针对增强现实系统中的标定问题, 提出了一种光学透射式平视显示系统标定方法.分析系统中各组成部分之间的关系, 定义不同的坐标系.由于在标定时相机与光学显示系统会带来一定程度上的虚拟图像畸变, 因此在建立模型时, 将相机与光学显示部分的畸变考虑进去, 并进行校正.利用非线性回归估计方法对模型求解, 计算系统标定参数.这种结合光学显示图像畸变与相机成像畸变校正的标定方式, 提高了光学透射式平视显示系统的标定精度.实验结果表明, 本文标定算法的平均相对误差小于0.42%, 基本满足系统对标定精度的要求.

提出了一种基于语义目标匹配的三维跟踪注册方法。通过改进的单发多框检测(SSD)深度卷积神经网络对图像进行语义分割,获取场景中不同目标的像素级语义分割结果。在求取相机姿态的目标函数时,融合了图像的灰度约束与几何约束对相机的姿态进行估计。所提方法减小了特征点的缺乏或误匹配问题对三维跟踪注册算法性能的影响,且能够适应不同结构的场景。研究结果表明,该方法的误差不超过2.2 pixel,基本满足了实时性的要求。

为了提高驾驶员在车辆行驶过程中的安全性,设计了一种结合图像语义分割的增强现实型平视显示(AR-HUD)系统。首先,提出一种改进的单发多框检测器网络对道路场景图像进行语义分割,网络前端采用VGG-16提取图像特征,网络后端对获取的特征图进行上采样,从而对特征图进行像素分割。通过对网络的训练,得到场景目标的像素级分类结果,即环境的语义内容信息。随后,通过分析真实场景、光学显示系统、驾驶员之间的关系,将计算机产生的虚拟信息叠加到真实场景,并将显示内容注册到驾驶员视野中,从而提高行车安全。实验结果表明,语义分割算法的准确率能达到77.8%,虚实注册算法处理每帧图像的时间平均为45 ms,约22 frame·s ^-1。

基于科斯塔斯(COSTAS)光学锁相环路载波恢复进行建模分析,得到系统的闭环传递函数、误差函数及需要恢复的载波信号;设计系统采用复合控制,内环借助声光移频器实现快速、小范围跟踪,外环通过环路直接控制激光器拉进快捕带;为了得到良好的载波恢复和信号解调,设计基于异或门的COSTAS环鉴相模块对鉴相器进行分析,实现鉴相范围为[-42°,42°],鉴相增益为14.4 mV/(°) ,在环路带宽为1.5 MHz时,搭建实验进行测试。实验结果表明在码速率5 Gb/s时,载波恢复、信号解调良好,信号光功率为-40.4 dBm时,误码率为1.55×10 ^-8,随着速率的提高或降低,系统性能虽有下降,但仍能恢复载波信号并解调数据,为零差相干通信实验室验证提供了参考。

为了便于空间激光通信中捕获、跟踪性能的测试, 提出了一种卫星振动模拟源系统设计方案。该系统主要由上位机借助LabVIEW软件解析标准振动功率谱密度函数, 将模拟出的平台振动信号传给以STM32F4为核心的控制系统, 驱动振镜进行俯仰、方位摆动。借助欧空局设计的SILEX平台模型, 推导验证了本方案的可行性, 并搭建实验现场, 通过探测器对光斑脱靶量进行了实时监测, 分析了脱靶量功率谱, 同时对在实际应用中产生的伪随机序列进行了优化与处理。实验结果表明, 设计的振动源幅值精度优于2 μrad, 模拟结果真实有效。另外由于其频率可调节, 模拟系统幅度可达±10 mrad, 故易于模拟不同的标准模型, 为复合轴捕获、跟踪和瞄准(APT)的实验室验证提供了条件。

针对摄像机一维(1D)标定的问题, 将世界坐标系建立在1D标定物上, 提出新的数学模型, 给出了一种新的标定方法。一般地, 假设1D标定物与世界坐标系的X轴重合, 定义了1D标定点与其对应投影图像点之间的1D单应矩阵。从单幅视图出发, 推导了1D摄像机标定的基本约束方程。根据基本约束方程采用线性最小二乘估计摄像机的初值, 并以标定点的反投影误差最小为目标函数进行非线性优化得到最终的标定结果。通过仿真实验和真实实验证明了该算法的正确性和可行性。实验结果表明, 与传统的方法相比, 所提出的方法线性初值估计精度高, 且对于固定点不可见的情况, 无需估计固定点的图像投影坐标。