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[硕士论文] 邓芸
光学工程 南京师范大学 2018(学位年度)
摘要:基于传统光学显微镜能观察微细物体的能力,显微镜被广泛应用于众多学科的科研研究中。由于Abbe衍射极限的限制,用可见光作光源时传统光学显微镜的分辨率约为λ/2。为了分辨亚衍射极限的物体,许多超分辨成像技术被相继提出。在这些方法中,微球透镜技术在白光照射下就能简单和有效的获取超分辨图像,这吸引了众多科研小组的关注。在微球透镜技术中,常用改变相对折射率的方法来增加样品的成像放大率,并且只通过研究单个微球透镜的成像特性来探究微球超分辨成像的工作机理。在不改变相对折射率的条件下,本文设计了级联型微球透镜来改善微球透镜的超分辨能力并对其成像特性进行研究。
  本文的主要研究内容如下:
  1.仿照几何光学透镜组,设计了一种围球型级联微球透镜,并且研究了这种级联微球透镜和单个二氧化硅(SiO2)微球透镜的成像特性。采用酒精作为浸没介质,从实验结果得到级联微球透镜的放大率是单个微球透镜的1.44×,但是视场变小。研究结果表明:该级联微球透镜的两级都起到了放大作用,提高了低折射率SiO2微球的放大率;能对观察样品成像的级联微球透镜必须是其焦点的位置要靠近观察样品表面;只有当级联微球透镜结构的两级微球的中心在一条直线上,才能得到中间亮且清晰的像;第一级960nm聚苯乙烯(PS)微球对光束的汇聚作用,限制了级联微球透镜的视场范围。
  2.提出了一种制备过程更简单、可重复性更高的甩胶型级联微球透镜,研究了这种级联微球透镜和单个SiO2微球透镜的成像特性。采用SU8-2002光刻胶作为浸没介质,研究发现该级联微球透镜与单个SiO2微球相比,其视场减小但放大率增大至1.38×。此外,实验结果中得到了一个特别的现象,该级联微球透镜呈现出两种成像结果即中间区域有条纹且放大率增大和外围区域有条纹且放大率无明显变化。研究结果表明:甩胶型的级联微球透镜制备工艺更简单、可重复性更高;能起到放大作用的级联微球透镜其两级微球球心必须在一条线上;微球的半高全宽值越小,超分辨能力越强。
  3.将甩胶型级联结构应用于高折射率的钛酸钡(BTG)微球,然后分别研究了SU8-2002光刻胶,镜头浸没油,聚二甲基硅氧烷(PDMS),酒精和超纯水水五种介质浸没下的单个BTG微球和甩胶型级联高折射率微球透镜的成像特性。理论和仿真分析表明相对折射率在1.2-1.45之间时,随着相对折射率的增加,成像放大率增大,焦点距离样品表面变近,半高全宽值变小。综合考虑了五种浸没介质的特性,研究发现PDMS是级联型高折射率微球透镜的最佳浸没介质,实验结果显示这种甩胶型级联微球透镜放大率是单个BTG微球的1.35×,其纳米喷流的束腰更细,超分辨能力更强。
[硕士论文] 王震
光学工程 西安工业大学 2018(学位年度)
摘要:早期,小透镜(口径小于5mm)主要用于光纤通信领域,用于作为半导体激光器进入光纤的耦合镜组。随着技术的不断进步,小透镜的应用也越来越多。例如手机的照相镜头,随着手机不断的变薄,体积的不断减小,手机配置的照相镜头也要求不断的变小,同样还有越来越多的便携式电子设备,都要求能够生产制造出尺寸越来越小但又能满足使用要求的镜头,这也就需要这些小镜头的性能越来越高,像质也越来越好,只有这样才能提高竞争力,满足市场需求。本课题的主要研究目的就是找到一种方法对这些小口径镜头的像质进行方便、快速、准确的测量。
  本论文的主要研究工作如下:
  首先,通过对国内外镜头像质检测方法的现状进行研究,通过对比几种不同的像质检测方法,判断其对于检测小镜头像质的优缺点,并结合实际工作当中的经验与分析,最终确定采用基于夏克一哈特曼波前检测方法进行研究。
  其次,对夏克一哈特曼波前检测方法的基本原理进行介绍,对光斑质心的探测方法进行分析,并对波前复原方法进行分析,针对实际情况选择合适的波面拟合方法,对模式法和区域法进行分析介绍。
  再次,针对实验室现有情况,进行哈特曼波前检测装置的设计,并分别设计了三种不同F数的标准镜头以及准直系统,并进行相应的机械结构设计以及相关器件的选型,然后完成装置最终的装调与调试。
  最后,利用装调完成的哈特曼波前检测装置对小镜头进行像质检测,得到该镜头的波前图像以及相关实验数据,并通过与ZYGO干涉仪的检测结果进行对比,判断该设备的检测精度是否满足要求。并对该设备的误差进行了一定的分析,最终结果表明该哈特曼波前检测装置能够满足精度要求。
[硕士论文] 张强
光学工程 西安工业大学 2018(学位年度)
摘要:随着现代科学仪器的不断发展,光学镜头在现代科学仪器中被广泛应用,所以对光学镜头的机械加工、系统装调检测技术要求越来越高。光学镜头的偏心误差受到光学加工和系统装调的限制,必会产生偏心误差,同时会破坏光学镜头的共轴性,影响光学镜头产品质量。所以面对这些问题,光学镜头误差自动化测量也就成为偏心误差分析的关键步骤。
  为了提高光学镜头生产效率,本文在查阅相关资料以及实际考察外,首先解决传统仪器的人眼读数,手动调焦,劳动强度较大和测量效率低等问题。在掌握传统仪器的基本原理和结构的基础上,本文结合光电探测技术和数字图像处理技术,提出了光学镜头偏心误差的自动化测量技术。本文的主要研究工作如下:
  首先,查阅相关资料以及实际考察,阐述了光学镜头偏心误差测量的基本原理和方法,确定光学镜头偏心测量最佳方案。
  其次,在现有的内调焦定心仪的基础上,把手动内调焦头改进为电动调节变焦组,实现电动调焦,采用光电探测器、图像采集、数字图像处理技术研究光学镜头偏心误差的自动化测量技术,实现自动化测量。
  最后,基于visual studio2017开发环境,完成开发了光学镜头偏心误差自动化测量软件,给出数字化的测量结果。目前软件基本可应用于光学镜头生产工艺过程的控制。
[硕士论文] 梁畅
电子与通信工程 郑州大学 2018(学位年度)
摘要:全景视频是多个相机采集图像,经过相机标定、拼接、融合以及编码传输等一系列处理后实现用户在客户端查看比单个相机视角更广的视频的功能。近年来,全景视频在虚拟现实(VR)、安防领域成为热门应用,主要源自其较好的视觉体验和较大的信息量。全景相机的单帧传输对于普通设备来说是非常简单的,但是涉及到实时的视频传输就需要考虑其庞大的数据量和巨大的处理负担。其中,实时的视频拼接需要考虑上位机的处理能力,就目前的处理器性能而言,还不可能逐帧的自动解算拼接参数,需要对事先校准的拼接参数做持久化处理。其次,全景视频拼接为单帧的像素量极高,需要根据相机实际的解析质量进行适当的缩放,一方面是一定程度上降低处理器负载,一方面为实时传输降低性能门槛。目前,实现机内全景相机拼接的方案大多基于FPGA、专用影像处理器(ISP),然而全景相机本身技术更新快,产品寿命周期短,若走定制化路线,必然导致较高的研发难度和研发成本。目前,x86平台已经有面向手持设备的低功耗、低成本方案,若能够利用x86平台的强大指令集和GPU资源,实现FPGA、ISP相同的效果,则经济价值极大。本课题观察全景相机拼接技术的角度较新,从低成本、低功耗、实时机内处理的角度进行相机软硬件系统设计,在理论研究的基础上进行了大量的算法调研、硬件选型和性能优化工作。
  本课题对市面上存在的全景相机产品进行观察,认为多路相机实时机内拼接的推流产品成本较高,且标定功能较差。本课题对高质量、高计算量的影像拼接方案机型对比和研究,再与高计算速度,较低质量的算法进行特性的对比,最终选用基于GMS和ORB算法相辅的鲁棒拼接系统作为拼接时提供标定参数的自动拼接算法。之后对相机模型进行研究,围绕消除畸变的手段进行对比和研究,再对鱼眼镜头的非理想情况结合OpenCV库,实现了高成功率的相机畸变矫正功能。最后实现了基于RTSP推流的网络全景相机方案。后续,通过对全局流水线的性能优化并对推流的性能问题进行了简短有效的分析,并提出解决方案。
  本文重点在于结合理论,对实现低成本、低功耗的实时机内拼接方案进行理论和实践手段的阐述。旨在为基于x86低功耗视觉系统的开发提供新的思路。
[硕士论文] 孟庆悦
戏剧与影视学 哈尔滨师范大学 2018(学位年度)
摘要:我们现在拥有两个影像系统:传统摄影(胶片摄影)和数字摄影。数字摄影是一种新的影像记录和传输的方式,通过输入-处理-输出使图像生成的技术。早期的传统摄影从发明(达盖尔摄影术)至今有着将近200年的历史,它是由拍摄—冲洗—印放三大部分组成,通过化学感光材料——胶卷(或胶片)来记录影像,采用化学药液进行冲洗、印放来再现影像,除去前期相机的拍摄,在之后的胶片和相纸的冲洗都需要在暗房中进行。由于数字摄影的快捷、多样、精确、无耗等性能,成为社会发展的主流。但物质得到极大丰富的今天,人们对精神文化的需求逐渐加强,对艺术方面的追求尤为突出。摄影艺术作为极具代表性的艺术形式得到充分的发展和传播。摄影艺术以它特殊的存在与表达形式活跃于它出现之后的文化和艺术发展时期。人们不再满足于数字摄影的快速获取影像,以及一成不变的机械化生产。在研究和欣赏近代摄影佳作的同时,我们也注意到了有一些人开始研究古老的传统摄影工艺,并在试图通过对传统古典摄影工艺的探究中去诠释摄影的无限可能性和无限艺术创造性。本文重点研究在数字时代影响铂钯印相工艺成像质量的因素,铂钯印相工艺是古老的传统摄影手工技术,它与我们熟知的传统银盐工艺都属于传统摄影中的一种。传统摄影因复杂繁琐的工艺技术,图像成功率不高,使数字摄影迅速普及。本论文将使数字技术与传统工艺相结合,通过查阅古籍和大量的实践实验中重新详细的研究传统工艺——铂钯印相在数字化的背景下的工艺流程,通过与其它传统工艺的比较分析,重点研究影响其成像质量的因素。使其在数字化的背景下,利用数字化的优势使传统工艺的制作相对便捷,提高传统工艺的成功率,增强影像的艺术表现效果。将数字与传统的优势相互结合进行互补,从而得到更加具有创造力和高质量的摄影佳作。
[硕士论文] 孔翰文
精密仪器及机械 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:三维照相是在平面照相技术的基础上研发出的最新的拍照技术,其利用各种数据采集装置采集到人体的三维数据,并依赖于计算机的高速处理性能,将三维数据做进一步的处理,并导出为可以被输出装置识别的数据格式,最终利用3D打印或者是激光内雕等方式生成最终的成品。
  作为一个新兴的行业,三维照相技术并不太成熟。就目前而言,已研究出的三维照相方案在实际使用中有着各种各样的不足。有的方案的拍摄时间过长,导致用户需要保持同一个姿势很长时间,有的方案由于算法设计上的不足,导致最终的效果不甚理想。
  针对这些问题,本文提出一种新的基于多个Kinect相机的三维照相方法。为了减少拍照用时,使用6台kinect相机在不同方向上同步拍照,提供1个服务器程序以及5个客户端程序对这些相机进行控制,相互之间使用socket进行通信,获取到人体各个方向的三维点云数据;然后利用事先标定好的旋转平移矩阵,将各个区域的点云进行空间变换并拼接到一起;接着进行离群点、重叠点去除等操作,重建出效果更理想的点云;最后将点云数据导入到激光内雕机中,并打印到玻璃水晶中去。
  本文将三维照相设备的软件系统分解为了四个主要模块,分别是服务器端Server程序,客户端Client程序,拍摄前用于标定的Calibration程序,以及用于后期处理的Fusion程序。Server程序用于发送指令给各个Client,并处理由Client返回的三维数据;Client程序用于接收Server指令以及实现三维数据获取与返回;Fusion程序的主要目的是对点云做进一步的优化与重建;Calibration程序用于标定出一些在正式拍摄时使用的参数。
  最后本文通过实际的场地测试,保证整个三维照相系统能够正常稳定地工作,并且确保最终三维图像的效果足够理想。
[硕士论文] 汪义志
电子与通信工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:光场相机是基于计算摄影技术的一种新型成像系统,它能够通过一次曝光,同时记录光线在空间中的位置和方向信息。利用光场的重聚焦和多视角的特性可以进行视觉测量,然而,在视觉测量过程中,光场图像由于受到高光因素以及结构参量误差和随机误差的影响,导致视觉测量误差增大。本文针对光场相机视觉测量方法以及测量误差影响因素进行研究。
  本文的主要工作如下:
  (1)系统分析了EPI视觉测量、重聚焦测量方法和多视角测量方法的测量误差的影响因素和测量误差范围;分别通过理论分析和实验验证了目标实际距离、视角基线长度、主透镜焦距以及高光成分与视觉测量误差的关系。
  (2)研究并实现了一种基于光场子孔径图像匹配的去高光算法,利用SIFT算子提取光场子孔径图像特征点并进行匹配,然后利用修正的无高光图像对高光区域进行检测来进行高光的去除。实验结果表明,与现有的去高光算法相比,本文的算法具有更好的去高光效果和抗噪性;
  (3)实现了一种基于光场多视角组合的视觉测量方法,利用光场去高光算法对光场子孔径图像进行预处理,并采用多组多视角组合的测量方法来减小测量误差。实验结果表明,在光场相机微透镜阵列结构固定条件下,与现有的测量方法相比,本文的测量方法具有更高的测量精度。
[硕士论文] 李明杰
仪器仪表工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:近几年,大视场成像系统在各领域发挥着重要作用,但在提供大范围成像过程中,会产生一定程度的图像畸变,使成像变形失真,影响目标的观察和标定。因此,有必要对广角镜头的畸变进行实时校正。本文结合光学设计和图像处理方法,对大视场畸变实时校正技术进行了研究。
  根据广角镜头的设计要求,在相关光学设计理论的基础上,利用ZEMAX设计了视场角125°的大视场物镜,并进行了像质分析。通过对空间成像理论和非线性几何畸变理论的研究,建立了摄像机理想成像模型和光学系统畸变成像模型。对现有的畸变几何校正和图像灰度校正的模型算法进行研究,并讨论了优缺点和应用价值。为了满足本课题对畸变校正精度高、计算量小的要求,在相对畸变模型基础上,将基于对象法中的球面畸变模型和FOV模型相结合,利用视场角ω和畸变系数λ,建立基于等效非球面的畸变校正模型;该模型具有简单易行、方便快捷等优点;基于模型法对畸变中心坐标位置进行重新标定,提高了模型的标定精度;最后设计了相对应的校正算法。
  为了确保畸变校正的实时性,在深入研究了OpenCV函数模块和CUDA并行架构后,本文设计了基于CPU+GPU混合平台的大视场物镜畸变实时校正和显示系统。实验结果表明,该系统对超高分辨率的视频,校正率可以达到98.50%,每帧图像的校正及显示时间为0.039s,加速比达到47.1,符合实时校正和显示的要求。
  本文提出畸变实时校正系统具有低耗时、高精度、简单易行、良好的可移植性、成本低等特点。适用于多种大视场物镜的实时校正,可广泛应用到工程实践中。
[硕士论文] 宋俊男
仪器仪表工程 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:随着“工业4.0”时代的到来,传统制造业迎来了技术的升级与变革,工业生产更加趋向自动化、智能化。随着机器视觉技术的发展,基于机器视觉的工业检测系统广泛应用于模切、印染、钢铁等大型制造业领域。然而,现有的工业检测系统集成度低、结构复杂,不利于工业现场推广使用。因此,研发小型化、低功耗、高集成度的新型工业检测智能相机系统,具有较高的工程应用价值。
  为此,本文针对模切工件生产应用场景,研究开发了基于嵌入式GPU的工业检测智能相机硬件系统。系统通过线阵图像传感器采集模切工件图像,使用FPGA对图像数据进行接收、缓存与转换,再通过PCI-E总线发送给嵌入式GPU;GPU对数据进行特征分析与缺陷判定,从而实现模切工件尺寸检测与缺陷检测功能。此外,智能相机系统外扩HDMI接口和USB接口,用于检测图像的实时显示与人机交互;扩展千兆以太网接口,用于检测图像的上传与本地存储。
  测试结果表明,本文研究开发的工业检测智能相机系统可稳定、可靠工作。目前,系统样机已完成基本功能调试,达到了设计要求。
[硕士论文] 尹传海
电子与通信工程 苏州大学 2017(学位年度)
摘要:随着现阶段电子信息技术飞速发展,数字相机的出现完整地替代了传统的胶片机。在数字相机中,自动曝光和自动对焦作为影响图像质量的两个重要参数,是相机软件的重要组成部分。本文针对自动曝光和自动对焦开展研究,揭示了其在实际相机图像中,对提升图像质量效果具有重要作用,对手机相机效果调试具有应用价值和现实意义。
  一方面针对自动曝光算法无法判断画面亮度层级的不足,本文提出了一种基于平均灰度和亮度直方图分布相结合的自动曝光算法。首先定义的五个灰度区间并判断画面的平均亮度是否落入最佳灰度区间,其次统计其余四个较亮或者较暗区间在画面中的比重判定是否处于特殊的光照环境,最后通过调整信号增益提升灰度的动态范围,满足画面的亮度层级分布。实验表明使用本文的算法可以在两帧图像的调整范围内满足最佳灰度区间和亮度直方图分布。
  另一方面由于目标图像的复杂性,现有的自动对焦技术存在着各种各样的缺点,为了提高对焦图像质量,如何选择对焦评价函数和对焦区域两个重要的问题有待解决。首先针对传统的清晰度评价算法存在灵敏度不够高、计算量大等问题,提出了一种基于改进的Tenengrad函数的清晰度评价算法,在Sobel算子的基础上改进了四方向的边缘检测方法,实验选取五种不同边缘的图像,证明改进的清晰度评价算法具灵有敏度高、单峰性好、稳定度高等特点。然后针对对焦窗口的选择分析了三种对焦窗口区域选择方法,通过对同一张画面的清晰度评价值的比较,提出了一种比较好的对焦区域选择方法即画面切割成3乘以3块,取中间块中央对焦窗口,可以随着图像大小的变化而变化,其具有灵敏度高、耗时小等特点,可作为对焦窗口选择。
  本文研究的自动曝光算法能满足人眼的最佳视觉灰度需求且有较好的亮度层级;自动对焦算法使用四方向的边缘检测算子具有灵敏度高、单峰性好、稳定性高等特点;自动对焦窗口具有灵敏度高、耗时小等特点。研究成果对于今后研究高动态范围场景合理曝光和复杂纹理场景实现快速精准对焦有铺垫作用。
[硕士论文] 高姣林
机械制造及其自动化 兰州理工大学 2017(学位年度)
摘要:与球面光学元件比较,非球面能在简化系统外形、降低系统成本的同时使系统轻质化,且能很好地校正光传递过程中产生的像差。本文针对非球面校正球差时产生新的像差问题,致力于球面透镜的像差特性分析与理论校正研究。引入了一种同时消除像散、场曲和球差的优化设计方法,研究了单个非球面透镜优化设计前后系统的各像差及整体成像质量的变化规律,优化了透镜系统整体的成像质量。本文主要研究内容和结果如下:
  (1)基于像差理论分析了各像差包括正弦差、球差、色差、彗差、像散与场曲以及畸变等的产生机理及校正方法。通过研究光学成像原理,发现了球差存在的根本原因是由透镜的球面折射使平行光束不能聚焦于一点所致,并基于像差理论提出利用非球面来校正球差的设计思想;
  (2)通过对球面透镜系统初始结构的分析,引入一种同时校正像散、场曲和球差的非球面光学系统像差校正理论,解决了以往设计中因非球面校正球差时引入新的像差而对系统整体像质产生影响的问题;
  (3)实现了完整非球面消球差透镜系统的优化设计,在此基础上对多种适应光学系统像质评价方法包括分辨率、点列图、瑞利判断、斯托列尔(中心点亮度)判断以及光学传递函数等进行了研究,并根据系统结构构建了本透镜系统的像质评价标准;
  (4)评定了系统优化前后的像质,并对单个非球面透镜优化设计前后系统的各像差及整体成像质量的变化规律进行研究,经仿真对比分析球面透镜和非球面透镜点列图、MTF曲线、场曲和畸变以及赛德尔系数图,发现非球面优化后系统的像散、场曲及球差大幅减小。经验证所得非球面透镜系统结构简单、成像质量优良,满足技术要求。
  本文提出的方法能够在像散、场曲较小的情况下,消除球面透镜系统存在的球差,所提方法切实可行,可为进一步实现复杂的光学系统设计提供理论技术支撑。
[硕士论文] 赵业隆
测绘工程 辽宁工程技术大学 2017(学位年度)
摘要:量测型相机是专门为摄影测量而设计的相机,可以直接用于航空摄影测量。非量测型相机是日常生活用的普通照相机,例如单反相机、卡片相机等。非量测型数码相机具有机身轻便,价格低廉,方便携带等特点,在近景摄影测量领域中应用十分广泛,也逐渐成为航空摄影测量中影像的主要获取设备。此类相机本身的内方位元素和畸变参数都是未知的,不满足基本的共线条件方程,导致不能对影像的外方位元素直接解算。
  本文使用空间后方交会检校法和张正友检校法(棋盘格检校法)检校非量测相机。通过实验对上述两种检校方法的检校结果分析:畸变参数结果、两次相机检校结果、标识点的数量和分布情况对空间后方交会法的影响;像片的数量和拍照的角度对张正友检校法结果的影响。最后,利用两种检校方法计算的相机参数改正影像,对改正后的影像进行空三加密并分析空三加密的精度。本文采用自动提取检校场标识点,提高空间后方交会方法的计算效率。
  通过实验结果分析:径向畸变大于偏心畸变的影响;焦距增加镜头的畸变系数变化越小;标识点的数量和分布情况都会对检校结果产生影响,标识点的数量为10个即可,标识点要均匀的分布在检校场中;拍摄像片的角度和数量对张正友检校法有影响,像片的数量为15张即可,要多个角度拍摄标定板。空间后方交会法比张正友检校法得到的结果好。多片后交比单片后交稳定。自动提取检校场中的标识点提高了检校效率。
[硕士论文] 司译文
控制科学与工程 哈尔滨工业大学 2017(学位年度)
摘要:基于空间非合作目标的交会对接问题一直是一个老生常谈的话题,基于该技术的燃料加注、太空碎片清理等任务也层出不穷,而本文要做的,就是解决交会对接过程中的相对导航问题,即目标星相对于服务星的位姿解算问题。
  本文使用 Kinect模拟单目相机和扫描式激光雷达的融合,获得彩色的密集点云数据,可达106数量级。在验证全文算法时借助了斯坦福 bunny数据。本文对庞大的点云数据建立了多维树状结构,并对原始点云数据进行降采样,以此为基础展开了接下来的算法。
  本文首先对目标星进行提取,目的是为交会对接过程中的对接环等位置的识别打下基础。本文采用基于凹凸性的点云分割方案,在无需数据训练的情况下,实现了目标与背景的分离,并可以将目标粗略的按照物理结构进行部件间的分割,对算法性能进行了定量分析。
  测量系统的难点在于特征提取和位姿解算算法。本文采用基于点云配准的位姿解算方案,对经典的 ICP(Iterative Closest Point)算法进行了优化,克服了 ICP算法对于初始点集重叠度要求高等障碍,并在短时间内完成迭代过程。本文采用快速点特征直方图进行特征提取,采用 FLANN(Fast Library for Approximate Nearest Neighbors)确立对应点集,采用 SVD(singular value decomposition)算法进行初始配准,并通过 ICP迭代完成最终的位姿精算过程。
[硕士论文] 侯絮絮
机械工程 西安建筑科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着集成电路技术水平的提高,使得CMOS图像传感器有了飞跃式发展。尤其是CMOS内部可集成A/D转换器、电平转换电路的特性,使其直接输出数字信号。高清、高帧频数字相机,可极大程度地提升图像数据传输速率,但同时也带给硬件电路设计极大的挑战。
  本文结合实际工程需求,以降低硬件设计难度、简化硬件电路为目的,设计一款基于FPGA的CMOS高清相机数据采集与传输系统,该相机在200Mbps的高速传输过程中可以拍到分辨率为2048×1088的高清图像,有利于对瞬态现象的抓拍取证。
  本次设计的采集与传输系统主要分为三大部分:可见光区的目标图像采集单元、控制与处理单元、高速数据传输单元。针对采集单元与控制单元的接口处的电平转换电路,通过采用VHDL硬件描述语言将CMOS输出的LVDS电平转换为TTL电平,实现了软件设计代替硬件电路设计;针对高速传输问题,采用VHDL语言在传输过程中对图像传输通道进行时序设计,使之能够多通道输出,从而实现高速传输功能;针对数据在高速传输中能否保证采样到正确字节,本文利用FPGA芯片的现场可编程功能,设计并实现了图像数据采集的字对齐和位对齐,极大地提高了数据采样的完整性。最后通过板级测试及成像实验验证了硬件电路在软件下的逻辑功能,说明本次设计的采集与传输系统可以实现在较高帧频230fps下采集到高清图像,分辨率为2048×1088,满足项目需求。
[硕士论文] 黄鸿辉
机械制造及其自动化 哈尔滨工业大学 2017(学位年度)
摘要:光学自由曲面是一类特殊的,具有非回转对称性和不规则形貌的复杂曲面,广泛地应用于现代光电系统,各类光学系统以及各种类型的光学镜片当中。本文针对光学自由曲面的加工进行了基于离散点的曲面重构研究,提出了基于NURBS插值理论的曲面重构算法以及基于此算法的刀具轨迹规划算法,将其应用于某型光学自由曲面超精密车铣机床,并针对该机床进行了运动学分析,进行相关的误差补偿算法研究,并通过仿真进行机床的响应与工件面形误差的验证。
  由于光学自由曲面复杂的表面形貌难以用统一的数学表达式表达,因此一般的光学设计软件所设计的光学自由曲面一般以离散数据的形式给出。为了从离散的数据中获得精确的曲面形貌,本文提出了基于非均匀有理 B样条插值理论的曲面重构方法,通过合理的方法将其转化为基于数值解法的重构算法程序。
  在重构曲面的基础上,基于传统的等残留高度法理论,用非均匀有理 B样条插值及求导理论将解析求解过程转化为数值求解过程。针对本文所涉及的光学自由曲面的特点进行离散点求导的优化设计,进行基于NURBS理论的等残留高度法算法研究,完成工件加工过程中的刀具轨迹规划。
  本文针对文中所涉及的超精密车铣加工机床的飞刀铣削工序和快刀车削工序分别进行了独立的运动学分析,推导了加工过程中各轴的几何位置关系和相对运动关系,完成了各轴的运动量分配并完成了各轴的运动分配算法。此外,针对飞刀铣削过程中存在的过切问题,提出了基于非均匀有理B样条理论的过切补偿算法,并对飞刀铣削工序和快刀车削工序间的加工余量分配进行了探讨,完成了两个工序间的余量分配算法研究。
  通过在SolidWorks中建立机床的结构模型,并导入Adams构建运动学仿真模型。将获得的真实光学数据通过本文提出的重构算法重构出光学自由曲面,利用程序求解加工轨迹,分配各轴运动量,最后将数据导入Adams进行仿真分析,通过各轴的响应分析与光学自由曲面的面形误差验证了本文所提出的理论与算法的正确性。
[博士论文] 宗云兵
材料学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:随着X射线技术的发展,第三代同步辐射X射线光源在现代科学研究与应用中扮演着越来越重要的角色。相比可见光与电子,X射线具有短波长及强穿透性,可以实现物质的三维、无损、高分辨成像。基于X射线与物质的复杂相互作用机理,发展出了多种同步辐射X射线成像方法,如吸收衬度成像、相位衬度成像、X射线荧光成像等。这些成像方法广泛应用到材料学、生物学、地质学、考古学等领域,极大推动了各学科的发展。但是,在一些交叉研究领域,如科技考古与肿瘤学,单一模式的同步辐射成像在理论方法和具体应用中仍然存在一定的问题,例如考古学中的结构与组分分析,肿瘤细胞的结构与功能研究等。因此,在方法与技术上,需要发展或改进已有的同步辐射成像方法;在应用上,需要开展多模式同步辐射成像方法在具体科学问题中的研究。在同步辐射成像研究领域中,科技考古与肿瘤学是典型的交叉研究领域。将同步辐射X射线成像应用于科技考古与肿瘤学,既可以有效解决该领域存在的科学问题,同时还可以完善同步辐射成像方法学。因此,本论文开展了基于同步辐射多模式成像的方法学研究,并对古代大豆、陶范等考古学样晶及毛细血管、肿瘤细胞等生物学样品进行了三维、无损、高分辨成像应用研究。具体研究内容包括:
  (1)同步辐射X射线成像在古代大豆起源与驯化中的应用研究。由于古代炭化大豆脆性大,传统考古学往往只能得到形态学信息,而无法获得其内部结构信息。利用同步辐射断层扫描成像(Computed Tomography, CT)的无损、高分辨特性,研究了来自黄河中下游地区不同时代的系列古代大豆。测年结果显示该系列古代大豆跨越距今1000-7500年,是研究大豆驯化问题的良好体系。结合同步辐射同轴相位衬度成像技术,增强了炭化大豆内部的边界衬度,极大改善了同步辐射实验的数据质量。通过提出新的数据分析方法建立了古代炭化大豆结构与成分的关系模型,进而从全新角度揭示了古代大豆的起源与驯化。
  通过对现代系列大豆及其他作物的对比实验,研究发现了位于炭化大豆内部的“孔洞”结构。联系考古学、植物学知识,对影响孔洞产生的大豆成分、水分和炭化温度等因素进行了分析。基于三维断层成像结果和统计学分析,建立了由炭化大豆结构联系其成分的分析方法:1)高脂肪促进产生炭化大豆内部的小孔洞,高蛋白促进产生大孔洞;2)较高的水分和炭化温度会使小孔洞数量下降。将这一分析方法应用于古代系列大豆,发现古代大豆遗存随着年代的推进,其内部蛋白质和脂肪含量均有所提高,但脂肪含量增加得更为明显。在古代大豆的起源与驯化问题讨论中发现:1)中国先民有意识地选择并栽培某些大豆发生在距今约7500年前;2)经过了3000年的选育和栽培,大豆驯化特征已十分明显,且脂肪含量表现为更高。有别于驯化研究中常见的基因学研究,基于同步辐射X射线的炭化大豆三维结构成像研究,揭示了古代大豆的驯化和起源问题,在同步辐射成像分析方法和考古学驯化研究中实现了突破。
  (2)商代陶范残片的同步辐射X射线结构成像与化学分辨成像研究。商代陶范极少发现于殷墟之外的青铜器铸造遗址,而大辛庄遗址位于商代东部边界的位置,在这里发掘的陶范及存在的铸造活动,对于分析商代部落发展和权力的扩散具有重要价值。采用同步辐射X射线断层扫描成像研究了陶范残片外层纹饰与内部结构;结合同步辐射X射线荧光成像,对与青铜器铸造相关的金属痕迹进行了化学分辨(元素)成像,研究了铜、铁元素的分布信息。
  通过对包含纹饰结构的一段商代陶范残片的三维断层扫描成像,分析了商代陶范纹饰与陶范基体的边界和组成差异。发现商代陶范的纹饰与基体之间不存在边界,商代陶范的纹饰结构应是从陶范基体中雕刻得到的。另外,三维重建结果显示商代陶范内部含有较多气孔,联系铸造工艺学,气孔的存在显示了较成熟的陶范加工工艺。应用同步辐射X射线荧光成像,展开商代陶范残片纹饰及背部的元素成像。发现陶范纹饰部分均存在明显含量的铁、铜元素,铜元素分布较均匀,而铁元素分布与陶范纹饰结构联系紧密。另外,商代陶范基体组成中几乎不含有铜和铁元素。分析显示该陶范应为青铜器铸造所使用过的陶范,而陶范表面的铁元素来自当地环境的污染。最后为了确认陶范基体及表面元素的存在,利用X射线光电子能谱(XPS)、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)等方法检测了相关元素的定性和定量分布信息。综合同步辐射X射线结构成像和元素成像,显示该商代陶范是制作精良且用于青铜器铸造的陶范,其表面纹饰为雕刻而非贴饰得到。
  (3)基于同步辐射硬X射线全场显微成像与软X射线扫描透射成像的小鼠毛细血管显微结构研究。肿瘤治疗材料须经过毛细血管才能进入肿瘤组织,进而杀死肿瘤细胞。对毛细血管微观结构的研究可以加深对肿瘤治疗微观机理的认识,对肿瘤治疗材料的设计也具有错鉴意义。首先利用同步辐射硬X射线全场显微成像,研究了小鼠毛细血管的亚微米分辨三维结构。其次,应用同步辐射软X射线扫描透射成像,实现了毛细血管50 nm分辨水平的二维成像。两种成像模式下,发现毛细血管中存在一种“竹节”状周期性结构。基于毛细血管的高分辨成像结果,提出了一种毛细血管显微结构模型。从血管模型出发,分析了毛细血管这一特殊结构所具有的生物效应。经计算,这种“竹节”状结构可以使血液与组织间的物质交换效率提高17.2%。然而,“竹节”状结构由于减小了血管运输血液通道的截面,也增加了血栓等疾病的发生几率。利用同步辐射X射线成像技术研究毛细血管显微结构,不仅促进了对毛细血管微观结构的认识,同时实现了利用软X射线扫描透射成像对较大尺寸生物学样品研究的方法学探索。
  (4)同步辐射低剂量、三维、高分辨成像方法学及其在肿瘤细胞研究中的应用。首先针对贴壁肿瘤细胞模型开展了等斜率三维重建算法(Equally SlopedTomogaphy, EST)的数值模拟研究。结果显示等斜率三维迭代重建算法相较于传统滤波反投影重建算法(Filtered Back-Projection,FBP)具有很大优势,可以在投影数量较少的情况下实现高质量的三维重建。然后结合同步辐射软X射线扫描透射成像和等斜率三维重建算法对人类宫颈癌细胞(Hela)及内部肿瘤治疗药物(顺铂)进行了高分辨三维成像研究。后期处理过程中,通过优化数据处理方法,有效去除了实验过程中产生的伪影和噪音。三维重建结果显示顺铂主要分布于Hela细胞的细胞核一侧,初步验证了其通过抑制肿瘤细胞DNA复制的方式来杀灭肿瘤细胞的微观机理。另外,为进一步检验等斜率三维重建算法的低剂量成像效果,在小鼠红白血病细胞(HEL)的软X射线扫描透射成像实验中,仅用30个投影实现了HEL细胞的三维重建。重建结果显示HEL细胞中的生物功能材料(Au-Gd纳米颗粒)主要分布于细胞膜上,与Au-Gd纳米颗粒对细胞膜上整合素的特异性识别机理相一致。
[硕士论文] 张凌笃
机械工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:所谓流动式数字电影流动放映一体机指的是能够播放电影、具备音频功率放大器及投影功能的机器,通过控制面板控制,其主要应用于农村流动放映及户外流动影院。它主要的设计组成为架构、功能以及数据库,三者相辅相成,缺一不可。随着科技的不断进步,信息网络不断地融入到广大人民的生活之中,数字电影也开始结合网络技术不断的发展。电影放映机是典型的嵌入式设备,对其进行改良时需要结合信息网络科技以及设备自身的特点,综合考虑设备各方面的系统状态。改良后的数字电影流动放映机相比于传统的放映机具有很多的优势,并且解决了很多设备上出现的问题,优化了很多使用流程措施。此设备还有操控不方便,通信及控制方式单一等众多的问题需要研发人员不断探索和研究,以此来解决实际问题。
  论文针对数字电影流动放映机进行改良设计,此次改良主要从两个方面进行,即外观的改良设计和功能改良设计。本文拓展改良设计的概念,强调将企业的发展也作为设计时考虑的一项重要因素,兼顾产品设计、制造、消费或使用等多方面的因素,从而尝试实现真正的可持续性,并以其为指导进行了数字放映机的外观改良设计;同时结合WIFI通信技术,对放映机进行功能改良,使得放映机的监控模块功能更加丰富,控制和资源传输更加方便,论文主要介绍了课题所涉及的改良设计概念、方法及嵌入式领域的相关技术包括Linux系统相关技术、嵌入式技术、ARM相关技术、WiFi通信技术及其Concurrent模式下的工作模型,最后对WIFI模块进行了整体测试,较好地实现了项目需求。
[硕士论文] 刘顺
控制科学与工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:光谱偏振成像技术可以从光谱、偏振和空间信息三个方面对目标进行全方位识别,在军事目标识别、医学成像、环境科学、化学分析等领域有很好的应用潜力。论文采用声光可调谐滤光器(AOTF)为分光元件、液晶相位可变延迟器(LCVR)为偏振调制元件的光谱全偏振成像测量技术,对光谱全偏振成像系统中的关键控制技术进行了研究。
  论文基于光的偏振态理论、AOTF滤光原理和LCVR相位延迟原理,设计了一种AOTF和双LCVRs相结合的的光谱全偏振成像系统。首先,提出了一种光谱全偏振成像系统中的偏振探测新方法,详细推导了快速获取全Stokes矢量的新方法——由一个偏振驱动控制器的两路输出同时控制两个LCVR,利用双LCVRs的四组两两相同的相位延迟,得到全Stokes矢量的八个参量。其次,设计了能够同时稳定输出两路电压的偏振探测双LCVRs驱动控制器,利用上位机LabVIEW实现了联调控制。再次,对光谱偏振成像系统中的自动调焦技术进行了研究,以与遍历搜索法相结合的改进型爬山搜索算法作为调焦搜索依据,设计了对应的调焦控制器。最后,对系统进行偏振探测控制器定标实验、自动调焦实验和光谱全偏振成像实验测试,验证设计的可行性。
  本文所提出的全Stokes矢量偏振获取新方法算法简单,所设计的偏振探测控制器性能良好,所设计的自动调焦控制器可以有效提高图像的清晰度,AOTF和双LCVRs相结合的光谱全偏振成像系统可以为光谱全偏振成像技术提供新的理论和实验参考。
[博士论文] 佟庆
控制科学与工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着成像科技的发展,图像以其直观展示与大容量传递信息这一属性,受到越来越多的重视。图像信息的产生、输运与获取,离不开波动性的光媒介。传统意义上的图像获取,就是利用光电探测芯片将空间压缩后的光场强度信息采集并记录下来的过程。光波除携带基于振幅的强度信息外,还包括波谱、波前、偏振、波矢等与目标和环境属性密切相关的多模特征信息,这些信息的捕获对高效探测识别复杂背景环境中的目标具有重要意义。测量图像的相关波前信息,可以揭示传播介质的扰动特征,进而基于波前畸变校正快速恢复甚至优化目标图像。传统光学仪器通常基于单一性的光强测量,发展新一代轻便灵巧的多模光学成像探测器就显得尤为迫切和重要,液晶材料则以其可电控的电光属性在发展相关功能器件方面显示出特殊价值。本论文主要开展了基于电控液晶微透镜阵列进行波前成像方法的研究。主要内容如下:
  首先,根据液晶材料的基本物性和商用液晶材料的典型性能参数进行功能化仿真,得到液晶器件其液晶分子指向矢分布、电势分布和相位延迟分布属性,进而依据仿真结果设计电极图案,经过工艺试验摸索得到合理的结构和工艺参数并制作原理样片,通过建立光学测试架构得到关键性的光学和电光性能及参数指标,为液晶器件原型的结构和参数优化奠定基础。
  然后,开展液晶基波前成像技术研究。传统的波前成像系统,通常由两条独立光路分别完成波前测量和图像获取,具有系统体积质量大、结构复杂、成像效能低等劣势。基于液晶材料的微透镜阵列在无电信号作用时仅能使光波产生特定程度的相位延迟,不会影响后续的光电探测操作。在液晶器件上加载电驱控信号,将显示基于阵列化微透镜的控光行为并用于成像光波的波前测量,实现波前和图像的电控一体化测量,完成液晶基波前成像系统通过启动和关闭液晶微透镜的波前测量和图像获取操作。考虑到波前基于单一波长这一物性,进一步讨论分析了光波段宽度对波前测量的影响,比较分析了复合光如白光波前与单色光如红光、绿光和蓝光等波前的测量结果,提出了将单色光波前转换为复合光波前的方法。鉴于波前分解和合成方法所得到的波前与目标波前具有高相似度,提出了使用白光源对目标执行波前成像的方法。
  针对完成波前测量后关闭液晶微透镜阵列,成像系统无法直接对景深外目标清晰成像这一问题,提出了液晶基波前成像景深扩展方法。通过调节加载在液晶微透镜阵列上的驱控信号,对具有不同物距的目标进行基于液晶微透镜的二次成像及简单的图像处理实现景深外目标的清晰成像。所建立的景深扩展法较传统方法可显示更为丰富的目标细节。
  最后,由于存在波前对目标深度不敏感而难以得到深度信息这一问题,开展了液晶基物空间深度测量方法研究。基于液晶微透镜阵列的电调焦属性,建立了电驱控信号均方幅值与目标深度的对应关系。通过采用Sobel边缘检测算子评价阵列化子图的成像效果,得到了清晰成像的最佳电驱控信号特征,进而开展了基于调变电驱控信号的目标深度标定研究,显示了液晶基物空间深度测量方法在测量目标深度尺度方面的有效性。
[硕士论文] 牛娜娜
计算机科学与技术 中北大学 2017(学位年度)
摘要:随着光场成像技术的不断发展,光场相机不停地运用在各个领域,目前越来越多的技术都不断以三维图像的形式出现在我们的生活当中,因此可以更好地感受现实场景的多元化。而2012年Lytro相机的问世,更加方便了消费者的使用,为摄影爱好者解决了很多难题。
  本文对光场相机的重聚焦性能展开了深入的研究,主要内容包含对提取到的原始灰度图像进行编码、颜色校正及标定等处理,根据光场成像技术完成光场图像重聚焦,由图像序列融合得出图像全聚焦,用分割的立体匹配法分析图像的视差图,本文具体的流程如下:
  首先,将Lytro相机作为本文研究所需要的设备,考虑到Lytro相机作为一个封闭的黑盒子,本文从Lytro相机的工作原理、文件结构及算法分析了光场相机的性能,完成了对Lytro相机所采集到的原始图像的编码、标定、颜色校正及内容的数字转化。
  然后,着重研究光场相机的成像原理及光场的双平面参数化表示,在此基础上分析了光场能量函数,通过对该函数的研究得出光场在成像系统中所使用的表达式,分析了Lytro相机的重聚焦技术,采用空间域积分重聚焦技术得到不同焦点的光场图像,并且根据光场在机身内的传播路径,光路分布图以及透镜折射原理模拟出了光场成像系统,得到了光场模拟图象并完成了重聚焦。
  最后,在重聚焦的基础上对光场图像进一步研究,先构造子图像序列,对子图像进行数字重聚焦,采用适当的清晰度评价函数计算子图像的最高聚焦点,然后采用图像融合技术得到全聚焦的光场图像。本文对图像视差图进行了一定的研究,为后续的深度测量和三维重建奠定了基础。
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