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基于Placido盘的角膜地形图仪的软件与图像处理系统的设计

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基于Placido盘的角膜地形图仪的软件与图像处理系统的设计

作者：高建勋浙江工业大学

学位级别：硕士

对眼角膜的测量是现代眼科医学检测中的重要组成部分,而角膜地形图仪是其中必不可少的测量仪器,它可以对人眼角膜表面形貌进行定量检测,同时用数据或经过处理的图像的方式给出眼角膜表面的形貌信息,在角膜病症的检查、激光近视手术前的... 详细信息

对眼角膜的测量是现代眼科医学检测中的重要组成部分,而角膜地形图仪是其中必不可少的测量仪器,它可以对人眼角膜表面形貌进行定量检测,同时用数据或经过处理的图像的方式给出眼角膜表面的形貌信息,在角膜病症的检查、激光近视手术前的角膜形貌检查、硬性透气性隐形眼镜(RGP)以及角膜塑形镜(OK镜)验配时的角膜测量中有着非常广泛的应用。本课题是基于Placido盘的角膜地形图仪开发中软件设计及图像处理部分的研究。主要包括：软件系统与下位机的通讯与控制、CCD图像的采集与数据点的提取、眼角膜表面高度值和屈光度值的数学建模与计算、角膜表面屈光度和高度差图及三维曲面图的绘制等四个部分。通过对选用的Sony Point Grey Digital Camera的底层电路的研究以及对CCD相机内部寄存器的控制,实现了软件系统对其底层电路的控制,利用自制的电路实现了对左右眼的判别和对相机拍摄状态的控制。另外,对CCD帧视频输出格式进行了有效的转换,实现了整个软件系统图像处理格式上的一致性。针对在采集图像的过程中,有限焦深的光学系统在凸面物体上成像的离、聚焦问题,提出了利用图像的灰度的梯度与距离加权的图像清晰度评价函数的方法,有效地解决了图像中心聚集的问题,并取得了成像效果非常出色的Placido盘在眼角膜上的图像。由于基于Placido盘图像的角膜地形图仪对图像的有效信息提取的精度要求非常高,因此,本文通过对图像的中心点进行二次提取的方式提高了图像中心点的定位精度。对提取的过图像中心的灰度曲线进行平滑处理后得到的梯度信息,利用三次曲线拟合的亚像素边缘检测的方式,精确地提取了Placido盘图像的各环的数据信息。对基于Placido盘的角膜地形图像进行数学建模,高精度地还原了角膜表面形貌,并绘制出了角膜表面高度差图、角膜屈光度图和其表面三维形貌图。

关键词：角膜地形图仪图像处理技术清晰度评价函数亚像素检测角膜表面形貌

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基于微零件测量的自动对焦技术研究

基于微零件测量的自动对焦技术研究

作者：韩瑞雨天津大学

学位级别：硕士

基于计算机视觉的精密测量技术具有操作简易、非接触、精度高等特点,广泛应用于工程领域,也适用于微零件装配的高精度在线测量。光学系统对所成图像的细节分辨能力是影响图像的视觉测量精度的主要因素:当图像对焦时才最清楚,具有更多的... 详细信息

基于计算机视觉的精密测量技术具有操作简易、非接触、精度高等特点,广泛应用于工程领域,也适用于微零件装配的高精度在线测量。光学系统对所成图像的细节分辨能力是影响图像的视觉测量精度的主要因素:当图像对焦时才最清楚,具有更多的细节,便于后续的精密测量工作;而当图像离焦时,图像模糊,细节丢失,就无法对微零件进行形状或者位置的检测。因此如何获取对焦面就是基于计算机视觉精密测量的重要前提。本论文叙述了自动对焦的历史背景,分析了图像离焦的具体原因,详细介绍了自动对焦的各种传统方法,并且对基于图像的自动对焦技术进行了深入的研究,这包括了图像的预处理技术、对焦区域的设计技术、清晰度评价函数的技术以及聚焦点搜索算法技术。 1)对图像的几种滤波去噪的方法进行了实验验证,分析了其对清晰度评价函数曲线的影响,综合考虑了滤波效果和算法速度,最终选择中值滤波作为本课题滤波方法;2)对几种对焦区域的设计算法进行了实验验证,并且结合本课题,对柱腔的待测对象采用手动对焦区域设计算法、对低对比度下的微零件小球的待测对象采用环状区域设计算法;3)研究了各种聚焦点搜索算法,对两种新型的搜索算法,通过仿真实验分析了其优缺点,并且将基于最优化理论的抛物线法设计为聚焦点的搜索算法,与其它几种常用的搜索算法进行了实验比较,说明了其耗时较少,对焦较准确的优点。 4)研究了各种常用的清晰度评价函数,对其进行了实验与分析,比较了各种函数的优劣性;针对低对比度环境下大多数清晰度评价函数失去理想特性的问题,提出了一种基于Zernike正交矩的清晰度评价函数,通过调节各阶矩的权重系数,可以适应不同对比度下的自动对焦。 5)搭建了自动对焦实验平台,对本文研究的自动对焦算法进行了系统实现。

关键词：自动对焦图像预处理对焦区域设计聚焦点搜索清晰度评价函数

结合自动聚焦系统的共线双脉冲激光诱导击穿光谱信号稳定性研究

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中国激光 2018年第7期45卷 286-291页

作者：武进吴跃进范爽徐琢频陈慧茹徐聪王琦中国科学院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230026

将基于图像清晰度评价函数的自动聚焦算法应用于共线双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS),基于Lab VIEW编写的控制软件对共线DP-LIBS实验系统与CCD相机、三维移动平台进行有效控制,将图像清晰度评价、自动聚焦算法和三维移动平台相结合,实... 详细信息

将基于图像清晰度评价函数的自动聚焦算法应用于共线双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS),基于Lab VIEW编写的控制软件对共线DP-LIBS实验系统与CCD相机、三维移动平台进行有效控制,将图像清晰度评价、自动聚焦算法和三维移动平台相结合,实现了样品的自动聚焦功能。实验结果表明:两激光脉冲间隔的最优位置为0.55μs;原子谱线的稳定性高于离子谱线;采用自动聚焦系统后,光谱强度的相对标准偏差(RSD)从16.7%降低到6.7%,钢样中Cr元素和Mn元素定量分析的相关系数分别从0.851和0.639提高到0.947和0.923。自动聚焦系统能够提高信号的稳定性和测量精度。

关键词：光谱学激光诱导击穿光谱光谱信号稳定性自动聚焦清晰度评价函数

水下球状目标识别与自适应成像控制算法的研究

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水下球状目标识别与自适应成像控制算法的研究

作者：赵芳哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

水下成像技术在搜索、援救、探雷、科学成像、目标跟踪、导航控制和目标识别方面有着广泛的应用。本论文目的是针对水下球状物体成像图像进行处理、分析,估计图像曝光度与清晰度,以为实现自适应成像提供控制参数,使得在水下所成的图像... 详细信息

水下成像技术在搜索、援救、探雷、科学成像、目标跟踪、导航控制和目标识别方面有着广泛的应用。本论文目的是针对水下球状物体成像图像进行处理、分析,估计图像曝光度与清晰度,以为实现自适应成像提供控制参数,使得在水下所成的图像能够自适应的调节清晰。根据水下图像的特点,本论文主要在图像预处理、图像目标的识别、自动曝光和自动调焦的算法等方面做了研究工作。本文首先对水下成像技术的概况进行介绍,重点分析水下成像特点。然后进行算法设计,对图像噪声的分析。对图像进行预处理,包括去除噪声、二值化处理、边缘处理。再从目标识别的角度,应用一种基于Pascal定理的椭圆检测方法,利用椭圆的几何性质,对随机选取的点进行两步筛选。筛选出有效椭圆边缘,然后再进行Hough变换,并给出结果。算法计算量小,计算时间短,占用的内存空间小。最后,以图像灰度直方图为基础,综合设计了一种曝光量函数计算方法。实验结果表明,该曝光量函数计算算法能够计算估计出图像的曝光效果,无需数据库支撑,复杂度低,易于实现。同时,依据各种图像梯度的分布情况,设计一种改进的图像清晰度评价函数,提出一种基于Prewitt评价函数的新的聚焦方法,并给出了实验分析和结果。曝光估计与清晰度评价是自适应成像的关键环节。

关键词：球状目标曝光量函数清晰度评价函数

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基于数字图像的自动聚焦技术研究

基于数字图像的自动聚焦技术研究

作者：张彭舜哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近些年来,自动聚焦己成为各种成像系统的一项重要功能,与国外相比国内在这方面的工作做得还比较少,同时图像处理技术的发展使得自动聚焦趋于数字化和智能化,所以基于图像技术的自动聚焦方法研究具有重要的实际意义。自动聚焦是利用各种... 详细信息

近些年来,自动聚焦己成为各种成像系统的一项重要功能,与国外相比国内在这方面的工作做得还比较少,同时图像处理技术的发展使得自动聚焦趋于数字化和智能化,所以基于图像技术的自动聚焦方法研究具有重要的实际意义。自动聚焦是利用各种成像系统获取图像过程中的一项关键技术,在数字成像系统、计算机视觉和显微镜仪器等领域有着广泛的应用。国内外对自动聚焦算法特别是对聚焦评价函数进行了大量研究,但在聚焦区域选择和提高极点搜索效率等方面还有许多问题有待解决。本文围绕着自动聚焦技术研究了图像清晰度评价函数、聚焦区域选择、和焦点搜索算法等相关技术,主要包括以下部分:(1)在傅里叶光学理论的基础上,分析了光学成像系统中评价数字图像清晰的机理,为以后算法的提出打下了坚实的理论基础,然后对现有的数字图像处理自动聚焦算法进行了深入研究,分析了它们的不足并且提出了相应的解决方案。(2)分析了自动聚焦算法的相关理论,包括三个模块:聚焦区域选择、聚焦评价函数和焦点搜索算法。聚焦区域选择是选择感兴趣区域进行聚焦,本文分析了中心取窗、多点取窗、非均匀采样窗口等方式的优缺点;聚焦评价函数是对感兴趣区域的离焦程度进行评价,它是一种有参考的图像质量评价。本文针对基于对比度的图像质量分析方法从图像时域、频域及信息熵三个角度建立能表示图像对比度的一些聚焦函数,并对这些评价函数做了详细的分析比较;焦点搜索算法实现聚焦点搜索和定位,本文分析了常用的极点搜索算法,包括Finacci搜索算法、“盲人”爬山算法和曲线拟合等。(3)通过大量的计算机仿真试验分析了图像灰度方差、图像灰度梯度模和、图像灰度差的绝对值之和Laplacian等聚焦评价函数在实际运用中的性能。

关键词：自动聚焦清晰度评价函数图像对比度极点搜索法

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红外成像系统自动调焦功能的设计与实现

红外成像系统自动调焦功能的设计与实现

作者：李少华华中科技大学

学位级别：硕士

红外线作为自然界分布最为广泛的辐射，先天优势决定了利用红外线的红外热成像技术具有显著优势，现在，红外热成像技术已被广泛应用于军事与民用方面的监测、探测等诸多方面。近年来，随着红外热成像技术的快速发展，对其成像效果的要... 详细信息

红外线作为自然界分布最为广泛的辐射，先天优势决定了利用红外线的红外热成像技术具有显著优势，现在，红外热成像技术已被广泛应用于军事与民用方面的监测、探测等诸多方面。近年来，随着红外热成像技术的快速发展，对其成像效果的要求越来越高，如何快速获取最为清晰的成像效果也显得越发重要。作为成像系统中快速获取清晰成像效果的关键技术，自动调焦技术经过了早期传统的测距法、相位法以及对比度法，直至发展为现在更趋向于数字化与智能化的基于数字图像处理的调焦方式，也变得更加容易在嵌入式系统中实现。基于数字图像处理的自动调焦技术需要建立合适的图像清晰度评价函数，来完成对成像质量的评价，然后借助该函数建立的评价曲线完成最终的调焦过程。在本文中，结合数字逻辑实现的简易程度、资源使用以及实时性要求的满足程度，利用离焦模糊产生的光学基础建立的离焦模糊对已有的图像清晰度评价算法进行比较，选取最终使用的图像清晰度评价函数。红外探测器输出的图像数据是难以直接被用来进行自动调焦的，需要对其进行图像预处理。在这里，使用实验室已有的制冷型640×512红外成像系统，来补充搭建自己的自动调焦模块。图像数据首先经过最为基础的图像非均匀性校正以及图像盲元校正，考虑到噪声的影响，还要加入一级图像平滑处理滤波。本文中，自动调焦模块完全实现在FPGA硬件电路中，首先编写了步进电机的驱动时序，然后是整个调焦功能模块的实现。对于经过图像预处理的图像数据，先进行图像清晰度评价图像处理，同时还要采用窗口选择算法进一步减少计算量，然后搭配本文设计的步进电机爬山搜索算法，输出对于电机驱动时序的控制信号，最终完成自动调焦功能。经过试验验证，该自动调焦功能模块可以保证实时性以及实用性，满足具有较大噪声的红外成像系统的需要。

关键词：自动调焦离焦模糊算法清晰度评价函数自动调焦窗口选择策略电机搜索策略步进电机 FPGA

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模糊掌纹图像特征提取方法研究

模糊掌纹图像特征提取方法研究

作者：冯素月沈阳工业大学

学位级别：硕士

由于掌纹的信息量丰富而且易于获取近些年关于掌纹识别的研究成为生物特征识别领域的研究热点之一。景深范围内拍摄的掌纹图像拥有大部分细节信息,非常适合于大人群的身份辨识。为了确保在景深范围内获取掌纹图像,通常采用接触方式。... 详细信息

由于掌纹的信息量丰富而且易于获取近些年关于掌纹识别的研究成为生物特征识别领域的研究热点之一。景深范围内拍摄的掌纹图像拥有大部分细节信息,非常适合于大人群的身份辨识。为了确保在景深范围内获取掌纹图像,通常采用接触方式。考虑到疾病传播的可能性,一些人对于接触方式存在一定排斥心理。为此,本文研究非接触掌纹成像方法,这时要求被测试者将手放在一个拍摄距离确定的位置上。由于每个人对于距离的感觉存在差异,一些人的手可能放在景深以外的位置上,这将导致所拍摄的掌纹图像模糊,即部分纹理细节丢失,随着手偏离焦平面的程度加大,掌纹图像纹理细节信息丢失程度也加大,纹理信息的分辨力降低。由于掌纹的纹理信息丰富,即使存在一定的图像模糊,也能够具有较高的分辨力。如果建立图像清晰度与系统错误识别率之间的对应关系曲线,就可以根据系统所容许的最大错误识别率来确定掌纹图像的清晰程度范围,实际上,进一步能够确定手与摄像机之间的容许范围。也就是说,在错误识别率要求不是很高的场合,手与摄像机之间的距离将容许有更大的范围。本文主要研究非接触式条件下掌纹图像的采集,引入基于梯度算子的清晰度评价函数,探讨掌纹图像清晰度评价函数与物距(手离镜头的距离)之间的对应关系,建立对应的关系曲线模型。然后提取各种掌纹特征进行评价,选取稳定的特征进行特征提取及识别,并建立图像清晰程度与该清晰度下所对应的错误识别率之间的关系曲线模型。根据系统所容许的错误识别率及建立的图像清晰度与误识率之间的关系模型确定系统所容许的图像清晰度阈值,并实现改进的基于清晰度评价模块的在线非接触式掌纹识别模拟系统。实验结果表明,改进的模拟系统保证了非接触式掌纹识别图像采集的成像质量,降低了误识率,具有实用价值。

关键词：非接触式采集物距清晰度评价函数掌纹特征提取关系曲线

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多聚焦图像融合技术研究

多聚焦图像融合技术研究

作者：王影长春工业大学

学位级别：硕士

20世纪90年代以来,图像融合技术的研究呈不断上升趋势,图像融合的优势使其在医学成像与诊断、智能交通、人类视觉辅助、智能制造、工业过程及军事领域都得到了广泛的应用。在各个领域的需求牵引下,图像融合技术的研究日益为众多的研究... 详细信息

20世纪90年代以来,图像融合技术的研究呈不断上升趋势,图像融合的优势使其在医学成像与诊断、智能交通、人类视觉辅助、智能制造、工业过程及军事领域都得到了广泛的应用。在各个领域的需求牵引下,图像融合技术的研究日益为众多的研究者所关注。多聚焦图像融合的主要思想就是采用一定的算法,把工作在不同波长范围、不同成像机理的图像传感器对同一个目标或场景的多个成像信息融合为一幅新图像,从而使融合的图像具有更高的可信度和更好的模糊性,使之更适合人的视觉感知或计算机检测、识别、理解。本文对多聚焦图像融合方法开展研究,论文首先介绍了基于小波变换的多聚焦图像融合算法,由于小波变换只能表示各向同性的奇异性对象,所以在一些边缘处出现了明显的模糊现象,图像融合效果欠佳。而Contourlet变换相对于小波变换具有更好的方向辨识能力,对图像边缘特征的表达优于小波,所以深入研究了Contourlet变换的原理及实现算法,并提出了一种新的融合规则。仿真实验结果表明Contourlet变换的图像融合效果明显优于小波变换。其次对基于分块的多聚焦图像融合方法进行了研究。清晰度评价是分块融合的关键环节,比较了几种常用清晰度评价函数在图像融合中的性能。基于分块的图像融合算法简单易行,但容易产生块效应。本文提出了一种基于Contourlet变换与块分割相结合的多聚焦图像融合方法,有效地解决了块效应问题,提高了融合图像的质量。最后对含噪声图像的多聚焦融合方法进行了探讨,并给出了有效的含噪声图像的融合方案。把块分割图像融合算法和一种新的抗噪性好的清晰度评价算子应用到含噪声图像的融合中,并且对新清晰度评价算子和传统的清晰度评价算子的抗噪性能进行了比较。实验结果表明本文提出的方案获得的噪声图像融合效果最佳。

关键词：多聚焦图像融合小波变换 Contourlet变换块分割清晰度评价函数

基于压电驱动器的生物显微镜自动对焦系统的设计与应用

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基于压电驱动器的生物显微镜自动对焦系统的设计与应用

作者：罗华暨南大学

学位级别：硕士

在许多生物实验中,常常需要以高分辨率进行显微成像,并确保实验样品图像在数小时或数天内保持对焦的状态,这对于高放大倍数的生物显微镜来说,实现起来具有一定的挑战性:生物显微镜机械结构的热不稳定性和空气的热波动都可能导致焦点漂... 详细信息

在许多生物实验中,常常需要以高分辨率进行显微成像,并确保实验样品图像在数小时或数天内保持对焦的状态,这对于高放大倍数的生物显微镜来说,实现起来具有一定的挑战性:生物显微镜机械结构的热不稳定性和空气的热波动都可能导致焦点漂移。除此之外,对于不平坦的实验样本,需要对每一个观察的位置重新对焦,依靠人工长时间保持实验样本不离焦,不太现实。因此,本文立足于上述需求,基于对焦深度法的显微镜自动对焦方案,设计并实现了一套高放大倍数,高对焦调节精度的生物显微镜自动对焦控制系统。该系统是以生物显微镜作为硬件平台,其主要硬件设备包括高分辨率CCD相机,压电控制器和3轴位移平台。基于上述硬件设备而定制的软件操作系统,人机交互界面简洁,系统设计遵循高内聚、低耦合的基本原则,提高了系统的稳定性及可维护性。本文的自动对焦系统实现过程如下:通过CCD相机采集一系列位移平台沿Z轴移动时对应的显微镜样品图像,通过清晰度评价函数对这些图像进行分析,计算出最清晰图像所对应的位移平台Z轴的位置,并将该位置对应的电压值反馈给压电控制器,使得位移平台的Z轴在压电控制器的作用下,带动样品移动到该位置,从而实现显微镜自动对焦的功能。我们发现在上述的实现过程中,存在以下问题:位移平台的Z轴以固定值移动,当该值较小时,CCD相机采集的样品图像较多,相邻图像间清晰度较为接近,可能导致图像清晰度评价函数陷于局部极值点,延长系统处理时间,甚至对焦失败;当该值较大时,将导致对焦系统位移平台调节精度不够。为了有效地解决上述问题,本文提出了改进后的拉普拉斯清晰度评价函数以及搜索寻优算法,将两者相结合后应用于生物显微镜自动对焦系统中。我们的实验结果表明,本文改进后的清晰度评价函数在三组生物实验标本中,函数评价值归一化后的曲线尖锐性较好,有利于搜索寻优算法的实现,减少位移平台反复运动次数,提高对焦效率。在100倍物镜的成像条件下自动对焦时间平均控制在1.23 s内,可重复性高,对焦调节精度可以达到200 nm,基本上能够满足实际使用的需要。

关键词：自动对焦清晰度评价函数搜索寻优算法