离焦成像对面积测量的影响及误差修正

针对机器视觉中存在的离焦现象,采用理论与实验相结合的方法分析了离焦成像对面积测量的影响.实验表明,当离焦量(物面偏离对准平面的距离)为10mm时,面积相对误差达31.3%.根据图像最大梯度值与离焦量之间的关系提出了一种误差修正的方法.首先标定图像最大梯度值与离焦量之间的关系,然后求待测图像的最大梯度值,由最大梯度值求出离焦量,最后根据离焦量对图像面积进行修正.结果表明,当离焦量小于10mm时,经修正后图像面积相对误差小于3.8%.

基于离焦成像的粒子轨迹测速

提出将离焦成像与粒子轨迹测速相结合,分别针对直线型和曲线型粒子轨迹,构建了离焦特征参数σ的识别算法,形成了用于三维速度测量的离焦粒子轨迹测速(DPSV)方法。该方法基于粒子图像离焦特征参数σ沿运动轨迹线的线性变化假设,通过拟合粒子图像的灰度分布来识别σ,从而获得粒子深度信息。在直线轨迹拟合的基础上,进一步采用圆弧拟合处理湍流实验中常见的弯曲轨迹图像。形成了相应的图像处理流程,并采用仿真图像验证了参数识别的准确性,在本文实验装置的噪声水平下相对误差为9.4%左右。采用LED光源和5μm孔径光阑组成的发光点进行模拟实验,验证了深度位置z与σ的线性关系。最后,将DPSV技术应用于射流流场,得到了三维速度分布。

离焦成像条件下的螺纹牙型角修正方法

针对机器视觉中螺纹参数测量无法实现正确对焦的问题,通过理论与实验相结合的方法研究了离焦成像对螺纹牙型角参数测量的影响。证实了离焦现象对螺纹参数测量会造成不可忽略的误差。并且通过螺纹图像清晰度评价值与离焦量关系的分析,提出了螺纹牙型角误差修正的方法。首先对图像清晰度评价值与离焦量进行标定,然后求取待测图像的清晰度评价值,由评价值得出修正后的离焦量,最后根据离焦量对选定区域的图像边缘长度和面积进行修正,利用修正后的结果求取螺纹牙型角。实验结果表明,对于M20×1.5-6H的螺纹塞规而言,当离焦量小于0.5mm时,经修正后的牙型角相对误差小于0.0425%。

基于单目红外的远距离多测点振动测量方法

为解决基于视觉方法测量柔性结构模态测量范围小、无法同时测量大型柔性结构纵深方向多个节点的振动情况的问题,提出基于单目红外的远距离多测点振动测量方法。在单红外相机的基础上,加装带通滤光片、红外LED等设备构成测量系统。利用离焦成像的原理对不同距离段内的LED灯组同时成像,对测量结果使用卡尔曼滤波平滑减小误差,滤波后定位精度为0.5 mm,重复性定位精度优于0.2 mm。通过在不同距离布设不锈钢尺模拟大型柔性结构,测量及实验计算结果与固有频率理论值进行比较相对误差最小为2.22%,计算过程中,滤波后数据有效地排除了干扰峰值。实验结果表明,所提测量方法简单有效,可应用于大型柔性结构模态检测等领域。

A Three-Dimensional Velocity-Map Imaging Setup Designed for Crossed Ion-Molecule Scattering Studies

In this study,we report the design and simulation of an electrostatic ion lens system consisting of 22 round metal plates.The opening of the extractor plate is covered withmetal mesh,which is for shielding the interaction region of the lens system from the high DC voltages applied to all other plates than the repeller and extractor plates.The Simion simulation shows that both velocity-mapping and time focusing can be achieved simultaneously when appropriate voltages are applied to each of the plates.This makes the ion lens system be able to focus large ionic volumes in all three dimensions,which is an essential requirement for crossed ion-molecule scattering studies.A three-dimensional ion velocity measurement system with multi-hit and potential multi-mass capability is built,which consists of a microchannel plate(MCP),a P47 phosphor screen,a CMOS camera,a fast photomultiplier tube(PMT),and a high-speed digitizer.The two velocity components perpendicular to the flight axis are measured by the CMOS camera,and the time-of-flight,from which the velocity component along the flight axis can be deduced,is measured by the PMT.A Labview program is written to combine the two measurements for building the full three-dimensional ion velocity in real time on a frame-by-frame basis.The multi-hit capability comes from the fact that multiple ions from the camera and PMT in the same frame can be correlated with each other based on their various intensities.We demonstrate this by using the photodissociation of CH31 at 304 nm.

离焦图像的互相关匹配法测量微球三维位置研究

为了提高在液态环境中对直径微米量级微球三维位置测量的空间分辨力,尤其是轴向的测量精度,将互相关算法对相似图像高精准的匹配特性与离焦成像法测量微球三维位置的思想相结合,讨论基于互相关匹配的离焦成像法测量微球三维位置的方法。实验表明,该方法对微球轴向位置4 min内连续定位的测量标准差约为0.64 nm,已实现对微球三维方向1 nm阶跃变化的分辨测量,这在生物单分子动力学、粒子图像测速技术等研究领域具有重要意义。相同实验条件下,与同轴数字全息显微术对微球三维位置的对比测量和分析也初步说明了该方法在实际测量应用中的可行性与高精度的特点。

基于卷积神经网络的离焦颗粒粒径与位置测量

针对双相机成像系统所获取的颗粒离焦图像,搭建了基于Faster-RCNN和VGG16卷积神经网络(CNN)的颗粒粒径与位置同步预测模型。在75~95 mm(约9~10倍的成像系统景深)深度范围内,拍摄直径为50~350μm的9种不同圆点用于所提模型的训练,并将所提模型与基于离焦测距(DFD)理论模型的处理方法进行了比较分析。测量结果表明,与基于DFD理论模型的处理方法相比,CNN模型的颗粒深度测量范围有所提高,直径测量误差有所降低,但深度测量误差有所增大。进一步采用双相机系统拍摄在循环样品池内流动的粒径为120μm的标准颗粒,应用所提CNN模型对相应图片进行处理,粒径预测结果的相对误差范围为-8%~8%。