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Generative deep-learning-embedded asynchronous structured light for three-dimensional imaging

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Advanced Photonics 2024年第4期6卷 45-58页

作者： Lei Lu Chenhao Bu Zhilong Su banglei guan Qifeng Yu Wei Pan Qinghui Zhang Henan University of Technology College of Information Science and EngineeringZhengzhouChina Shanghai University Shanghai Institute of Applied Mathematics and MechanicsSchool of Mechanics and Engineering ScienceShanghai Key Laboratory of Mechanics in Energy EngineeringShanghaiChina Shaoxing Research Institute of Shanghai University ShaoxingChina National University of Defense Technology College of Aerospace Science and EngineeringChangshaChina OPT Machine Vision Tech Co. Ltd.Department of Research and DevelopmentDongguanChina

Three-dimensional(3D)imaging with structured light is crucial in diverse scenarios,ranging from intelligent manufacturing and medicine to ***,current structured light methods rely on projector-camera synchronization,limiting the use of affordable imaging devices and their consumer *** this work,we introduce an asynchronous structured light imaging approach based on generative deep neural networks to relax the synchronization constraint,accomplishing the challenges of fringe pattern aliasing,without relying on any a priori constraint of the projection *** overcome this need,we propose a generative deep neural network with U-Net-like encoder-decoder architecture to learn the underlying fringe features directly by exploring the intrinsic prior principles in the fringe pattern *** train within an adversarial learning framework and supervise the network training via a statisticsinformed loss *** demonstrate that by evaluating the performance on fields of intensity,phase,and 3D *** is shown that the trained network can separate aliased fringe patterns for producing comparable results with the synchronous one:the absolute error is no greater than 8μm,and the standard deviation does not exceed 3μ*** results on multiple objects and pattern types show it could be generalized for any asynchronous structured light scene.

关键词： structured light fringe pattern projection asynchrony deep learning generative neural networks three-dimensional imaging

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基于多曝光图像序列的相机响应函数标定方法

光学学报 2024年第4期44卷 128-135页

作者：高刘正关棒磊苏昂李璋于起峰国防科技大学空天科学学院湖南长沙410072 酒泉卫星发射中心甘肃酒泉735000

基于多项式拟合的标定方法可在缺乏相机曝光时间的条件下,获取相机响应函数(CRF)曲线和图像曝光比,具备广泛的适用性。然而该方法存在迭代发散和标定精度不高问题,影响其实际应用。本文通过分析传统多项式拟合标定方法流程,发现在全局... 详细信息

基于多项式拟合的标定方法可在缺乏相机曝光时间的条件下,获取相机响应函数(CRF)曲线和图像曝光比,具备广泛的适用性。然而该方法存在迭代发散和标定精度不高问题,影响其实际应用。本文通过分析传统多项式拟合标定方法流程,发现在全局误差函数条件下,标定数据集合中存在大量无效项,既减少了有效标定数据,又降低了图像曝光比迭代计算精度。针对这一问题,提出了一种改进的联合局部误差函数标定方法,可在两幅曝光相近的图像间选取标定数据,避免引入无效项,使得计算多项式系数和曝光比的数据一致。在公开数据集和某工业相机拍摄数据集上的标定结果表明,改进方法具有较好的收敛性,相比于传统方法,颜色三通道CRF曲线分布更加紧凑,通道间曝光比平均偏差分别减少了49.83%和42.25%。

关键词：成像系统相机响应函数多曝光图像拟合多项式

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基于单个SIFT特征的相对位姿估计方法

实验力学 2024年第2期39卷 183-194页

作者：谭泽关棒磊孙祥一国防科技大学空天科学学院图像测量与视觉导航湖南省重点实验室湖南长沙410073

位姿估计是精密光测和自动驾驶的基本问题之一。针对自动驾驶等实际应用中,相机在平面上运动,相机位姿的自由度为3的情况,本文提出了基于单个SIFT特征的相机相对位姿估计方法。由于单目相机无法恢复平移尺度,因此相机运动的自由度减少... 详细信息

位姿估计是精密光测和自动驾驶的基本问题之一。针对自动驾驶等实际应用中,相机在平面上运动,相机位姿的自由度为3的情况,本文提出了基于单个SIFT特征的相机相对位姿估计方法。由于单目相机无法恢复平移尺度,因此相机运动的自由度减少为仅有旋转角和平移角的两自由度。通过观测地面,可以得到包含相机运动和平面法向量的地面单应信息,因此可以通过提取地面同名点估计单应矩阵来恢复相机运动。为了减少RANSAC迭代次数、提高算法效率,引入SIFT特征进行位姿估计。SIFT特征包括2幅图像中同名点图像坐标以及其特征旋转和特征尺度,可以扩充单个点对中包含的信息,有效减少求解单应矩阵所需点对数量。针对平面二自由度运动情况,本文使用单个SIFT特征点对完成单应矩阵的估计,并采用随机采样一致算法对结果进行优化,最终分解单应矩阵得到相对位姿估计结果。在仿真实验及真实实验中与2pt方法和5pt方法进行对比,证明了所提出的方法是有效的。

关键词：位姿估计随机采样一致算法自动驾驶平面运动精密光测

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线黏弹性材料数字图像相关实验教学探索

力学与实践 2024年第1期46卷 201-207页

作者：苏昂张大鹏张文沁关棒磊李璋国防科技大学空天科学学院长沙410073 图像测量与视觉导航湖南省重点实验室长沙410073

线黏弹性理论是固体力学原理课程的重要内容,目前实验教学一般采用电子万能试验机对线黏弹性材料进行单轴拉伸实验,实验结果不够直观。数字图像相关方法是一种高精度全场应变测量方法,近年来在实验力学领域应用广泛。本文以固体推进剂... 详细信息

线黏弹性理论是固体力学原理课程的重要内容,目前实验教学一般采用电子万能试验机对线黏弹性材料进行单轴拉伸实验,实验结果不够直观。数字图像相关方法是一种高精度全场应变测量方法,近年来在实验力学领域应用广泛。本文以固体推进剂这种线黏弹性材料为例,采用数字图像相关方法设计了线黏弹性材料单轴拉伸实验,实现了全场变形测量并且实验结果可视化更直观,有助于调动学生积极性。实验发现,数字图像相关方法与国标规定的固体推进剂单向拉伸法测量的材料应变有明显差异,针对该问题设计了实验教学研讨环节,引导学生深入分析,有助于加深对线黏弹性理论的理解。

关键词：数字图像相关线黏弹性单轴拉伸全场测量实验教学

Multiple rotation averaging using only the relative rotation angle

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Science China(Technological Sciences) 2023年第10期66卷 2978-2985页

作者： LI Bin SHANG Yang guan banglei LIANG ShunKun SUN XiaoLiang YU QiFeng College of Aerospace Science and Engineering National University of Defense TechnologyChangsha 410073China Hunan Provincial Key Laboratory of Image Measurement and Vision Navigation Changsha 410073China

In this work,we propose multiple rotation averaging using only the relative rotation angle,which is a straightforward camera pose optimization *** use the axis-angle representation to parameterize the rotation and use only relative rotation angles to constrain absolute rotations instead of complete relative *** used with an inertial measurement unit(IMU),our method can obviate the need to estimate and maintain extrinsic parameters between the camera and *** advantage makes our method immune to extrinsic parameters and *** performed extensive evaluations on both synthetic data and publicly available real datasets,which showed that our method was comparable with the state-of-the-art method and achieved a significant gain in accuracy for the visual measurement when applied to the case in which the camera and IMU are tightly fixed.

关键词： multiple rotation averaging pose optimization relative rotation angle IMU

A displacement-relay videometric method for surface subsidence surveillance in unstable areas

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Science China(Technological Sciences) 2015年第6期58卷 1105-1111页

作者： YU QiFeng JIANG guangWen SHANG Yang XU Yong LIU XiaoLin FU SiHua guan banglei ZHU XianWei College of Aerospace Science and Engineering National University of Defense Technology Hunan Key Laboratory of Videometrics and Vision Navigation College of Optoelectronic Science and Engineering National University of Defense Technology College of Mechatronics Engineering and Automation National University of Defense Technology

When measuring the surface subsidence of unstable areas such as railroad beds and large construction fields, it is not practical to always find stable positions to install measurement instruments. Yet installing those instruments in unstable positions will cause measurement errors or even the complete failure of long-term subsidence surveillance. In this paper, the innovative concept and its method of "displacement-relay videometrics" are proposed. With the method, a double-headed camera is designed, and two constraints, the "fixation constraint" and the "homologous constraint", are established to construct the displacement-relay measurement equations, which can concurrently give the subsidence of the points to be measured and the positions where the cameras are fixed. The method and its measurement system are thus capable of automatically measuring the surface subsidence under the condition that the cameras are mounted on unstable locations over long durations. Therefore, the method has the broad prospect of undertaking automatic, long-term and continuous measurement for surface subsidence in engineering projects such as railroad beds, bridges and the ground beds of tall buildings. The proposed method opens a new area that cameras can be mounted on unstable platform to make high accuracy measurements, which is of great significance for applications.

关键词： videometrics displacement relay subsidence surveillance series camera network

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无重叠视场多相机组安装关系的灵活标定

中国激光 2017年第6期44卷 201-207页

作者：王刚尚洋关棒磊于起峰国防科学技术大学航天科学与工程学院湖南长沙410073 图像测量与视觉导航湖南省重点实验室湖南长沙410073

在多相机组合测量应用场景中,各相机之间常常存在没有重叠视场的特殊情况,该条件下多相机组安装关系的标定极具挑战性。针对传统基于全站仪的标定方法过于繁琐的缺点,基于机器人领域里手眼标定与多相机组安装关系标定的等价关系,给出了... 详细信息

在多相机组合测量应用场景中,各相机之间常常存在没有重叠视场的特殊情况,该条件下多相机组安装关系的标定极具挑战性。针对传统基于全站仪的标定方法过于繁琐的缺点,基于机器人领域里手眼标定与多相机组安装关系标定的等价关系,给出了求解多相机组安装关系的基础方程,推导了利用四元数描述旋转矩阵下基础方程的解算步骤,提出了一种基于手眼标定的无重叠视场多相机组标定方法。实验结果表明,与传统标定方法相比,该方法在不降低测量精度的前提下,无需其他测量传感器的辅助,极大减少了人工作业量,操作更加简单灵活,工作效率更高。

关键词：测量外参数标定手眼标定无重叠视场

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晃动平台上对空拍摄大视场摄像机的标定方法

光学学报 2015年第7期35卷 181-187页

作者：关棒磊孙祥一尚洋于起峰国防科学技术大学航天科学与工程学院湖南长沙410073 图像测量与视觉导航湖南省重点实验室湖南长沙410073

针对晃动平台对空拍摄大视场摄像机难以标定的情况,提出了利用无人机(UAV)作为动态控制点来现场标定摄像机参数的方法。该方法控制无人机在摄像机视场内飞行,并用与晃动平台固联的无人机定位测量系统对无人机位置进行测量,从而整个飞行... 详细信息

针对晃动平台对空拍摄大视场摄像机难以标定的情况,提出了利用无人机(UAV)作为动态控制点来现场标定摄像机参数的方法。该方法控制无人机在摄像机视场内飞行,并用与晃动平台固联的无人机定位测量系统对无人机位置进行测量,从而整个飞行过程中的无人机位置均可当作控制点对摄像机进行标定。实验中控制点数目充足,易满足控制点在空间和在图像上均匀散布的要求,可以准确求解摄像机内外参数。突破了无法在视场中布设传统像机标定方法所需控制点,使晃动平台上大视场摄像测量无法现场采集参考图像进行高精度标定的局限。对实验条件要求低,最少只需要晃动平台基准坐标系下2个基准点和方位像机光心位置即可标定摄像机内外参数。该方法已成功应用于系泊状态下船舶中摄像机参数的标定。

关键词：测量摄像机标定晃动平台大视场无人机

一种无公共视场的多相机系统相对位姿解耦估计方法

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光学学报 2021年第5期41卷 74-81页

作者：田苗关棒磊孙放苑云于起峰国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073 图像测量与视觉导航湖南省重点实验室湖南长沙410073 陆军航空兵学院北京101123 火箭军研究院北京100089

自动驾驶应用中,基于视觉的相对位姿估计是实现无人驾驶汽车自动定位的核心技术之一。针对单目视觉系统的视场范围较小以及双目视觉系统需要公共视场等问题,提出一种无公共视场的多相机系统相对位姿解耦估计方法。利用场景中远、近点的... 详细信息

自动驾驶应用中,基于视觉的相对位姿估计是实现无人驾驶汽车自动定位的核心技术之一。针对单目视觉系统的视场范围较小以及双目视觉系统需要公共视场等问题,提出一种无公共视场的多相机系统相对位姿解耦估计方法。利用场景中远、近点的不同特性对旋转矩阵和平移向量进行解耦估计。对远处场景特征点采用直方图投票法求解相对旋转矩阵,在相对旋转矩阵已知的条件下,对近处场景特征点采用采样高度法求解相对平移。通过仿真模拟和实际实验对所提方法的可行性、鲁棒性和精度进行验证。实验结果表明,所提方法的相对姿态精度优于0.05°,相对平移向量方向精度优于2.5°,具有较高的精度和较好的鲁棒性。

关键词：机器视觉位姿估计多相机系统自动驾驶