空间频率投影图案的概念, 对场景中被反射光干扰的点进行去噪。再用统计分析算法对点云数据进行去噪、反馈并得到投影图的掩码图案, 经过多次投影补偿后得到场景的三维点云数据。通过自行搭建的格雷码结构光三维扫描系统对实物场景进行扫描重建。实验表明该系统对于反射光的干扰具有较好的鲁棒性, 且投影数量减少, 验证了算法及系统的可行性。

提出了一种基于机器视觉技术的血袋编号字符识别方法, 建立了字符在线识别硬件与软件系统。运用经典标定算法确定摄像机内外参数。对扫描的原始图像进行了灰度化、增强、滤波、反相等预处理及字符的倾斜校正、图像行字切分、归一化操作。分析表明: 行字切分大于临界阈值T 时, 确定是文字像素一部分。预测结果与实测数据对比表明采用神经网络对转印字符进行识别可有效提高检测一次性血袋出厂编号的效率。相关技术及研制系统已应用于长春市某医疗制品企业, 取得较好识别效果及应用效果。

对方形激光晶体的实际工作特点进行分析, 根据热容激光器的管理模式, 建立泵浦阶段和冷却阶段的晶体热模型, 引入变热传导系数对方程进行求解, 分别得到LD单端泵浦和冷却时热容激光器温度场的表达式。分析了不同的光斑半径、泵浦时间对晶体温度场的影响。计算结果表明: 当泵浦功率为60W、光斑半径为800μm、超高斯阶次为3的脉冲激光二极管对晶体进行泵浦时, 在将Nd∶YAG晶体的热导率视为常量和变量的情况下, 晶体在泵浦端面获得的最大温升分别为149.93℃、180.18℃。激光晶体的尺寸为(20×20×10)mm3, 掺钕离子为1.0%。

对目前实现超宽带(数十到数百纳米)可调谐全固态单频激光器的常用方法进行了综述, 介绍了棱镜色散腔、闪耀光栅色散腔、体布拉格光栅衍射腔、双折射滤光片干涉腔、声光调谐光学滤波器衍射腔和电光调谐光学滤波器干涉腔调谐选频的原理及实现方式。对以上方案的优缺点、实现的难易程度及可操作性进行了对比分析,分析表明超宽带可调谐全固态单频激光器可通过不同调谐方法结合谐振腔型设计或频率精选器件(如FP标准具等)实现。

研究了非量测型移轴组合相机的图像拼接技术, 以双拼移轴相机为研究对象, 探讨了其虚拟像空间坐标系建立, 并以此为基础建立子影像至虚拟影像的变换模型。提出一种基于初值约束的投影矩阵自检校方法, 该方法利用移轴相机检校参数, 结合子影像变换模型, 推导和计算自检校方程, 精确解求虚拟影像拼接参数。设计了室内外地面实验以及航飞实验, 对提出的方法进行了验证。实验结果表明, 利用该方法进行移轴组合相机虚拟影像拼接, 精度优于0.4像素。