提出将离焦成像与粒子轨迹测速相结合,分别针对直线型和曲线型粒子轨迹,构建了离焦特征参数σ的识别算法,形成了用于三维速度测量的离焦粒子轨迹测速(DPSV)方法。该方法基于粒子图像离焦特征参数σ沿运动轨迹线的线性变化假设,通过拟合粒子图像的灰度分布来识别σ,从而获得粒子深度信息。在直线轨迹拟合的基础上,进一步采用圆弧拟合处理湍流实验中常见的弯曲轨迹图像。形成了相应的图像处理流程,并采用仿真图像验证了参数识别的准确性,在本文实验装置的噪声水平下相对误差为9.4%左右。采用LED光源和5 μm孔径光阑组成的发光点进行模拟实验,验证了深度位置z与σ的线性关系。最后,将DPSV技术应用于射流流场,得到了三维速度分布。

基于灰度级的模糊C均值算法是一种快速的图像分割算法。因为无损检测图像灰度分布不均衡, 该算法不能有效分割图像中的目标与背景, 故提出一种改进的基于灰度级的模糊C均值算法 (IFCMG)。首先, 利用灰度级像素数和隶属度构造类的总隶属度表达式并将其融入目标函数中以均衡化目标像素和灰度像素对目标函数的贡献。接着, 推导基于新目标函数的隶属度和聚类中心。然 后, 考虑到类的密度也会影响聚类结果, 设计类的紧密度表征形式并将其融入聚类进程。最后, 采用无损检测图像进行分割实验。对于每幅图像, 本文算法具有较高的F_value指标值。利用综合评 价公式对所有F_value值进行评价, 本文算法综合评价值比对比算法分别高出26.13%, 16.46%, 13.75%, 25.10%。本文算法能够有效分割具有灰度分布不均衡特征的无损检测图像, 扩展了基于灰度 级的模糊C均值聚类算法的应用范围。

在摄像机标定过程中,较差的光照条件和镜头畸变会造成棋盘格角点漏检和角点冗余。分析了角点的灰度分布特性,提出一种基于角点灰度分布特征的棋盘格角点检测算法。为确保在较差光照条件和镜头畸变下,棋盘格图像角点不漏检,算法首先利用角点的灰度分布特性提取候选角点;然后通过迭代的方式提高候选角点的精度并再次结合棋盘格角点的灰度分布特性剔除候选角点中非角点处的伪角点,避免棋盘格角点冗余;最后通过角点处的邻近点合并获得最终的棋盘格角点坐标。实验结果证明,在较差的光照条件和镜头畸变条件下,本算法角点无漏检和冗余。将该算法提取的棋盘格角点应用于摄像机标定,结果显示重投影误差的均方差在0.1 pixel范围以内,优于其他算法。

针对近海、内河场景中船只检测准确性低的问题,提出了一种基于短波红外遥感影像实现水体分割和船只自动检测的方法。利用水体在短波红外波段反射率低的特点,采取阈值分割和形态学处理的方法,从影像中快速准确地提取水体区域;使用视觉显著模型搜索水面目标,提取候选目标的图像切片;对可能存在的伪目标,使用灰度分布直方图描述目标切片的灰度分布特征,并结合梯度方向信息通过阈值判别的方法去除伪目标。结果表明,该方法能高效检测近海、内河中不同尺寸的船只目标;显著性检测共获得279个候选目标,经目标鉴别步骤检测出142个真实目标中的138个,虚警率小于6%,召回率大于97%。

卡尔曼算法在目标跟踪、风向预测、非均匀性矫正领域都有着广泛应用。提出了用卡尔曼算法进行线列相机扫描灰度值的预测。根据线列探测器的实时扫描, 得出了灰度直方图的变化, 并将这一过程归一化到卡尔曼公式中; 用递推法快速测出了下一时间灰度的统计分布, 间接预测了积分时间, 最终达到了红外线列探测器动态范围自适应控制的目的。采用多幅8 bit图像为不同场景提供仿真环境, 最终快速稳定地预测出了下一阶段的灰度分布统计图。结果为红外线列相机扫描提供了智能化解决方案。

针对结构光测量中条纹灰度非对称分布使条纹中心提取精度降低的问题，提出了一种应用于条纹中心提取的条纹灰度非对称调整方法。首先对初始灰度进行幂运算，将初始灰度和幂运算结果相减，并对相减结果进行灰度补偿，然后利用补偿后的灰度再进行迭代，直至满足迭代终止条件。此外，分析了条纹灰度非对称分布的影响因素，提出了条纹灰度分布的评价参数，并对所提方法进行了实验验证。实验结果表明，该方法可以根据条纹灰度的初始分布情况对条纹灰度进行有效调整，迭代结果突出了最大值附近的灰度信息，降低了灰度非对称分布对条纹中心提取的影响，提高了条纹中心提取的精度。上述结果验证了该方法的有效性和可靠性。

研究了微光夜视系统输出图像中光晕尺寸和灰度分布与系统参数之间的关系, 建立了系统光晕效应的定量化表征模型。首先分析了系统输出图像中光晕的产生机理; 其次依据微光夜视系统成像原理, 通过分析光电阴极产生的光电子数及初角度分布、光电子在光电阴极与微通道板之间的运动、光电子与微通道板非开口壁碰撞后的运动规律及微光成像系统各环节对能量的逐级传递, 研究了光晕的定量化表征方法; 结合上述理论研究, 建立了光晕的数字仿真模型。结果表明: 所提出的光晕效应表征模型能够与实验结果中光晕的灰度分布及尺寸较好地吻合; 随着强光源能量增大, 系统光晕效应越明显, 光晕效应对系统成像质量影响越大。

渐晕效应是在红外成像时像平面中心区域较亮而边缘区域较暗的现象。渐晕效应对红外系统成像性能的影响非常严重, 因此系统使用时有必要对渐晕效应进行校正。首先对渐晕效应的产生原因做了分析, 然后提出了一种基于场景的渐晕校正方法。通过场景之间的方差信息提取背景, 用多项式逼近背景灰度分布, 得到校正因子, 从而实现渐晕校正。为评价校正效果, 提出具有统计意义的行间方差概念。分别利用星空和海面两种场景对校正方法进行验证。校正后行间方差减小到未校正行间方差的13.6%和3.8%, 校正效果比较理想。

渐晕效应是红外成像过程中普遍存在的现象。由于红外成像系统输出的场景亮度或对比度通常较低，所以渐晕效应对成像性能的影响非常严重，因此对渐晕效应的校正也显得尤为重要。对渐晕效应的产生原因做了分析，首先提出了一种渐晕快速校正方法。通过场景之间做差，提取背景信息。用二维高斯函数逼近背景灰度分布，得到较准确的校正因子，从而实现渐晕校正。然后利用方差信息改进了背景提取方法，使方法适用于较复杂的场景。提出像素点差值和的概念来评价校正效果，校正后差值和普遍减小到未校正差值和的1/5到1/2。两种方法均不需要亮度均匀分布的参考背景，即可实现对渐晕效应比较理想的校正。

星敏感器是一种通过观测恒星位置，直接提供运载体在惯性空间中三轴绝对姿态的光电仪器。星图处理是星敏感器的重要工作内容之一，关系到后续星图识别的正确进行。处理方法需要能够有效地降低噪声，抑制背景，并正确提取出图像中的恒星目标。从分析星敏感器实际获取的星图特性入手，提出了相对应的图像处理算法。最后，进行实际测星试验，验证了星图处理算法的正确性和有效性。