乘员舱大角度飞行时间相机的设计与验证

针对汽车乘员舱飞行时间(TOF)相机可视角度小、无法兼顾前排所有成员等问题,提出一种TOF相机设计方案,通过热设计仿真的方式解决了TOF相机的散热问题,并通过对TOF相机镜头的光学设计与仿真,有效扩大了相机的视场角(FOV),同时进行了完整的设计验证试验,结果表明,该系统完整实现了TOF相机的功能,并可以大角度视场覆盖车内前排乘员,且满足车规级性能要求。

一种机载多光谱相机的光学系统设计

采用外视场拼接的实施方案实现了机载多光谱相机宽幅覆盖和高空间分辨率的需求.先通过探测能力估算和指标要求论证了子系统的设计参量,然后基于光线追迹的原理给出了光学子系统的设计结果.该子系统采用了6组共9片的双高斯复杂化结构型式,焦距为175mm,相对孔径为1/3.6,光谱范围500～900nm,全视场角18°.该设计结果成像质量高,色差、畸变及弥散斑尺寸均满足系统拼接要求.该系统对加工装调要求适中,可为该类多光谱相机的设计提供参考.

星球漫游车超广角实时立体视觉系统

给出了一种用于星球漫游车障碍检测和定位的超大视场立体视觉系统的实现方法．该系统采用具有超广角镜头(对角视场角约160度)的双目或三目摄像机获取场景立体图像对，利用摄像机标定参数对大变形图像进行修正等预处理，然后在外极线、连续性等约束条件下，基于查找表和 Intel MMX 指令集，使用 SAD 算法快速进行对应点匹配计算．实验表明，该系统在图像分辨率为320×120像素、视差为64级时，利用普通工控机恢复稠密深度图的速度为10帧/秒，并能使机器人以1米/秒的速度行走．

构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉标定

为了提高立体视觉系统在大视场下的测量精度,基于误差溯源思想提出了一种构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉系统标定方法,克服了大尺寸高精度标定物难以制造等问题。对影响立体视觉系统测量精度的主要因素进行分析,列出视觉测量系统的误差溯源链,解析了大视场视觉系统精度瓶颈的原因。借助激光跟踪仪,运用非线性最小二乘单位四元数算法求解坐标系刚体变换,获取大范围高精度的空间点阵,构建虚拟靶标。在相机畸变模型中考虑了三阶径向畸变和二阶切向畸变参数,并使用Levenberg-Marquardt迭代算法进行标定参数求解,进一步提高系统精度。实验构建了一套测量空间约为4m×3m×2m的双目立体视觉系统,通过对某型号高精度直线导轨进行点距测量,在测量距离3m处,152组不同长度的横向距离测量的误差算术均值为-0.003mm,误差标准差为0.08mm。测量精度相较于传统的平面标定法有较大提升。

多摄像机视野分界线快速自动生成算法

针对摄像机视野分界线是一种有效地解决多摄像机人体跟踪目标交接问题的工具,提出了一种基于同步视频的摄像机视野分界线快速自动生成算法,利用视野分界线和目标中心到视野分界线的距离实现多摄像机之间的目标交接。该算法不依赖摄像机的标定信息和目标颜色信息。为验证该算法的有效性,设计搭建了一个室内视觉有重叠区域的多摄像机人体跟踪系统。实验结果表明,该算法具有易实现、实时、准确率高的优点。

基于多摄像头的目标连续跟踪

针对广域视频监控系统中运动目标的跟踪问题,提出了一种基于多摄像头的目标连续跟踪方法。摄像头前端通过网络连接将各自监控场景的背景图像和运动目标的特征数据传输给中心计算机服务器。中心服务器通过背景图像的SIFT(Scale Invariant Feature Transform)特征匹配检测出摄像头视域FOV(Field of View)之间的重叠区,并根据相匹配的SIFT关键点(Keypoints)计算地平面单应性变换矩阵(Homography Transformation Matrix),以建立重叠摄像头之间的视点对应关系。为了对应多个摄像头中的同一个目标,中心服务器在重叠摄像头之间使用运动目标的质心坐标单应性映射和SIFT特征进行匹配,在非重叠摄像头之间仅使用SIFT特征进行匹配。实验结果表明,该方法在广域监控场景中能实现鲁棒的多摄像头间目标连续跟踪。

萤火一号宽视场彩色相机的设计及地面检测

介绍了宽视场彩色相机工作原理、相机方案及设计结果。发射前实验室检测结果表明,整机静态分辨率达180 lp/mm,信噪比为34 dB。用户在发射前对宽视场彩色相机的成像效果进行了初步评估,认为宽视场彩色相机能够正常工作,数据格式正确,图像质量优良,能够进行稳定的数据观测,采集与下传。最后介绍了相机在研制过程中采用的一些新技术。

多视场定焦距CCD摄像系统结构设计及调校

针对多视场定焦距CCD摄像系统按照传统光机结构设计方法造起各光轴平行性容易偏移和系统占用空间较大等问题,提出多视场定焦距CCD摄像系统的光机结构可以以一个精密铸件为基体,铸造出每个视场的内腔毛坯形状,通过数控机械加工和可靠的装调方法保证各视场光轴的平行性和稳定性。装调完成后进行冲击和振动试验,结果表明:该多视场定焦距CCD摄像系统各视场光轴的平行性误差不大于0.2mrad;各视场光轴的稳定性误差不大于0.1mrad。因此,该结构设计方法是可行的,它具有结构紧凑、体积小,各光轴平行性和稳定性容易保证,可靠性高等特点。

一种无公共视场相机位置关系的求解方法

多相机系统的标定是立体视觉测量中的一个重要问题。而当各相机间公共视场较小或无公共视场时,标定参照物不能同时出现在所有相机的公共视场,因此无法求解系统中多相机的相对位置关系。针对该类问题,论文在二维靶标标定法的基础上,提出了一种基于两轴转台的无公共视场相机位置关系的求解方法。将待标定系统固定在转台上,利用转台转动确定靶标坐标系与转台坐标系之间的相对关系;通过转动转台使二维靶标依次进入每个相机视场以分别确定转动后每个相机在靶标坐标系中的位置,并记录转动的角度;最后,结合靶标坐标系与转台坐标系关系,求解各相机之间的相对位置关系。实验结果表明,该方法具有可操作性,解算误差在0.5%以内,可较准确地确定多个光轴之间角度较大的非共视场相机位置关系。

基于SIFT及射影变换的多摄像机目标交接

运动目标正确交接是多摄像机视频监控中的关键,视野分界线是解决目标交接的有效工具。不需标定摄像机参数,提出了一种利用尺度不变特征变换(SIFT:scale-invariant freatures transform)及射影变换实现目标交接的算法。首先使用SIFT算法在不同视角拍摄的图像间自动生成匹配的特征点,由空间共面的特征点及其相应匹配点生成图像间的单应变换矩阵。然后由图像边界点及单应矩阵计算摄像机视野(FOV:field of view)分界线。最后利用目标位置信息及射影变换实现目标正确交接。实验结果表明本文的方法具有有效性和鲁棒性。

DMZ内视场光学分割型航摄相机子影像高准确度几何拼接

针对内视场光学分割型相机,利用子影像同名像点虚拟影像坐标相等这一约束条件,提出一种高准确度子影像几何拼接方法.首先在分析各CCD几何安置误差的基础上,设计拼接关系并给出拼接参量计算方法;其次结合SIFT等高准确度影像匹配算子对拼接模型进行优化选择,给出子影像拼接流程;最后采用附加参量自检校技术进行畸变参量再精化处理.利用所提方法对一款自行设计的数字大面阵复合相机进行几何拼接试验,结果表明该方法能够有效解决高准确度子影像几何拼接、高量测性能大幅面虚拟影像生成问题,拼接后影像内符准确度可达子像元级,满足航测作业对数字航摄相机测图准确度和摄影效率的应用要求.

600 mm长焦平面时间延迟积分CCD的交错拼接

为了满足空间宽幅相机大视场的需求,研究了对多片CCD器件进行拼接以获得超长焦平面组件的方法。使用长线阵时间延迟积分(TDI)CCD拼接仪,按照设计位置和精度要求把17片TDICCD器件拼接到焦平面板上,用销钉定位,获得了长为600mm、像元为69 000个的超长焦平面。然后,对完成拼接的焦平面组件进行了高低温循环试验、热真空试验和振动试验。实验结果表明,焦平面组件的结构设计和材料选取满足力学/热学要求。对完成拼接的600mm长焦平面组件进行了TDICCD拼接精度的检测,检测结果显示拼接误差小于3μm。将该超长焦平面组件用于遥感相机,通过成像实验获得了清晰的无缝宽幅图像。上述结果证明600mm长焦平面组件满足空间宽幅相机的应用需求。

空间超大视场相机速度失配对成像质量的影响

空间超大视场时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)相机能在提高观测刈幅的同时有效提高相机灵敏度,然而在其遥感过程中,由于存在地球曲率,导致相机边缘视场地面分辨率退化严重。在分析空间超大视场相机成像的基础上,推导出空间超大视场相机在不同视场位置速度失配比和调制传递函数(MTF)的计算公式。并以某空间超大视场相机为例,分析了TDI-CCD探测器统一和分片调整行转移周期对成像质量的影响。分析实验结果表明,以MTF在空间奈奎斯特频率处下降不超过10%为约束条件,在TDI-CCD积分阶数为4阶时,当空间超大视场相机总视场不超过55?时,可以采用统一调整探测器行转移周期的方法进行像移补偿;当空间超大视场相机总视场达到120?时,采用分片调整行转移周期的方法可将满足要求的像元视场从47.8%提高到86.5%。

可见光/红外双视场全景式航空侦查相机光学系统设计

为提高航空侦查识别目标能力以及满足部队全天候作战需要,设计了一种应用于全景航空侦查相机的可见光/红外双视场成像光学系统。可见光光学系统焦距为165mm/660mm,相对孔径为1:8.8,视场角为9.1°×6.8°/2.3°×1.7°;红外光学系统焦距为75mm/300mm,相对孔径为1:4,视场角为8.3°×6.2°/2.1°×1.6°。采用有限焦距光学系统前面加一个望远系统的方法实现变倍,根据红外器件及可见光器件的像元尺寸计算出红外系统及可见光系统的奈奎斯特频率分别为33lp/mm和91lp/mm。在33lp/mm处,红外光学系统大、小视场的MTF值分别为为0.35和0.37,在91lp/mm处,可见光光学系统大、小视场MTF值分别为0.41和0.4,成像质量接近衍射极限,表明光学系统成像质量良好,满足实际工程使用要求。

基于视野分界线的多摄像机运动目标跟踪算法

提出了一种改进的基于视野分界线的多摄像机运动目标跟踪算法。该算法通过采用SIFT算法来自动获取特征点,生成视野分界线。当目标穿过分界线后,将待确定目标颜色直方图与目标颜色直方图相匹配,匹配度最好的赋予标识,即完成目标的交接,用Mean Shift算法完成后续目标的跟踪。在搭建的实验平台上进行了实时跟踪,实验结果表明该算法能有效实现多摄机间的目标连续跟踪。

近眼显示设备视场测试方法研究

近眼显示设备的视场是一个关系到其显示性能的重要指标,同时也直接影响了其他相关光学参数的测试准确性。为了避免传统方法由于角度旋转带来的系统误差和实现近眼显示设备视场的快速测试,研究了基于相机成像的近眼显示设备视场快速测试方法。从几何光学原理出发构造出视场的简化几何模型,通过分析相机成像的四个坐标系的转换原理,实现近眼显示设备视场的角度量由相机成像的像素间距的表达,得出近眼显示设备视场的计算公式,并通过极限状态下的误差分析,验证该方法是有效可行的,可为近眼显示设备视场的客观测量和评价提供必要的参考。

一种基于投影不变量的目标交接改进方法

在多摄像机视频监控系统中,图像之间的视点对应以及目标的交接是重要的研究内容。不需要标定摄像机的参数,该文提出了一种利用尺度不变特征变换(SIFT:scale-invariant features transform)及融合颜色信息的投影不变量实现目标交接的方法。利用SIFT方法自动生成图像间匹配的特征点对,并由此生成视野分界线,然后利用融合颜色信息的投影不变量方法完成对多摄像机之间目标身份的确认。

一种微小型导引头视场下偏角的标定方法

描述了一种应用于微小型光学导引头视场下偏角标定的方法,通过获得导引头绕自身回转轴线转动时拍摄的固定靶标图像计算不同旋转角度时导引头中心视线落点和摄像机坐标系原点在世界坐标系下的坐标,以拟合获得的这2组点的分布建立空间几何关系进而得出下偏角。给出了3组实验数据,分别检验该方法的标定误差、实际所需的采样点数并给出了实际工作中的应用效果。实验表明该方法可以快速标定导引头系统的下偏角,其标定绝对误差小于0.10°。

基于云台相机的旋翼无人机视觉伺服方法研究

针对旋翼无人机视觉伺服中相机视场范围过小等问题,提出一种基于云台相机的视觉伺服控制方法,实现了旋翼无人机在经典视觉伺服视场外位置的定点悬停控制。首先建立了云台相机的图像特征运动学模型,设计了基于云台相机的旋翼无人机视觉伺服控制方法,并将模糊PID算法融入云台控制,旨在提高响应速度。分别进行了近目标点和中远目标点的旋翼无人机视觉伺服定点悬停仿真。仿真结果表明,所提方法大幅扩大了旋翼无人机视觉伺服控制的视野范围,扩展了无人机视觉伺服的应用场景。

基于圆形视场分割的鱼眼相机星图识别方法

海上星光导航是航海中一种重要的自主导航技术,星图识别是其关键步骤。针对船载鱼眼相机星光导航系统超大视场带来的单幅图像数据量大、识别冗余、识别效率低等问题,提出了一种基于圆形视场分割的鱼眼相机星图识别方法。对于拍摄到的星图,利用同心圆将视场分割成若干个面积相等的环形和圆形区域;在构造导航星特征库的过程中,以星角距为特征构造散列函数,将导航特征库分段存储成若干个子库;在识别过程中,利用基于中心星的多三角形识别算法,从视场中心圆形区域开始依次向视场边缘环形区域进行识别。海上观测实验结果表明:该方法能够平均以2.5s的识别时间达到90%以上的识别成功率,且具有良好的实时性。