基于OOK调制的可见光通信视频传输系统

为了降低可见光通信(VLC)系统的误码率,设计了一种基于二进制开关键控(OOK)调制的VLC视频传输系统。该系统采用改进型4B5B编码、后均衡放大电路改善了系统误码性能,拓展了系统的-3 d B带宽,并在自适应阈值判决的基础上分析数据的相关性特征,实现了OOK解调。实验结果表明:系统可以在2 m的距离下实现1080 P高清视频的实时、无失真传输;当传输速率为60 Mb/s时,改进型4B5B编码能将系统无编码时的误码率由2.2×10^(-2)降低至2.81×10^(-6)。

莫尔成像薄膜的研究和应用进展

光场成像是一类新型的成像技术。作为光场成像技术的重要组成部分,莫尔成像薄膜以其优异的三维和动态成像特性,近年来引起人们的广泛关注。本文综述了莫尔成像薄膜的研究和应用进展,主要介绍了莫尔成像薄膜的成像原理,给出了莫尔成像薄膜中人们最为关注的放大倍率、取向角、立体景深和动感参数的基本原理和计算公式。进一步地,讨论了大幅面微透镜阵列模具的制备技术、分辨率大于8000dpi的纳米印刷技术和对准微纳压印技术。最后讨论了莫尔成像技术的未来发展机会和挑战,为莫尔成像薄膜未来在安全防伪、动态显示等方向的应用提供了借鉴。

采用改进遗传算法优化神经网络的双目相机标定

针对传统BP神经网络在双目相机标定过程中存在的迭代时间长、精度低等问题,提出了基于改进遗传算法优化BP神经网络的方法来完成双目相机标定。使用融合多格算法的Trajkovic算子进行角点检测,利用点对点空间映射和网格运动统计相结合的方法完成同名角点匹配,在此基础上,提取同名角点的像素值并计算其实际的三维坐标值。对遗传算法的交叉和变异概率及选择算子进行改进,利用改进后的遗传算法对BP神经网络进行优化,将像素值和三维坐标值分别作为BP神经网络的输入和输出,进而完成双目相机的标定。实验结果表明:优化前后的平均标定预测精度分别为0.66 mm和0.08 mm,其平均标定预测精度提高了88%。优化前后的标定测试迭代次数分别为736和169,优化后迭代速度提高了3.4倍。改进遗传算法优化BP网络在双目相机标定过程中取得较好的效果,满足了双目相机标定的要求。

机器人辅助脊柱手术三维定位导航

针对传统脊柱手术过程中医生无法精确定位病灶点及术中辐射过量的问题,本文提出了利用结构光图像与术前CT图像进行配准的方法,并开发了机器人辅助脊柱手术导航系统。通过术前在脊柱的三维重建模型上规划手术路径,对三维导航系统的坐标转换原理及各软件模块的分析,最终使机器人在术中按照规定的手术路径进行病灶点的定位和穿刺。通过脊柱穿刺导航定位位置实验和姿态实验,得到该导航系统的定位位置的误差值为3.34±0.12 mm,导航姿态的误差值为3.1±0.89°。本文所提出的三维导航系统的精度基本能够满足脊柱穿刺手术的需求。

差分遗传算法优化BP神经网络的双目相机标定

针对传统双目相机标定的方法存在计算量大、标定过程复杂等问题,本文提出了一种利用差分遗传算法优化BP神经网络来完成双目相机标定的方法。利用能量生长和光线扫描匹配算法完成同名角点的检测、匹配以及像素坐标的提取;对遗传算法的选择和交叉算子进行改进,同时利用差分算法对遗传算法的变异算子进行改进;利用差分遗传算法来优化BP神经网络进行双目相机标定。实验结果表明:基于本文提出的方法的双目相机的标定的误差的均方根为0.038 mm,传统的基于Opencv和Matlab标定的方法的标定误差的均方根分别为0.155 mm和0.417 mm。相比而言,其标定精度分别提高了75%和90%。与此同时,采用本文提出的方法对双目相机进行标定时需要花费的平均时间为26.3 s。差分遗传算法优化后的BP网络在双目相机标定过程中简化了标定流程并取得较好的效果,满足双目相机标定的要求。

部分相干光束经过湍流大气传输研究进展

相较于相干光束,部分相干光束经过湍流大气传输能够有效地抑制湍流引起的光束展宽、光斑漂移及光强闪烁等扰动效应,在自由空间光通信、激光雷达和激光遥感等方面有重要的应用前景.近年来,部分相干光束湍流大气传输研究受到越来越多学者的关注.本文回顾了部分相干光束在湍流大气中传输特性研究的发展历程、理论基础及常用的理论方法,介绍了处理光束经过湍流大气传输的相位屏数值模拟方法,以及如何把该方法运用到处理部分相干光束传输.

大行程精密定位平台偏摆误差的补偿方法

精密定位平台在导轨动连接处刚度较差,在高速高动态工作中这里易产生偏摆振动。为了减小偏摆误差对定位平台的影响,提高定位精度,通过对直线电机驱动、气浮导轨支撑和导向的高精度定位平台进行研究。根据定位平台偏摆误差的动态特性,采用偏摆误差补偿方法,设计一种偏摆误差检测系统,采用平尺和微位移传感器相结,具有高频响、非接触式的特点。设计了一种基于压电陶瓷驱动的x,y两维微位移补偿机构。同时,通过将气浮导轨滑块副简化成弹簧、质量和阻尼相结合的系统,推导出了定位平台两自由度的偏摆振动模型。基于误差补偿系统的偏摆误差补偿实验表明,精密定位平台的定位精度得到了较大提高,定位平台的定位精度优于2μm。

重力作用下肝脏模型变形及切割模拟仿真

为了能够实时且准确的模拟部分肝脏切除术中肝脏真实变形状态,本文提出了一种基于物理的质点弹簧软组织模型。依据肝脏软组织生物力学特性建立了针对肝脏的质点弹簧模型,利用此模型将离体猪肝作为实验对象,分别进行离体猪肝受重力变形以及离体猪肝的切割实验,给出了模拟变形与真实变形的离体猪肝CT扫面重建模型对比结果。实验结果表明:离体猪肝在重力作用下变形在2 mm内,离体猪肝切割变形在3 mm内;在实时性方面,引入GPU进行并行计算,在重力变形以及切割过程中刷新率分别保持在300FPS和200FPS。该模型能够真实反映肝脏组织形变,同时在计算效率方面具有明显的优势。本文提出的质点弹簧软组织模型能够满足肝脏切割的要求。

基于移动顶点的肝脏模型渐进切割算法

针对肝脏三维模型切割算法计算量大、实时性差,并且切割操作容易生成小三角形和狭长三角形等退化三角形等问题,本文提出了一种将四面体切割中的移动顶点法应用于渐进式面模型切割的方法。使用本文提出的光线投射法进行碰撞检测获取切割点,筛选出满足条件的最近点将其移动到切割点;同时根据空圆特性对最近点附近的三角面片进行优化,消除了退化三角形;对切割过程中切割面的构造进行了研究,能够实时生成与实际切割深度相同的切割面。实验过程中刷新率保持在119±2 Hz,表明本文提出的逐步重建的算法具有良好的实时性和稳定性,能够很好地消除退化三角形,使得切割仿真的切面真实性大大提高。

基于双目结构光的肝脏表面三维重建系统标定研究

针对术中结构光肝脏表面三维重建存在标定难的问题,本文提出了一种针对肝脏表面三维重建系统的高精度标定方法。对手术过程中肝脏三维重建系统的双目模型和手术视场进行分析,确定双目相机和投影仪摆放的位姿。对双目相机之间的位姿转换进行分析,并完成其标定。同时提出基于三频四步解相法的投影仪标定方法,进而从三频四步解相原理出发,制定解相流程。对投影仪标定过程中存在的标定板质心求解困难的问题,提出了基于亚像素坐标线性插值的椭圆质心求解方法。根据实际的手术需求,选择合适的硬件,搭建了肝脏表面三维重建系统的实验平台。在此基础上通过多组标定实验,获得的系统的平均标定误差为0.078 mm,最大标定误差为0.099 mm。本文提出的肝脏三维重建系统的标定方法具有较高的标定精度,符合医生手术过程中的实际需求。

归一化互信息与多分辨率融合的2D-3D配准方法

针对微创脊柱手术配准环节中存在的配准精度和效率低的问题,本文提出了一种2D-3D配准方法。采用基于区域贡献的归一化互信息与多分辨率策略相结合的方法,并通过改变配准步长,研究配准精度和时间。整体配准精度提高了40%,配准时间缩短了53%,当配准步长由0.1降到0.05时,其配准精度提高了8%,配准时间增加了12%。由此可知,配准步长变小时,配准精度相对提高,但配准时间增加。此算法可以实现三维与二维图像的配准,且可以有效提高配准精度和配准效率,基本符合医生手术过程图像配准3 mm以内的需要。

基于空间约束的模糊C均值聚类肝脏CT图像分割

传统模糊C均值(FCM)聚类算法应用于肝脏CT图像分割时仅考虑像素本身特征,无法解决灰度不均匀造成的影响以及肝脏边界模糊造成的边界泄露的问题。为解决上述问题,提出一种结合空间约束的模糊C均值(SFCM)聚类分割算法。首先,使用二维高斯分布函数构建卷积核,利用该卷积核对源图像进行空间信息提取得到特征矩阵;然后,引入空间约束惩罚项,更新并优化目标函数得到新的迭代方程;最后,通过多次迭代,完成对肝脏CT图像的分割。实验结果表明,SFCM算法分割具有灰度不均匀和边界粘连的肝脏CT图像时得到的肝脏轮廓形状更加规则,准确率达到92.8%,比FCM和直觉模糊C均值(IFCM)算法的分割准确率分别提升了2.3和4.3个百分点,过分割率分别降低了4.9和5.3个百分点。

基于遗传算法与最小最大优化方法的六自由度放疗床参数辨识方法

为了对放疗床进行结构标定,以提高放疗床的定位精度,提出了一种遗传算法与最小最大优化方法相结合的参数辨识方法。根据机构的运动学逆解建立了放疗床的标定模型;结合遗传算法与最小最大优化方法的优点对放疗床的60个参数进行参数辨识,有效减小了目标函数的残差;以激光跟踪仪作为测量工具,对若干组任意位姿进行绝对定位精度实验和重复定位位置精度实验,以验证参数辨识结果。实验结果表明,经过标定后放疗床的绝对定位精度的位置误差小于0.3mm,姿态误差小于0.1°;重复定位位置精度的位置误差小于0.01mm。故所提出的参数辨识方法能够实现对放疗床的标定,且标定精度能够满足放疗床的使用要求。

基于双目结构光的术中肝脏表面局部亮度饱和分区投影

开放式肝脏肿瘤切除手术是治疗肝脏肿瘤的最有效方法,基于双目结构光的术中肝脏表面三维重建对肿瘤的精确定位起到至关重要的作用。但由于手术环境光照和双目相机采集图像的位置等因素,将造成相机拍摄的图像出现局部亮度饱和问题,进而导致肝脏表面三维重建缺失。为此,本文提出基于不同反射率区域分割投影算法制定的自适应最佳条纹光栅的方法来解决该问题。先建立肝脏表面光照的物理模型和双目系统下的肝脏表面光照示意图并分析肝脏表面局部亮度饱和的影响。接着,利用肝脏表面不同位置的反射率不同,进行区域划分,根据不同反射率的区域分割投影算法来计算自适应最佳条纹光栅的强度,实现肝脏表面的分区投射。然后,将左、右相机图像中的饱和点转换到投影仪投射的条纹图像中并通过局部亮度饱和实验来验证本文提出的方法对克服肝脏表面局部亮度饱和问题的有效性。最后,通过猪肝实验结果表明:采用本文提出的方法后,三种不同手术状态下因局部亮度饱和而导致猪肝三维重建表面的缺失比率分别从1.1%、2.9%和1.4%降至0%,并且猪肝表面三维重建精度达到0.75 mm。本文的方法基本可以满足医生提出的术中肝脏表面三维重建精度1 mm以内并且重建表面无缺失的要求。

非均匀拉盖尔-高斯关联光束及其传输特性

提出了一种新型特殊关联部分相干光束即非均匀拉盖尔-高斯关联光束,其在x和y方向上的关联结构函数分别为非均匀关联和拉盖尔-高斯关联函数.基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导了这种光束交叉谱密度函数在自由空间以及大气湍流中的传输式,并计算了该光束经过自由空间和湍流大气传输的光强分布和关联结构函数分布演化特性.研究发现,该光束光强分布在传输过程中展现出自聚焦、自偏移和自分裂等奇异特性,同时发现控制关联结构函数参数可以有效地降低湍流大气的影响.关联结构调控为操控光束传输行为提供了一种新颖而有效的手段,在大气激光通信、微粒操控等领域具有重要的应用前景.

基于增强现实技术髓内钉远端锁孔导航

针对传统的髓内钉远端锁钉方法辐射暴露时间长、髓内钉远端孔定位时间长、精度低等问题,本文开发了一种包含可跟踪手术工具的手术导航系统以实现骨科增强现实。该系统在髓内钉远端锁钉术中为医生完成远端钉孔的锁定提供实时准确的钻孔导向信息,完成远端钉孔的锁钉。本文采用标识靶定位进行手术工具跟踪精度实验并利用胫骨模型进行髓内钉远端钻孔锁定实验,得到手术钻头尖端点定位误差为1.55±0.55 mm,基本满足髓内钉远端锁定手术要求。骨模实验初步验证了该系统在临床上的可行性。

基于结构光的强反射表面三维重建方法研究

采用结构光进行工件表面三维重建时,经常出现因亮度饱和而导致重建缺失和精度低的问题。针对该问题,提出一种相位融合和多频外差算法相结合的解决方法。首先,从实际的工作环境和从三维重建的物理模型角度分析了工件表面亮度饱和对三维重建的影响。然后,针对亮度饱和引起的该区域相位丢失的问题,在结构光相移法的基础上提出了相位融合的方法来求解高质量相位。进而利用多频外差法进行绝对相位的求解,提高三维重建的精度。最后,通过搭建基于结构光的工件三维重建实验平台对本文提出的方法进行验证。实验结果表明:基于本文提出的方法进行工件表面三维重建的平均精度和完整率分别为0.013 mm和99.71%。相比于传统的结构光三维重建方法,本文提出的方法在精度和完整率方面分别提高了79%和22%,具有较好的效果。

FPN的影响因素分析及相关应用

钢笔纳米刻蚀技术(Fountain pen nanolithography,FPN)是近年来发展起来的一种新型的基于原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)的扫描探针刻蚀技术,具有加工结构精度高、加工过程操作性强、对加工环境要求低、持续书写等优点。FPN刻蚀过程主要受探针的孔径大小、空气湿度、接触时间、书写速度、墨水的特性等因素影响。在介绍FPN相关原理及影响因素的基础上,综合介绍了包括电化学FPN技术(Electrochemical FPN,EcFPN)和主动控制技术FPN(Active FPN,AFPN)在内的FPN相关技术研究的最新成果及其在生物领域、微电子领域和光学器件方面的相关应用。

虚拟手术缝合线实时打结仿真研究

针对虚拟手术中缝合线打结仿真时存在的实时性、逼真度较差等问题,采用质点弹簧系统(Mass Spring System,MSS)方法建模,并结合物体非线性及弯曲特性对其进行受力分析。采用Verlet法数值求解模型动力学方程,并基于跟踪控制点方法实现缝合线运动模拟。提出一种基于层次包围球的模拟受力方法解决缝合线打结过程中的自碰撞检测与响应。仿真结果表明,跟踪控制点方法能有效地完成缝合线的动态仿真,并且通过模拟受力方法能够实现缝合线的打结操作,增加了缝合线运动模拟的逼真度和实时性,提高了仿真效率。

RZJ-304光刻胶压电雾化喷涂工艺及其应用

在自主搭建的压电雾化喷涂系统上,以RZJ-304正性光刻胶为研究对象,圆形抛光硅片为基材,研究了稀释体积比、预热温度以及喷涂层数对光刻胶薄膜平均厚度及均匀性的影响,并得到最佳工艺参数。以具有方形结构的抛光硅片为基材,分别进行压电雾化喷涂法和离心旋转法涂胶,并进行图案光刻,结果表明压电雾化喷涂法可以在非圆形形貌上得到清晰完整的图案,克服了传统离心旋转法无法在非圆形面上涂胶的缺陷,验证了压电雾化喷涂法在非圆形形貌应用中的可行性。