基于多频相移的相位偏折测量透明物体表面三维形貌

光学三维测量中的相位偏折测量术以其快速、高精度、稳定抗干扰的优点,在光学表面测量、快速检测等领域得到广泛应用。透明物体因其上下表面的折射和反射,导致相机采集到不同表面反射叠加的混合条纹,传统的相位偏折测量术难以对其进行有效的三维测量。为解决该问题,文中提出一种基于多频相移的相位偏折法测量透明物体的表面三维形貌。首先,显示屏显示多种不同频率与多步相移结合的正弦条纹,从另外一个角度相机采集物体表面反射的混合条纹。然后,利用最小二乘法迭代将混合条纹进行分离,得到上下表面折叠相位并展开。接着,通过梯度标定确定相位与梯度的关系,根据梯度积分恢复透明物体表面的三维形貌。最后,实验证明所提方法能够有效实现混合条纹的分离,实测透明玻璃板上表面的平均误差从32.4μm减少到5.1μm,结果验证了混合条纹分离方法的有效性,提升了透明物体表面三维形貌测量精度。与已有方法相比,文中方法可以有效避免初始相位值偏差较大带来的影响,缩短计算时间,适用于不同形状透明物体表面三维形貌的测量。

高稳定一体化星敏支架机热协同设计及试验验证

随着空间技术的发展,对卫星姿态测量精度的要求越来越高。星敏支架作为星敏感器与卫星之间的主要连接结构,其热稳定性直接影响星敏感器的测量精度与有效载荷的成像质量。因此,保证星敏支架的热稳定性成为卫星结构研究的重点。基于高体份铝基碳化硅新材料,利用其低膨胀、高导热性等特点,设计了一种适用于多头星敏感器安装的仪器支架,通过外加温控罩和精密温控等措施,对一体化星敏支架进行等温化控制,实现了星敏支架的热稳定性设计,并通过数值仿真和试验验证了设计方案的有效性。

面向结构光三维测量的相位展开技术综述(特邀)

结构光三维形貌测量方法越来越多地应用于逆向工程、航空航天、生物医学、文物保护等领域。相位展开作为结构光三维测量中的一个关键环节对测量精度、速度和可靠性起着决定性作用。文中综述了相位展开技术的基本原理、国内外研究现状、各类方法的优缺点和未来发展方向。首先根据相位展开计算方法不同,将现有的用于结构光三维形貌测量技术的相位展开技术分为以下四类进行详细的介绍:时间相位展开技术、空间相位展开技术、基于深度学习的相位展开技术和其他相位展开技术;然后详细比较了各种技术的优缺点;最后总结了相位展开技术的特点并展望了该技术的未来研究方向。基于文中综述的内容,研究者们可用于了解各类相位展开技术的原理与进展,进而根据不同方法的特点对比结合应用需求和测量条件选择最有效的相位展开技术,实现三维形貌的精确测量。

基于高斯/洛伦兹线型拟合比的谐波检测压强反演研究(特邀)

调谐激光吸收光谱(TLAS)技术具有非接触、抗干扰、高灵敏度等优势,可对气体进行浓度、温度、压强的测量。目前已有的压强检测模型中多以谱线的有限特征点进行提取与计算,存在易受干扰、测量误差较大的问题,因而有必要建立新的抗干扰、稳定性强的压强检测模型。针对此问题,文中根据吸收线宽的气体压力测量方法,提出了低压与高压范围内压强与谱线线型拟合函数的数学模型。结合谱线展宽原理,对不同压强下的二次谐波吸收线进行仿真研究。通过改变Gauss线型函数和Lorentz线型函数的半高宽比例关系模拟压强变化,分析信号拟合度的变化趋势,仿真结果表明,在理想情况以及激光器线宽、白噪声、背景干扰影响下,Gauss/Lorentz线型拟合度之比与压强之间存在三阶拟合关系,拟合度均保持在0.9980以上,且与传统模型相比在动态噪声和背景干扰下具有更好的稳定性。最后对CO_(2)气体1580 nm位置的实测信号进行处理,实验结果表明,实际检测谱线Gauss/Lorentz线型拟合度之比与压强之间的三阶拟合度为0.9863,略低于仿真的拟合度0.9987,符合仿真分析结果。文中提出的方法可以根据吸收谱线的拟合比曲线反演气体压强,为气体压强检测提供了解决方案。

激光雷达与相机融合标定技术研究进展

单传感器存在采集数据信息不完整的缺点,比如激光雷达缺乏纹理色彩信息,相机缺乏深度信息。激光雷达和相机数据融合可实现传感器之间信息互补,感知空间精准的彩色三维数据,被广泛应用于自动驾驶、移动机器人等领域。针对现阶段激光雷达和相机外参标定文献多、杂、乱等问题,文中系统地梳理了校准流程和归纳了校准方法。首先介绍了激光雷达和相机单传感器内参标定的原理和方法,并建立数学模型概述它们外参的标定原理。然后将现有标定方法从基于标靶、基于无标靶、基于运动和基于深度学习四个方向综述归纳,并分析每种标定方法的特点。最后总结全文,并指出提升标定精度基础上实现自动化和智能化的校准方案是未来标定趋势。

基于岗位胜任力评价模型的个性化评价体系设计与实施——以输配电线路运行与检修课程为例

面向社会对不停电检修人才的需求,结合送配电线路工岗位能力、输配电线路运行与检修课程标准、电力行业技能竞赛和“1+X”证书的考核标准,借鉴电网公司胜任力评价模型,建立个性化评价体系,从“四个意识”(责任意识、安全意识、团队意识和细节意识)和“四个能力”(计划执行能力、分析判断能力、问题处理能力和事故防范能力)八个维度开展教学过程评价,从作业结果(作业用时、供电可靠性和设备性能)和质量标准(人员安全、设备完善、运行平稳)六个维度进行教学结果评价。采用立体实践教学形式,依托虚实资源,加强学生理论水平,提高学生作业能力,课程思政贯穿教学全程,有效提升学生综合素养,通过各类表单、教学平台采集教学数据,将过程评价和结果评价数据汇总后导入胜任力评价平台生成综合评价,再由平台自动进行学生个性分析,实现了学生“一生一档案、一人一画像”,最后根据评价结果有效适配专业岗位,避免了传统的“一考定级”的弊端,实现教学培训效果最理想化。

基于单色条纹投影的高动态范围物体表面形貌三维测量

条纹投影轮廓术以其高速、高精度的优点在机械零件自动在线检测、汽车制造、文化遗产保护等领域得到了广泛的应用。然而,传统的条纹投影采用单一曝光时间或单一投影强度来测量高动态范围的物体,在反射率较大的区域会发生过度曝光,超过相机传感器的最大亮度范围,导致无法获得真实的强度和准确的三维数据。为解决此问题,利用彩色相机对单色条纹投影的不同颜色通道响应,提出了一种基于单色条纹投影的高动态范围物体表面三维测量方法。该方法投影蓝色条纹图到被测物体表面,彩色相机从另一个视角采集彩色条纹图像。从采集的彩色条纹图像中分离蓝绿通道对应的两个条纹图像。从蓝绿通道条纹图像中选择不饱和且调制度最大的一组像素生成蓝绿通道的掩膜图像,利用蓝绿通道的掩膜图像和蓝绿通道条纹图像合成高动态图像。然后应用相位解算方法和系统标定,实现高动态范围物体表面形貌的三维测量。实验验证了该方法的有效性。所提方法一方面减少了投影图像的数量,避免了复杂的计算问题,提高了测量效率;另一方面,不需要额外的硬件设施。

条纹投影测量系统标定方法研究

条纹投影测量方法具有无接触、测量精度较高、分辨率高等优点,是最可靠的三维测量方法技术之一。而系统标定的精度决定了测量数据的精度上限,是三维测量中至关重要的环节,所以本文分析比较了条纹投影测量系统已有的主要标定方法,包括有:反向投影法、三角关系建模法、隐式拟合法和神经网络法。从误差积累、系统搭建严格程度、操作复杂度、是否需要精密辅助装置、是否考虑镜头畸变以及测量精度等方面进行了对比分析,得出每种方法的优缺点及应用,并以精度相对较高的相位匹配标定法、多项式标定法和平面拟合标定法3种方法为例进行对比实验,综合方法特征与实验结果,得出标定方法选择依据:需要高精度测量应选择多项式拟合法,需要操作灵活应选择相位匹配法,同时对精度和灵活性有需求,应选择平面拟合标定法,对此类技术面向不同需求时选择适当的方法进行系统标定具有一定的应用价值。

立体标靶辅助多节点三维形貌测量与恢复技术

传统的单节点条纹投影三维测量系统由于相机的视场限制,只能恢复目标有限区域的三维形貌。针对此问题,研究了基于立体标靶的标定技术,并研制了多节点三维测量系统,有效解决物体自身遮挡以及视角有限的问题。多节点测量系统进行实物测量时,各测量节点可恢复不同角度的三维形貌。利用迭代最近点(Iterative Closest Point,ICP)算法对各节点数据进行拼接可获得同一个坐标系中的完整形貌,需要将不同节点间形貌数据的空间关系作为迭代初值,因而对系统内部参数以及各节点间外部参数的标定是测量的必要环节。传统的平面标定板很难同时满足不同视角相机的成像需求,因而本文构建由2个平面组成的立体标靶进行标定,其上均匀分布规格已知的标识点,平面连接处用图案标识,以区分左右面。立体标靶实现了多节点同时标定,改善了视角受限的问题,同时改进了ICP算法以提高选择对应点的容错率。实验结果表明,采用本文所提出的技术,最大测量误差为0.053 mm,可实现被测物多视角的准确测量。

全方位相机与转轴位姿标定方法研究

在利用相机对物体进行感知的过程中,标定相机与外界参考系之间的位姿是测量中至关重要的一环,能否精准确定二者之间的外参决定着最终三维信息质量的好坏。然而在传统的测量系统当中,测量物体尺寸受限于针孔相机视场的大小。相比较而言,全方位相机具有视场广、成像质量高等优点,常配合旋转系统进行全景图像生成,也可配合激光雷达点云生成场景全景模型,为目前大场景测量的主流方向。就目前存在于相机与旋转系统之间外参标定的复杂问题,文中提出了一种针对全方位相机与旋转轴之间的标定方法。该方法通过使用全方位相机,对两个二维码棋盘格进行旋转拍摄,同时通过理论推导建立起可靠的数学模型作为原理支撑,并利用光束法平差,对基于解析法获得的初步结果进行再次优化,从而获得更精确的外参估计。该方法对设备安装精度要求不高,只需在相机视场范围内,考虑标定板与全方位相机之间的摆放位置即可。实验结果表明,该方法经过优化后的平均重投影误差可控制在0.15 pixel以下,满足实验测量要求,并在不同场景下展现了良好的应用效果。

复合表面形貌测量中通道串扰和色差消除方法

为实现漫反射表面和镜面复合表面的快速测量,基于条纹投影和条纹反射的复合表面测量系统通过相机的多颜色通道快速获得绝对相位。针对复合表面形貌测量中相机、投影仪、显示屏所引入颜色通道间的串扰和色差,研究了基于矩阵的串扰消除方法和绝对相位对应像素偏差的色差消除方法。基于串扰矩阵,分别建立投影仪和显示屏的串扰矩阵,完成颜色通道间的串扰消除。通过彩色正交条纹获得各颜色通道水平和竖直方向的绝对相位,建立颜色通道间相位差和像素偏差之间的关系,实现每一像素点的像素偏差校正,消除色差的影响。实验结果证明,所提色差和串扰消除方法使复合台阶的测量均方根误差从0.479 mm降至0.030 mm,提高了测量效率和测量精度。

利用抖动算法扩展深度范围的三维形貌测量术

数字条纹投影技术由于其非接触、测量精度高等特点在生物医学监测、虚拟现实以及计算机视觉等领域中应用越来越广泛。但其仍存在一定局限性,例如测量深度范围受限和投影仪存在非线性误差。二值离焦技术很好地克服了条纹投影三维测量中的非线性问题,但二值图像的高次谐波分量会造成测量误差。文中提出一种基于抖动算法的多频相位选择方法,该方法利用离焦抖动技术减少二值图像的高次谐波,避免投影仪非线性误差的影响;同时采用不同抖动算法及扫描方向调制得到二值图像,通过对比周期为12~60 pixel范围内的条纹图像在25个离焦程度下的展开相位误差分布,筛选出相应图像频率的离焦选择范围,最终确定不同离焦程度下条纹频率的最优选择。对于深度为22.5 cm被测物体进行了实验,正确恢复了大深度物体的三维形貌。实验结果表明:文中所提出的方法能有效地扩展测量深度范围,从而实现大深度范围被测物体的三维形貌测量。

彩色高反光物体表面三维形貌测量技术

基于相位计算的光学三维形貌测量技术通过编码条纹图获取物体表面的三维形貌。而彩色高反光物体因表面颜色、曝光程度的不同,导致投射在物体表面的条纹出现调制度不同以及曝光程度不同的双重难题,传统条纹投影轮廓术无法对其进行有效的三维测量。论文提出一种采用多通道预处理二分选择曝光时间法测量彩色高反光物体三维形貌。该方法通过预处理选择曝光时间域,利用二分选择曝光时间,采集四组不同曝光条纹即可恢复物体表面绝对相位。然后采集对应曝光时间下的条纹图像,经过像素选择,实现对过曝像素的处理。将处理过的像素信息在三颜色通道下进行最优光强和颜色选择,生成彩色条纹图。融合各颜色通道内最优相位,从而获取彩色高反光物体表面的绝对相位。最后确定相位和深度之间的关系,即可得到物体表面的三维数据。实验结果证明所提方法可有效测量彩色高反光物体表面的三维形貌数据。

基于相位标靶的相位测量轮廓术投影色差建模与校正

光学三维测量中的三通道相位测量轮廓术具有高精度、易识别、自动化程度高等优点,在科学研究和工程应用中获得了广泛的关注。在三通道相位测量轮廓术中,投影仪不同通道间的色差成为影响测量精度的关键因素。针对该问题,文中开展了基于相位标靶的相位测量轮廓术投影色差建模与校正研究。提出了将带有全息投影膜的液晶显示屏(Liquid Crystal Display, LCD)当作相位标靶对投影色差建模与校正的方法。通过LCD显示条纹与投影仪投射条纹的相位,计算投影仪色差并建立其数学模型。然后通过预补偿的方法实现投影仪三通道投射色差的校正,进行实验验证校正前后对相位测量轮廓术精度的影响。实验结果表明,文中所提方法的校正效果为蓝绿通道的平均色差由0.325 5 pixel校正为0.106 3 pixel,红绿通道的平均色差由0.365 1 pixel校正为0.111 4 pixel。该方法可为三通道相位测量轮廓术提升投影质量。实测台阶的平均误差从0.489 mm减少到0.038 mm。实验结果验证了投影仪色差建模与校正方法的有效性,提升了三通道相位测量轮廓术的整体测量精度。与已有方法相比,可以有效避免相机误差带来的影响,大大缩短计算时间,能够适用于不同型号的投影仪色差测量与校正。

镜面物体三维测量系统中两显示屏的平行正对校正

针对镜面物体三维测量系统中两显示屏无法精确平行正对的问题,提出了一种在镜面物体三维测量系统中通过软件产生变形条纹等效两显示屏精确平行正对的方法。该方法首先采用机器视觉技术标定两显示屏的外参。然后基于所标定的外参,利用软件编程产生等效两显示屏平行正对的变形条纹,变形条纹通过半透半反镜后所成的像在相机坐标系内呈现前后精确平行正对的关系。最后,利用对应两个显示屏上的变形条纹计算相应位置相位的差值,并通过均方根误差定量评定所提出的方法。实验结果表明,所提出的方法能将水平方向的均方根误差缩减为原来的24.21%,竖直方向的均方根误差缩减为原来的8.15%,从而提高三维测量系统的精度。

基于CT的头颅骨三维表面重建

基于头颅骨的计算机断层 (CT)图像 ,研究了一种对头颅骨表面三角化重建的方法。首先通过交互式分割选择出感兴趣区域 (ROI) ,提取出ROI的轮廓点并根据位置关系对轮廓点排序。然后基于局部形态最佳的思想 ,对两相邻断层图像上的轮廓点进行三角化 ,从而得到具有最佳几何形态的三角化表面。最后用实际的CT图像对所提出的算法进行实验 ,验证了此种方法的快速、有效和鲁棒性。

高反光表面三维形貌测量技术

陶瓷、古文物以及金属工件等高反光物体表面的三维形貌测量在各个领域有大量的需求和应用。由于表面反射率变化范围较大以及相机灰度范围有限等问题,传统的条纹投影方法不能正确地测量高反光表面的三维形貌。综述了高反光表面三维形貌测量技术的国内外研究现状、应用领域和未来发展方向。首先,根据所采用原理和测量方法的不同,将现有的高动态范围三维形貌测量技术分为下述六类进行详细的介绍:多重曝光法、投影图案强度法、偏振滤光片法、颜色不变量法、光度立体技术以及其他技术。然后,详细的比较了各种技术的优缺点并归纳其适应性分析。最后,总结了高反光表面三维形貌测量技术的应用领域并展望了该技术的未来研究方向。基于文中综述的内容,使用者可根据不同的应用需求和测量条件选择相应的最佳三维测量方法,进而更精确的重建高反光表面的三维形貌。

用萃取法从攀枝花选钛尾矿中提钪

本研究旨在从攀枝花选钛尾矿中提取钪。先将选钛尾矿分选成含钪１２１ｇ／ｔ的钪精矿，再经盐酸浸出，作为提钪原料。采用ＴＢＰ萃取钪，钪的萃取率为９８．９％；用氢氧化钠反萃，反萃率为９７．９０％；对萃取液或反萃液采用氢氧化钠、草酸盐精制，得到了９９．９６％的Ｓｃ２Ｏ３产品。

实物表面三维相位图定标的研究

本文提出了一种对实物表面三维相位图进行定标的方法。三维数字成像系统 [5 ] 所得到的三维相位图和实物表面上相应各点高度的关系由光学系统的几何结构参数决定。本文首先从理论上推导了这种对应关系 ,然后用实验加以验证 ,并对误差作了相应的估计。

平面域任意散乱点自动三角化的研究

基于平面区域内散乱点的Delaunay即三角剖分准则，本文提出一种适用于平面区域内任意散乱点的通用三角化算法。文中详述了三角化的具体实现过程和在三角化过程中可能出现的各种‘接触”情况，给出了程序流程图。最后给出实例并把此种方法成功地运用到三维光学数字成像系统。