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基于双目鱼眼镜头的全景图像合成研究

基于双目鱼眼镜头的全景图像合成研究

作者：李海军西安电子科技大学

学位级别：硕士

全景视觉是当下非常火热的技术概念,不仅在虚拟现实领域应用广泛,而且能够影响到我们生活的方方面面,例如谷歌街景就通过全景视觉刷新了人们对地图的认知。除此之外,类似工业仿真和医学成像这样的专业领域,全景视觉也发挥着越来越重要... 详细信息

全景视觉是当下非常火热的技术概念,不仅在虚拟现实领域应用广泛,而且能够影响到我们生活的方方面面,例如谷歌街景就通过全景视觉刷新了人们对地图的认知。除此之外,类似工业仿真和医学成像这样的专业领域,全景视觉也发挥着越来越重要的作用。达成全方位视觉的前提是获取包含全部周围景象信息的全景图像。这样的图像一般需要通过造价高昂的专业设备进行拍摄,并且经过复杂的后期处理才能得到,十分不利于普通民众的使用和传播。因此,更加方便地获取全景图片是全景视觉领域的热点。本文正是在这样的现实基础上,提出针对双目鱼眼镜头全景图像生成的改进方法。鱼眼镜头的特点是超大的广角,有些镜头一次拍摄到的视野范围甚至能够达到180°以上,这就为有效降低全景图片合成中原始图片的数量提供了可能。但原始鱼眼图像畸变较大,不可能直接进行拼接,我们需要对原始鱼眼图像进行处理才能够进一步完成全景图的合成工作。单幅鱼眼图像的矫正首先要提取原始鱼眼图中的有效部分,这是完成后续拼接等任务的前提。矫正方法一般包括相机标定技术和投影模型分析两种,其中相机标定法是处理镜头畸变的经典方式,经常被应用在专业相机的调校过程中,投影模型法根据鱼眼镜头的成像原理,完成鱼眼图像到平面坐标的映射,是本文后续全景图合成算法的基础。双目鱼眼图像的全景拼接是在单幅图像矫正的基础上完成的。首先从矫正图像中截取合理的重合区域作为拼接的部分,进而采用特征点配准和渐变融合等方式对该部分进行拼接,最后在此基础上,提出一种基于加权模型的快速融合方法。得到一个完整的双目鱼眼图像快速拼接算法不是研究的终点,由于该方法以拼接效果为代价提高拼接效率,所以应在相应的条件下,找出改善鱼眼全景图像拼接效果的优化方法。根据图像待拼接区域的成像特点,结合传统图像配准领域的特征点算法,使用基于特征点相对误差的优化方法可以在一定程度上消除拼接部分的物体重影现象;根据鱼眼镜头的相对角度变化,结合空间解析几何中的姿态角概念,使用基于镜头间相对姿态变化的优化方法,可以有效改善因镜头角度偏差产生的物体错位的问题;最后根据双镜头之间会产生视差的原理,结合共同区域近景成像的特点,使用基于景深信息的优化方法可以改善视差导致的图片质量下降的现象。双目鱼眼图像的全景图快速合成方法及其优化方法能够在一定程度上改良现有的全景图合成方式,达到更方便更快捷地获取全景图片的目的。

关键词：鱼眼镜头畸变矫正图像拼接全景图

基于深度学习与注意力机制的变电站指针式仪表识别方法

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基于深度学习与注意力机制的变电站指针式仪表识别方法

作者：黄思远长沙理工大学

学位级别：硕士

目前,智能机器人广泛地应用于变电站巡检工作,对指针式仪表示数的识别是机器人的一项重要任务。传统图像识别技术在指针式仪表示数识别中存在检测精度低、读数误差大的问题。近年来,深度学习算法与注意力机制在图像识别领域取得了重要... 详细信息

目前,智能机器人广泛地应用于变电站巡检工作,对指针式仪表示数的识别是机器人的一项重要任务。传统图像识别技术在指针式仪表示数识别中存在检测精度低、读数误差大的问题。近年来,深度学习算法与注意力机制在图像识别领域取得了重要突破。因此,本论文根据指针式仪表的特点,在深度学习基础上融合注意力机制,重点对变电站指针式仪表示数识别方法进行研究。主要内容与进展如下:(1)采用基于注意力机制的CenterNet目标检测算法完成仪表表盘定位。该方法首先将原CenterNet模型中的ResNet18替换为轻量级特征提取网络MobileNetV3,并在此基础上,将SE注意力机制替换成不降维的轻量级ECA注意力机制;然后借鉴FPN特征融合思想,将高维特征图上采样后与相同大小的低维特征图进行融合;最后在检测头模块引入CA空间注意力机制,让模型在学习分类特征时也关注对空间特征的学习。(2)采用基于注意力机制的DeepLabV3+语义分割算法将指针从背景中分离出来。首先在DeepLabV3+的ASPP模块并联DAMM双注意力机制,DAMM既能加强模型对指针区域重要空间特征的学习,也能加强对指针重要通道特征的学习,提升指针区域像素的分类精度,达到平滑指针边缘的效果;然后将交叉熵损失函数替换成Focal Loss损失函数,解决刻度盘像素多与指针像素少的分类样本不均衡问题,通过设置不同的超参数引导模型对细指针难例样本的挖掘学习。(3)在仪表示数识别环节,首先根据刻度盘分割结果来矫正椭圆畸变仪表表盘,获取正立的圆形仪表表盘;然后根据指针轮廓最小外包矩形的旋转角来得到指针的倾斜角;最后根据仪表的类别、量程以及角度法来计算仪表示数值。根据上述方法做了大量的仿真与现场测试,实验结果表明,在仪表检测阶段,本文模型的mAP比原始模型提高了 7.51%,FPS提高了 15f/s,模型大小减小了 56MB。在仪表示数识别阶段,矫正前仪表示数预测值和仪表真实值之间的最大误差为6.7%,平均误差为4.2%,矫正后仪表示数预测值和仪表真实值之间的最大误差为2.2%,平均误差为1.3%,从而验证了所提方法的有效性。

关键词：指针式仪表注意力机制仪表检测仪表分割畸变矫正示数识别

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数字投影微光刻3D打印关键技术研究

数字投影微光刻3D打印关键技术研究

作者：陈国大华南理工大学

学位级别：硕士

近年来,3D打印作为一种新型数字化制造技术,因其灵活、个性化与定制化等突出优势,被广泛应用于工业生产、生物医学以及科研等多个领域的快速成型。在3D打印的众多技术分支中,一种原理上基于集成电路微光刻工艺的面投影成型技术,凭借其... 详细信息

近年来,3D打印作为一种新型数字化制造技术,因其灵活、个性化与定制化等突出优势,被广泛应用于工业生产、生物医学以及科研等多个领域的快速成型。在3D打印的众多技术分支中,一种原理上基于集成电路微光刻工艺的面投影成型技术,凭借其精度和效率方面的优势,在珠宝设计、牙科医疗等领域的高精细结构模型制作应用中脱颖而出。因此,本文从该技术的打印工艺过程与实现原理出发,针对微光刻3D打印整机软硬件系统集成,重在实现多个子系统关键技术模块,并构建可实现高精细结构快速成型的小型化设备,主要工作如下:(1)为实现包括整机结构、切片软件、图像投影与打印控制在内的样机系统初步集成,完成了多个关键技术模块开发验证,重点构建了基于8位控制板的电路控制系统,以及根据微光刻工艺流程设计实现上位机控制。经测试,样机系统中各部分功能模块能够稳定、协调运行,可以完成横向分辨力小于100微米的较高精度小尺寸模型打印。(2)为了在不牺牲打印分辨率或精度的前提下,适度提高打印效率并实现较大面积的单次成型,提出一种低成本的大尺寸3D打印方法思路。首先,根据投影光机分辨率实现了切片图像分割及预处理,然后实现了基于stm32的多轴运动控制,实现了切片图像的“拼接式”投影曝光,从而增大了系统单层成型尺寸。通过多次的单层成型测试分析,采用“拼接式”投影曝光可使单层打印面积有效加倍,验证了该方法思路的可行性。(3)系统的测试与验证,尤其对由图像投影的非规则梯形畸变,提出一种矫正方法与思路。通过打印矫正模型和测量模型尺寸来获取像素点坐标的对应关系,进而基于图像几何变换原理对切片图像进行预畸变处理,再用得到的预畸变图像进行打印。通过实验测试证明,该方法可以把误差控制在一个像素尺寸以内,有效提高成型精度。

关键词：微投影光刻 3D打印光电集成畸变矫正

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多摄像头侧视模拟钻孔全景图像拼接

多摄像头侧视模拟钻孔全景图像拼接

作者：张炳文山东科技大学

学位级别：硕士

目前,煤矿上的很多事故都发生在岩体裂缝的发育地带,这种区域地质情况复杂,因此,提前进行地质勘测显得尤为重要。数字式全景钻孔摄像技术可以获取孔壁全景图像进行地质分析,但是,已有的全景图像获取方法存在设备成本高和展开平面图分辨... 详细信息

目前,煤矿上的很多事故都发生在岩体裂缝的发育地带,这种区域地质情况复杂,因此,提前进行地质勘测显得尤为重要。数字式全景钻孔摄像技术可以获取孔壁全景图像进行地质分析,但是,已有的全景图像获取方法存在设备成本高和展开平面图分辨率不一等不足问题。因此,本文提出了一种水平环状均匀分布多个CCD(Charge coupled Device)摄像头的摄像模型,通过对钻孔孔壁360度进行侧拍获取图像,然后通过图像拼接技术获取钻孔全景图像。该方法提升了展开之后的平面图的分辨率,是一种钻孔内壁成像的新方法,具有一定的实用性。本文依据畸变矫正和图像拼接过程中涉及的理论和技术,利用C++语言在OpenCV(Open Source Computer Vision Library)函数库的基础上编程实现了多摄像头侧视钻孔全景图像拼接,本文主要做的工作如下:1.在畸变矫正阶段,本文利用张正友棋盘标定的方法消除了摄像头采集到的图像的由广角镜头引起的光学畸变;再针对钻孔孔壁的曲率造成的图像信息缺失,本文提出非均匀插值展开的方法对图像信息进行恢复,并且取得了比较理想的结果,为下一步进行图像拼接获得全景图像作了准备。2.图像拼接阶段,对矫正之后的图像先通过基于SIFT算法提取图像特征点,再对提取到的SIFT特征点利用基于k-d树的BBF(Best Bin First)算法初步筛选图像中的匹配点对,然后再采用RANSAC(Random Sample Consensus)算法二次消除错配并求得变换矩阵继而进行图像拼接。在图像融合时使用加权平均法最终得到光滑无缝具有钻孔孔壁纹理信息的全景图像。

关键词：孔壁全景图畸变矫正图像拼接非均匀插值展开 RANSAC

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共焦双目视觉系统的单幅图像标定方法研究

共焦双目视觉系统的单幅图像标定方法研究

作者：李季学哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

现有针对大尺寸目标的面型检测方法很难达到高分辨力的技术指标要求,为了解决该瓶颈问题,课题组提出基于共焦扫描的双目视觉测量技术,提高了系统分辨力。共焦双目视觉系统在测量应用前需要对其两路光学系统的内参数和两者之间的结构参... 详细信息

现有针对大尺寸目标的面型检测方法很难达到高分辨力的技术指标要求,为了解决该瓶颈问题,课题组提出基于共焦扫描的双目视觉测量技术,提高了系统分辨力。共焦双目视觉系统在测量应用前需要对其两路光学系统的内参数和两者之间的结构参数进行标定,标定的精度影响着最终测量的精度。标定工作的难点一在于采集到的图像数据不能直接通过现有特征点检测算法进行提取。难点二在于共焦扫描系统的引入使得整个系统的畸变相比单摄像机而言会复杂很多,不能简单地通过引入径向畸变等数学模型的方式进行标定。难点三在于共焦双目视觉系统的景深较小,采集到的图像都分布于焦平面及其附近,故现有的标定方法不能得到应用。本文针对上述问题,提出了基于单幅图像的标定方法。首先,针对采集到的共焦图像进行基于区域设置的去噪处理以及基于暗原色先验理论的增强处理,在不改变图像细节的基础上处理得到更易提取特征控制点的图像。其次,提出基于形态学处理的方法来检测网格标定靶的特征点,具有很高的初检效率,为接下来的畸变矫正以及参数标定做准备。最后,使用精密小标靶配合大范围位移结构对系统进行畸变矫正,并在无需考虑畸变模型的情况下利用单幅图像实现对双目系统的标定。完成的具体研究内容如下:（1）通过视觉测量中的相关理论和共焦扫描视觉系统的成像模型构建空间三维点到二维像素坐标的映射模型,确定需要标定的参数。并对常见成像畸变的产生原因以及数学模型展开详细的分析和推导,以及完成对传统标定算法计算过程、优缺点以及适用前提的推导分析和归纳总结。（2）设计光栅格小标靶联合大范围位移结构的装置作为畸变矫正靶以及标定靶,解决了大尺寸标定靶精度不足以及造价高等问题。提出基于区域处理的去噪方法,实现对图像有针对性的有效填充去噪;并基于暗原色先验理论对图像进行增强处理,对原图像的微小细节可以进行有效保护,从亮度上对图像进行调整使得图像细节更加突出,无关的成分颜色淡化。在对图像进行预处理之后,针对网格标定靶采用基于形态学的手段提取图像线结构,并利用卷积运算提取得到特征点。这种方法抗噪声能力很强,还具有冗余点和误检点少,运算速度快等优点。（3）提出基于精密移动靶的畸变矫正技术,理论上可以对全视场范围进行像素级别的矫正。在完成畸变矫正后简化了操作流程,提出基于单幅图像的标定算法,操作简单,对于本文的仪器具有很好的适用性。（4）搭建基于共焦扫描的双目视觉实验系统,利用搭建的仪器对多次移动的精密小标靶扫描成像,完成对数据的采集工作,对图像进行预处理后进行标定实验并分析实验结果。本课题针对共焦双目视觉系统的特点提出一种基于单幅图像的标定方法,可在实现全视场的畸变矫正后仅利用一幅图像完成对系统较高精度的标定,为共焦双目视觉系统实现准确测量提供有效保障。

关键词：共焦双目视觉系统特征点检测畸变矫正单幅图像标定

基于深度学习的自动导引车视觉导航系统设计与实现

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基于深度学习的自动导引车视觉导航系统设计与实现

作者：吴洋华中科技大学

学位级别：硕士

视觉导引是自动导引车(Automated Guided Vehicle,简称AGV)导航系统中一个重要的研究方向。在AGV车常用的几种导引方式中,目前使用得最多的导引方式是电磁导引式。这种导引方式优点是原理简单,系统内的通讯和控制简单方便,抗干扰能力强... 详细信息

视觉导引是自动导引车(Automated Guided Vehicle,简称AGV)导航系统中一个重要的研究方向。在AGV车常用的几种导引方式中,目前使用得最多的导引方式是电磁导引式。这种导引方式优点是原理简单,系统内的通讯和控制简单方便,抗干扰能力强,缺点是设计好的路径不能更改和扩展,可扩展性较差。为提高AGV车视觉导航系统对环境的适应性,以及导航系统的精度和效率,设计了一款基于深度学习方法的视觉导航系统。对需求进行了研究和分析之后,开展了如下工作,首先针对AGV车的使用环境以及软硬件设备平台做了研究和测试,对系统的运行环境有了基本的了解。其次,将所有的图像进行了畸变矫正处理,解决了采集到的图像数据发生畸变的问题,为后续各项工作提供正确的图像数据,进而保证了导航结果的准确性。然后利用深度学习算法,对图像信息进行了更深层次的挖掘和解析,首先实现了对图像中特定标志物的实时检测,根据目标检测的结果判断AGV车的任务类别,接着对特定目标的边缘进行分割,最后完成特征点检测工作,为路径规划计算提供关键数据依据。最后根据得到的关键点信息,对AGV车的行驶路径进行规划。介绍了视觉导航系统总体框架的设计和实现过程,并在实际使用环境下对导航系统进行了功能测试和性能测试,测试结果显示导航系统的误差均在可控范围以内,其中角度调整的误差在±3度以内,前进方向平移调整的误差在±2cm以内,前进距离的误差在±3cm以内。

关键词：自动导引车目标检测边缘分割畸变矫正特征点检测

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基于鱼眼摄像头的全方位车载视觉系统研究

基于鱼眼摄像头的全方位车载视觉系统研究

作者：颜琳崧华南理工大学

学位级别：硕士

汽车盲区安全问题一直是汽车研究的重要课题,通过图像信息向驾驶员传递盲区信息是最为直观有效的方案,这一方案要求车辆具备能采集周围环境信息的图像系统。同时,智能驾驶技术尤其是自动泊车技术也要求车机提供车辆环境的图像信息。对... 详细信息

汽车盲区安全问题一直是汽车研究的重要课题,通过图像信息向驾驶员传递盲区信息是最为直观有效的方案,这一方案要求车辆具备能采集周围环境信息的图像系统。同时,智能驾驶技术尤其是自动泊车技术也要求车机提供车辆环境的图像信息。对车辆周围环境图像信息的需求推动了全方位车载视觉系统的发展,该系统能够提供车辆环视图像,驾驶员可以获取盲区信息减少事故的发生,同时又能为车辆的智能驾驶系统提供准确的全方位图像信息。全方位车载视觉系统所需要的视觉传感器为鱼眼摄像头,其具有超大范围的视角。本文基于鱼眼摄像头构建了全方位车载视觉系统,并对系统进行了深入地研究,主要内容如下:首先,建立鱼眼成像模型并分析成像模型的特点和鱼眼畸变现象,本文提出修正的扫描逼近法提取图像轮廓。对比研究张氏标定、经纬度、双经度畸变矫正方法,结合图像插值进行矫正。本文提出基于整体最小二乘直接求解约束方程的改进张氏标定法,避免了偶然误差。其次,需要对矫正后的图像进行视角变换,本文提出基于自适应Harris检测选取标定点的DLT变换方法,提高视角变换的质量。对视角变换后的鸟瞰图像,本文采用SURF+RANSAC算法对视角变换后的图像进行配准,提出基于Contourlet变换的图像融合算法进行图像融合,对融合效果进行分析评估,效果良好。然后,针对拼接算法占用算力资源的情况,本文提出基于映射表的全方位图像拼接方法,构建映射指针和映射表。在实验环境下,生成映射表,对比不使用和使用映射表进行拼接的算力资源占用情况,验证了本文方法能有效降低运算资源。最后,实车搭建全方位车载视觉系统,配置实验环境,并对算法进行测试验证,最终生成车辆全方位环视图像,并应用于行车工况和车位识别。以拼接无效区域占比、拼接错位距离作为量化指标,计算并分析环视图像的拼接效果,效果良好。

关键词：视觉系统环视图像拼接畸变矫正视角变换实验验证

基于机器视觉的金属手机外壳尺寸测量及表面缺陷检测系统

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基于机器视觉的金属手机外壳尺寸测量及表面缺陷检测系统

作者：廉祥武汉纺织大学

学位级别：硕士

金属手机外壳生产过程非常复杂,需要经过多道工序,并且在此过程中时常会出现尺寸超限、表面外观缺陷等质量问题。为了确保其质量符合标准,采用有效的检测手段是必要的。由于生产量庞大,传统的人工检测方法已经无法满足需求。因此,本文... 详细信息

金属手机外壳生产过程非常复杂,需要经过多道工序,并且在此过程中时常会出现尺寸超限、表面外观缺陷等质量问题。为了确保其质量符合标准,采用有效的检测手段是必要的。由于生产量庞大,传统的人工检测方法已经无法满足需求。因此,本文基于机器视觉技术对金属手机外壳尺寸测量以及表面缺陷检测进行了研究,主要研究内容如下:(1)搭建了视觉检测系统硬件平台。综合考虑实际应用需求和经济效益,完成了对相机、镜头以及光源的合理选型。在尺寸测量研究中,先使用球积分光源进行相机标定,再使用背光源进行尺寸测量;而在表面缺陷检测研究中,球积分光源与背光源同时使用。(2)介绍了相机标定的原理以及图像畸变的原因,并使用标定算法对图像畸变进行了矫正。通过标定得到的相机内外参数,有效消除了图像的径向畸变与切向畸变。(3)研究了金属手机外壳尺寸测量算法。通过对比几种常见边缘检测算法的检测效果,最后选择了Canny边缘检测算法对手机外壳边缘进行粗定位。同时,提出了一种加权灰度积分中值与拉格朗日插值的亚像素边缘检测方法,完成对手机外壳边缘的精确检测。将求解出的亚像素边缘点利用最小二乘法拟合成直线,并根据所得直线方程计算距离,以实现尺寸测量。(4)研究了金属手机外壳表面缺陷检测算法。采用引导滤波方法,在抑制金属磨砂纹理噪声的同时,尽可能地保护缺陷原有特征。针对手机外壳表面图像光照不均和噪声干扰的问题,提出了一种基于面积阈值与局部阈值分割的缺陷分割算法。通过对缺陷特征进行量化,提出了一种金属手机外壳常见缺陷的分类算法,最终完成对金属手机外壳的四种表面缺陷的检测。(5)针对上述算法研究进行了相关实验,验证了尺寸测量算法和表面缺陷检测算法的可行性、准确性以及鲁棒性,并设计了一套视觉检测系统软件。实验结果表明,尺寸测量算法的精度达到0.03mm以内,平均耗时为354ms;表面缺陷检测算法正确率达到95.11%,平均耗时为376ms。两种算法均具有良好的应用价值,能够满足实际生产的要求。

关键词：机器视觉畸变矫正亚像素边缘检测引导滤波缺陷检测

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全景视觉辅助驾驶系统关键技术研究

全景视觉辅助驾驶系统关键技术研究

作者：靳东亮辽宁工业大学

学位级别：硕士

随着中国经济和科技的蓬勃发展以及人民生活水平的不断提高,汽车已经越来越普及,甚至在农村的大街小巷里都能看见一排排的汽车。虽然近年来国内交通事故数量逐年下降,但是汽车数量的不断增加也给交通安全带来不少威胁,特别是在车多的时... 详细信息

随着中国经济和科技的蓬勃发展以及人民生活水平的不断提高,汽车已经越来越普及,甚至在农村的大街小巷里都能看见一排排的汽车。虽然近年来国内交通事故数量逐年下降,但是汽车数量的不断增加也给交通安全带来不少威胁,特别是在车多的时候,在行车或倒车入库时特别容易发生碰撞和刮蹭事件,而引起不必要的麻烦。为了方便行车减少不必要的麻烦,国内外很多相关的研究学者都对辅助驾驶系统进行广泛深入的研究。因此,对汽车辅助驾驶系统进一步研究有一定的实际意义。本文主要是对全景视觉辅助驾驶系统的关键技术进行了研究,为全景视觉辅助驾驶系统提供一中切实可行的设计方案。本系统在汽车周围架设能覆盖车辆周边所有视场范围的4台180度的鱼眼镜头摄像机作为采集视频的输入,对同一时间采集到的4幅图像处理成一幅车辆周边360度的景物俯视图。驾驶员通过中控显示屏直接查看车身周围360度全景鸟瞰视图,从而可以消除视角盲区,帮助驾驶员轻松行车和停泊车辆。针对上述全景视觉辅助驾驶系统的功能,本文深入研究了实现该功能所需要的关键技术,包括在摄像机成像原理的基础上分析了鱼眼摄像机的成像原理,以及鱼眼图像桶型畸变的原因。对于鱼眼镜头,本文采用张正友标定法求取摄像机内参矩阵,并深入分析了各种鱼眼图像畸变矫正模型,指出各个模型的在实验中的局限性与不足,同时在现有算法的基础上提出积分法畸变矫正模型,对视频图像进行有效去畸变处理并兼顾算法的实时性。在畸变矫正图的基础上,本文又对全景图的生成进行研究。首先介绍了垂直俯视图和虚拟视点俯视图生成的方法,并提出基于半球面俯视图生成的方法,然后介绍了图像配准的相关技术理论。在考虑性能的要求下,本文采用人工配准拾取特征点的方法,进行鸟瞰变换和拼接,生成符合界面设计的周边环境俯视图。配准完成以后,保存从鱼眼图像到全景图的坐标映射关系表,通过查询关系表完成对四路图像到全景图的实时处理。然后,在全景图的基础上根据实际情况对重合区域进行融合和对光照不均匀处进行曝光补偿。实验结果表明,本文研究的全景视觉泊车系统可以实时的处理4路图像的矫正与拼接,且处理效果理想,能满足该系统的需求。

关键词：鱼眼图像摄像机标定畸变矫正实车实验全景拼图