提出了一种基于光强信号实时判断的快速定焦方法, 在对样品进行横向扫描的同时, 驱动测量物镜轴向移动, 对前焦探测器和后焦探测器采集到的光强信号进行实时处理, 通过实时判断测量面与样品的位置关系迅速找到焦面位置, 可实现快速、准确的轴向定焦, 极大地提升了定焦速度。理论分析和初步的实验表明, 该方法在一副图像的采集周期内能够实现轴向定焦, 在同等定焦精度条件下, 与清晰度定焦方法相比, 可节省90℅以上的定焦时间。

提出了一种图像中心和纵横比的简易标定方法。控制相机绕光轴进行旋转并分别成像, 通过旋转前后图像之间的对应点, 推导出图像的主点和纵横比的闭式方程, 方程中仅包含图像的中心和纵横比, 去除了与其它相机参数之间的耦合, 其结果可以进一步用于畸变参数、外部参数和焦距的估计。分别进行了仿真图像和实拍图像实验, 实验结果表明, 此方法是可行的, 能够实现较精确的图像中心和纵横比的估计。

图像清晰度是评价图像质量时常用的指标之一。现有的清晰度评价模型未能充分考虑人眼视觉的亮度掩盖特性。为此, 在均方根对比度基础上, 考虑人眼亮度掩盖特性, 通过计算图像中人眼感兴趣区域(包含细节、边缘和纹理)的感知对比度构造一种无参考的图像清晰度客观评价模型。并利用IVC数据库来验证模型, 结果表明, 与已有的4种清晰(模糊)度评价模型相比, 该模型的评价结果更接近人眼主观感受, 且计算量小, 运算耗时短, 是一种简单有效的图像清晰度评价模型。

针对Itti的视觉注意模型不能很好地反应区域的边界和形状问题, 提出了一种改进的自底向上(Bottom-Up)的视觉注意模型。在经典的Itti模型基础上, 用小波变换取代了高斯金字塔分解, 改进了初始视觉特征的合并策略以得到图像的视觉显著图, 结合彩色图像聚类分析方法完成图像的感兴趣区域自动提取。实验结果表明, 自动提取的感兴趣区域更符合人眼的实际观察效果, 在复杂背景下的提取效果大大优于传统的感兴趣区域提取方法。

高通量菌落优选仪是一款集菌落分析、菌落挑选于一体的仪器, 其中的照明光源尤为重要, 需要进行设计与优化。LED阵列中灯的数量和混光距离是两个重要的影响背光源光照均匀度的因素, 按一定的步长改变灯的数量和混光距离进行模拟和分析。模拟结果表明, 当灯珠数量为24×24只, 混光距离为12mm时, 光照均匀度为95.47%。用所设计的背光源为对象, 搭建了相关实验系统, 实验结果达到了项目要求标准。

为了解决多投影机拼接融合显示系统中亮度分布不均匀及不同视角下的亮度差异问题, 提出了一种多视角投影-摄像机系统的非线性最优化颜色校正方法, 通过在多个位置放置摄像机进行多角度的观察, 并对所有观察结果进行统一的优化处理, 实现在各个方向上都能够满足要求的亮度调整方案。针对重叠区域高亮现象及重叠方向和形状的任意性问题, 采用双三角函数法计算得到投影机的衰减矩阵, 实现亮度融合。以双通道投影系统为实验平台验证了算法的可行性和有效性。

载玻片在液体光学测量、微生物学和基因学等领域实验中应用广泛, 其光学性能直接影响实验结果。提出了透射法测量载玻片光学常数的方法, 建立了载玻片透射比计算模型及其光学常数反演模型。通过TU-19双光束可见光分光光度计测量1.5mm和2.0mm厚度载玻片样品在310~600nm波长范围的透射光谱, 结合透射光谱利用光学常数反演模型, 得到了载玻片的光学常数。结果表明, 载玻片的衰减系数在10-6~10-8之间, 折射率在1.5~3.3之间。

讨论了数字图像小波分解过程, 根据分解系数的频率分布, 给出通过小波分解分离单幅遥感图像中云雾和景物的途径。探讨暗通道先验理论, 分析云雾和景物暗像素值的差异。在此基础上, 建立云层系数的概念, 并提出一种根据云层系数从遥感图像中去除云雾的算法。即利用云层系数, 估算各像素的云雾浓度, 处理高层细节系数以衰减云雾, 处理低层细节系数以突出云下景物。给出详细的实现步骤, 进行去云雾处理实验, 并评价实验效果。结果表明, 去云雾效果优于小波加权算法和小波阈值算法。

研究了应用于移动平台的器官柔性形变仿真方法。提出了面向移动平台的碰撞检测方法, 通过模型的外层包围盒迅速剔除场景中未发生碰撞的情况, 进而对模型的几何面元进行相交检测, 从而实现对器官的碰撞检测。研究了应用于虚拟器官的质点-弹簧模型, 通过对形变区域的控制降低形变的计算量, 通过对虚拟器械的运动控制避免形变过程中虚拟器官发生穿透或者脱离器械的现象。实验结果表明, 器官柔性形变仿真与交互方法计算速度快、交互过程自然, 可应用于移动平台的虚拟手术仿真系统中。

为了研究双曲余弦高斯光束在左手平板材料中的传输特性, 运用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式, 推导出双曲余弦高斯光束在左手平板材料中的一般传输解析表达式。利用此表达式数字模拟了左手平板材料工作频率的变化对光束传输特性的影响。结果表明: 双曲余弦高斯光束的中心光强、横向光强和光斑尺寸都可以用左手平板材料的工作频率来调控。随传输距离的增加, 中心光强逐渐加强; 在同一传输面上工作频率越大, 中心光强越强。横向光强随工作频率的增大而增加, 并且出现空心分布, 光斑尺寸在加速扩展。

对衍射光栅式光纤光栅解调器件的温度特性进行了研究。利用有限元软件ABAQUS对不同材料解调器件的结构件在高低温情况下的形变量进行了仿真。根据仿真得出的变形量, 通过光路计算, 分析了结构件的变形对光电探测器像面上的不同波长光束成像位置的影响。对硬铝、45#钢和殷钢这三种不同材料的解调器件进行温度试验, 发现对于不同材料的器件, 不同波长对应的温度漂移不同。硬铝材料解调器件的温度变化与波长偏差的线性关系不明显。45#钢和殷钢材料的解调器件的温度变化与波长偏差的关系近似线性, 而且波长值越小波长随温度变化的曲线斜率越大。可见, 为了提高这类器件的温度稳定性, 需要从材料、结构、工艺以及软件等方面进行综合补偿。

针对现有LED汽车近光灯使用朗伯型LED光源效率不高和结构复杂等问题, 设计了一种基于空间光强分布为椭球状LED光源和后置吸光板的汽车近光灯光学系统。系统主要由LED光源、1/4椭球面反光罩、后置特定形状吸光板和配光透镜组成。运用TracePro软件进行光线追迹模拟, 并根据软件模型制作出了光源与灯具实物, 实测结果显示在25m远屏幕上光形可以很好地与模拟结果吻合。采用不同形状的后置吸光板可以实现国家标准(GB 25991-2010)规定的两种近光灯光型, 并且整灯的发光效率为82%。

分析了煤层气井液面在测量中使用的传统方法可能遇到的问题, 提出了光纤非本征型珐珀干涉仪(EFPI)用于测量煤层气井液面的发展方向。针对煤层气井设计了光纤EFPI传感系统, 并模拟煤层气井液面给出测量方案, 准确地测出液面位置, 解决了煤层气井液面的测量难题, 测量系统中传感器光学腔长变化的相对误差为1.48%, 测量精度1μm, 相比传统的电学测量方法, 更加安全有效。

根据小波变换的高频分量包含边缘及纹理等人眼比较关注的细节信息, 提出了一种基于小波变换的高频重构的立体图像质量评价方法, 包括左右视点质量评价和立体感评价两部分。通过模拟人类视觉系统处理原始和失真的左右视点图像, 利用结构相似度算法得到左右视点质量评价值; 用加权处理后的小波高频分量经过重构得到人眼关注的细节信息图, 分别计算原始和失真的左右视点细节信息图的绝对差值图, 利用结构相似度算法对两幅绝对差值图评价得到立体感质量评价值。将两种质量评价值进行加权融合得到最终的立体图像质量评价值。整体实验结果的Pearson线性相关系数在0.94以上, Spearman秩相关系数值在0.93以上, 均方根误差值接近5.5, 能较好地符合人眼视觉特性。

数字图像相关方法作为光学测量的一种测量方式在结构变形测量中有广泛应用, 其中亚像素位移测量精度成为关键。基于亚像素位移测量精度影响因素的分析, 研究了计算子区灰度插值、计算窗口大小以及拟合距离对亚像素位移测量的影响。提出了一种梯度-曲面拟合法的亚像素位移测量算法, 即, 先采用梯度法计算出结构的亚像素位移, 再对计算子区进行亚像素插值, 然后调整拟合距离进行亚像素曲面拟合。最后利用计算机模拟算例验证了该方法具有良好的计算效率、计算精度及抗噪声能力。

有效地反映人眼视觉系统对视频的感知是客观视频质量评估的关键。提出了一种全参考视频质量评估算法。首先抽取基于结构相似度量的空间域特征和基于光流的时间域特征, 然后通过将时间域特征与空间域特征进行加权, 以此构造视频的空时视频质量评估指标。实验结果表明, 全参考视频质量评估算法不但具有快速的计算能力, 而且能够准确地反映人眼视觉系统的视觉感知效果, 具有良好的视频评估效果。

针对重型机械工业生产中对大型轴类零件外径测量的需求, 基于双CCD传感器测量原理研究了一种新型高效率、高精度的轴径检测方法。介绍了CCD测径系统的检测原理, 针对单一CCD传感器测量范围小的缺点, 提出了双CCD传感器组合测量大型轴类零件直径(Φ150mm～Φ300mm)的方法, 并对影响精度的主要误差来源进行了分析。为了验证该方法的有效性, 通过对7种不同直径的标准轴件进行测量, 实验表明, 测量精度小于±3μm, 满足大型轴类零件外径测量的要求。

为了分析双折射晶体相位延迟片(即波片)的延迟量色散性质, 由晶体已知的折射率数据, 拟合得出光线垂直入射不同双折射晶体波片的相位延迟与波长的关系式。在此基础上针对几个常用设计波长和选定级数的波片, 利用MATLAB软件拟合, 得到入射光波长与波片相位延迟量的变化关系曲线。结果表明, 不同双折射晶体波片其消色差特性具有很好的一致性, 其原因在于晶体双折射率色散的一致性; 同一设计波长的波片, 其消色差效果随着波片级数的增加而变差; 而对于相同的级数, 设计波长越长其波片的消色差效果越好, 且随波长增加, 波片的消色差效果变好具有线性关系。

针对传统的PC平台去雾处理时间长、系统不便移植、平台不宜便携等问题,提出了一种基于FPGA平台的图像去雾系统。系统的开发包含了算法移植部分和硬件平台实现部分, 其中去雾算法是基于雾天成像物理模型提出的。针对FPGA平台的特点和限制对原算法进行了修改, 使其适合FPGA平台的结构。将修改后的算法使用Verilog HDL语言实现于FPGA平台。实验结果表明, 算法在保证云雾图像去除质量的前提下, 具有运行速度快, 可移植性好, 便携等优点, 能够满足工程项目的实用要求。

针对现有的反狙击手探测设备体积较大的缺点, 设计了一种微小型光电探测器, 采用基于SoPC的处理电路, 通过小型化设计与低功耗设计, 使得整机重量小于1kg, 整机功耗小于5W, 可直接安装在狙击枪上使用。同时具备昼夜瞄准与探测的能力, 最远探测距离可达1km, 探测到敌方狙击手后, 可立即进行打击, 大大增加了作战实用性。