1 南京信息工程大学自动化学院，江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
二值条纹投影技术能够避免三维测量系统中非线性影响，降低测量误差，为了优化二值条纹正弦质量，提高测量精度，提出了一种二值编码结合误差扩散的三维测量方法。以单周期正弦条纹特定方式采样点作为二值编码对象，在时间域上对采样点进行等区间划分，使用误差扩散算法对各区间对应的灰度区域进行处理生成相应的二值图像，在投影仪聚焦投影状态下代替传统正弦条纹获取较高质量的相位信息。在此基础上，采用“S”形路径扫描改善了条纹正弦性。实验结果表明，所提方法生成的正弦条纹相比传统四步相移算法，能够有效提高测量精度，具有良好的正弦性。对比实验证实，所提算法优化后相位误差减少24.19%，正弦条纹质量进一步得到提升。
三维测量 二值编码 误差扩散 相移技术 光学学报
2023, 43(22): 2212001
1 南京信息工程大学自动化学院，江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
二值条纹不受三维测量系统非线性伽马效应的影响，同时能显著提高投影效率。基于此，提出一种复用加权二进制编码条纹方法以实现三维测量。首先，对传统正弦条纹的灰度进行特定均匀采样，使用二进制编码条纹方法生成8幅二值条纹。然后，对二值条纹组合进行唯一化处理，将4幅相异的二值条纹投影到被测物体表面，对采集到带有物体表面调制信息的二值条纹进行复用二进制加权运算，生成调制后的正弦条纹。最后，对该方法开展了多组对照实验。实验结果表明，所提方法将用于加权生成正弦条纹的二值条纹优化为4幅后，仍然可以保持良好的测量精度和效果。所得标准球的局部点云与拟合标准球的平均距离，相比于传统三步相移技术降低了72.3%。
三维测量 相移技术 二进制编码 二值条纹 非线性 光学学报
2023, 43(11): 1112005
1 南京信息工程大学自动化学院，江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
3 南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044
提出一种二进制编码条纹代替正弦条纹的方法，以降低三维测量系统的非线性误差。首先，通过对传统正弦条纹一个周期内呈正弦变化的光强值进行二进制编码，将所有二进制编码的每一位分别组合生成二值条纹，投影到被测物体表面。然后，将采集到的多幅二值条纹进行叠加，生成正弦条纹。最后，结合四步相移技术，并使用互补格雷码辅助相位展开进行实验验证。实验结果表明，所提方法相比于传统四步相移方法可以有效降低非线性伽马效应导致的相位误差，提高测量精度。对直径为50.8140 mm的高精度标准球进行测量，所得的局部点云与拟合标准球的平均距离为0.0697 mm。
测量 相移技术 非线性误差 二值条纹 二进制
1 南京信息工程大学自动化学院，江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
3 南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044
针对离焦投影二值条纹生成正弦条纹进行测量时，条纹对比度和测量景深降低的问题，提出了一种聚焦投影二值编码条纹的结构光测量方法。以正弦条纹单周期内的强度值为规律，对二值条纹进行编码。按特定方式对编码后的二值条纹进行处理后，可生成用于实际测量的正弦相移条纹。同时，结合二加一相移算法进行改进，复用获取正弦条纹的二值条纹来生成测量所需的背景灰度图像，减少一幅均匀平面图案的投影，进而提高测量速度和精度。实验结果表明，所提方法以标准球为实验对象，测得的均方根误差为0.0425 mm。在投影仪全程聚焦的情况下，采用二值条纹进行测量，在避免非线性影响的同时，能够减少对正弦条纹对比度和测量景深的影响，进而可获取高精度的重建结果。
测量 三维测量 离焦投影 二值编码 条纹对比度 测量景深 光学学报
2022, 42(22): 2212002
1 南京信息工程大学 自动化学院，江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
3 南京信息工程大学 大气物理学院，江苏 南京 210044
基于FPGA平台，采用双线性插值缩放算法，实现了对多路实时视频任意比例的缩放。进行了DDR3的读写逻辑设计，采用乒乓操作以及多通道读写仲裁模块，实现了实时的图像缓存。采用Alpha叠加融合算法，实现了对多路视频任意位置的漫游叠加，以及任意通道视频透明度的调节。实验结果表明，本次设计的多路实时视频处理系统，实现了最大分辨率为3 840×2 160、最低分辨率为100×100的缩放，能够灵活改变叠加位置的大小和位置，图像清晰、无闪屏、无错位情况的发生。
FPGA 双线性插值 视频缩放 图像漫游 FPGA bilinear interpolation video scaling image roaming
1 天津航海仪器研究所, 天津 300131
2 海装北京局驻天津地区第一军事代表室, 天津 300131
3 中国人民解放军92730部队, 天津 300131
载体机动时, 低精度航姿系统无法准确敏感重力矢量, 由加速度计输出计算的水平姿态误差较大。为了减弱运动加速度的影响, 提高机动状态下水平姿态估计精度,提出一种自适应卡尔曼滤波水平姿态估计算法。以姿态四元数和陀螺漂移为状态量, 四元数姿态更新微分方程为状态方程, 加速度计输出为量测量建立伪量测方程。根据加速度计量测更新残差对量测噪声方差阵进行实时估计和动态调节, 较好地解决了机动状态下航姿系统水平姿态估计问题, 提高了水平姿态估计精度。跑车试验验证了算法的有效性。
航姿系统 水平姿态估计 机动加速度 卡尔曼滤波 AHRS horizontal attitude estimation maneuvering acceleration Kalman filter
南京信息工程大学江苏省大数据分析技术重点实验室, 江苏 南京 210044
土壤中重金属元素检测是环境保护事业的重点之一, 因此亟需一种能够快速检测土壤重金属浓度的定量分析手段。 该研究旨在建立一种基于激光诱导击穿光谱结合偏最小二乘法的含油土壤中重金属元素快速定量检测方法。 通过激光诱导击穿光谱(LIBS)获取含油土壤光谱数据, 采用偏最小二乘法(PLS)对样品中铜、 镍元素进行定量分析预测, 并在此基础上, 结合区间以及后向区间法对全谱进行变量筛选, 构建形成区间偏最小二乘法(iPLS)和后向区间偏最小二乘法(BiPLS)定量分析铜、 镍元素含量的模型。 结果表明: 后向区间偏最小二乘法(BiPLS)在剔除了干扰信息的基础上, 保留了更多的有效光谱信息, 获得了比PLS和iPLS更好的预测结果: 铜元素的测试集预测结果的决定系数()和均方根误差(RMSEP)分别为0.944 9和0.036 3, 相对分析误差(RPD)为3.0; 镍元素的测试集预测结果的和RMSEP分别为0.933 7和0.041 4, RPD为2.6, 两元素的BiPLS预测结果相较于PLS和iPLS方法均有所提升。 因此, 针对含油土壤重金属元素光谱信息, BiPLS算法相较于iPLS和PLS算法更适合与LIBS光谱相结合, 筛选对Cu和Ni两种重金属元素定量分析贡献度较大的特征变量, 进而提升模型的预测效果。 该方法将促进LIBS技术应用于土壤品质在线评价。
含油土壤 重金属检测 激光诱导击穿光谱 偏最小二乘法 Oil-contaminated soil Heavy metal detection LIBS Partial least squares 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3812
1 南京信息工程大学 自动化学院, 江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 南京信息工程大学 大气物理学院, 江苏 南京 210044
针对目前视频源的分辨率与显示器支持的分辨率不对应, 导致无法在目标显示器上播放的问题, 提出一种实时视频流缩放系统的硬件结构设计。该系统基于双三次插值图像算法, 采用了流水线的设计思路对算法的浮点运算进行优化, 采用乒乓操作的思想避免了视频流输入与输出不同步的情况, 减少了计算延时, 易于FPGA的实现, 在提高系统运算速度的同时减少了对硬件资源的消耗, 并在VIVADO环境中对该设计进行测试验证, 实现了任意比例缩放。实验结果表明, 该图像缩放系统支持分辨率为3 840×2 160的实时图像缩放, 并以最低100×100的分辨率输出, 达到了预期的效果。
图像缩放 双三次插值 任意比例 FPGA FPGA image scaling bicubic interpolation any ratio
1 南京信息工程大学 自动化学院, 江苏 南京 21004
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 南京信息工程大学 大气物理学院, 江苏 南京 210044
随着医疗显示技术的进步, 医疗内窥镜摄像系统已经由主流的2D(Two Dimensions)显示向3D(Three Dimensions)显示发展, 图像清晰度也从高清(High Definition, HD)向超高清(Ultra High Definition, UHD)转变。因此, 本文设计开发了一种基于FPGA的4K(3 840×2 160)裸眼立体显示系统。首先, 系统对双路3G-SDI图像采集并进行YUV到RGB的格式转换。其次, 使用Xilinx提供的VPSS核实现图像的缩放, 同时解决高速图像数据带宽与DDR3存储器带宽间的匹配问题。最后, 通过SBS(Side by Side)的拼接方式, 将满足立体图像输出格式的视频源通过立体显示器输出。该系统从前端立体图像的采集到后端立体图像的输出, 需要经过格式变换、缩放、缓存、同步以及拼接等多个处理过程。实验结果表明, 采用参考时钟为148.5 MHz的双路SDI输入, 经FPGA的实时处理后可实现分辨率为3 840×2 160、刷新率为60 Hz的SBS拼接格式图像, 该图像可直接驱动裸眼立体显示器。
医疗成像 立体显示 medical imaging stereoscopic display FPGA FPGA 4K 4K
