一种用于动态光散射测量的虚拟数字相关仪

一种用于动态光散射测量的虚拟数字相关仪（精选3篇）

篇1：一种用于动态光散射测量的虚拟数字相关仪

一种用于动态光散射测量的虚拟数字相关仪

根据数字相关的基本原理, 利用高速数据采集卡和实验室虚拟仪器工程平台LabVIEW, 设计开发用于动态光散射测量的数字相关仪. 利用该数字相关仪对动态光散射实测数据进行分析处理, 给出散射光强的时间自相关函数曲线, 反演计算了颗粒粒度, 并与已知粒度进行比较, 得到较好的.测试结果.

作 者：孟庆南 王晓春 张洪武 MENG Qing-nan WANG Xiao-chun ZHANG Hong-wu  作者单位：孟庆南,MENG Qing-nan(吉林大学,材料科学与工程学院,长春,130012)

王晓春,张洪武,WANG Xiao-chun,ZHANG Hong-wu(吉林大学,物理学院,长春,130021)

刊 名：吉林大学学报(理学版)  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF JILIN UNIVERSITY(SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 45(4) 分类号：O433.1 关键词：动态光散射   颗粒粒度测量   虚拟仪器  

篇2：一种用于动态光散射测量的虚拟数字相关仪

结构光三维测量技术是近年来迅速发展起来的一种主动式光学测量技术,因其很高的测量速度、较高的测量精度和实用价值成为主动式视觉的主要技术之一[1]。测量过程中通过向测量场景中投射如单线、多线、点阵、网格及颜色等编码的结构光,形成受到被测物体调制的变形光场并由摄像机捕获图像,然后对图像信息进行解码,根据三角测量原理或者相位重构原理,结合测量系统的参数,求出被测物体的三维信息。由摄像机和投影仪组成的系统由于具有结构简单和重构效率高等特点,在现有的测量系统结构中较为常见。但该系统结构也存在约束性过强、标定精度不高、标定方法复杂等问题,影响了实用性[2]。为解决上述问题,文献[3 - 5]使用光栅图像编码及相位提取等方法来建立投影仪图像坐标和相机图像坐标的对应关系,得到相机像素点到投影仪栅平面点之间的单应矩阵,进而计算出投影仪标定所需的图像点坐标数据,将投影仪标定转化为摄像机标定。文献[6 - 7]使用投影仪将棋盘格图案投影到带有参考坐标标记的二维平板上,来获取投影仪标定所需的三维点坐标,进而使投影仪的标定过程适用于摄像机的标定模型。这些方法各有其独到和新颖之处,标定精度也相对较高。但是也存在一些问题,如基于相位的方法容易受到解相位误差的影响导致标定精度降低等。本文介绍了投影仪的模型,将透视投影畸变矫正方法引入投影仪的标定过程,推导了透视投影变换理论及其在投影仪标定应用过程,最后通过实验验证了方法的可行性。

1 投影仪模型及原理

1. 1 投影仪的模型

投影仪的结构如图1 所示,它与摄像机的构造是非常相似的,区别在于工作时光路方向不同: 投影仪只能向外部投射光而摄像机只能接收外部的光。可将投影仪看作一个“逆”摄像机[8],因此在标定过程中,摄像机的成像模型也适用于投影仪。

1. 2 标定原理

在投影仪标定过程中,由投影栅片生成棋盘格平面图像并由投影仪镜头投射至三维空间中的标定板上。设投影栅片上一点p( μ,ν) ,经投影仪镜头投射在标定板上,对应世界坐标为p( xw,yw,zw) 。该过程的坐标转换可表示为:

式中,,该矩阵完全由与投影仪内部结构相关的参数fx、fy、μ0、υ0决定,称M1为投影仪的内参数矩阵;,该矩阵由表示投影仪与空间物点p之间相对位置关系的参数R、T决定,故称M2为投影仪的外参数矩阵。

投影仪的标定即为求解出矩阵M1和M2的过程。通过在投影仪栅片上生成棋盘格平面图像并投射在标定板平面上,由于栅片上棋盘格的坐标p( μ,ν) ( 像素坐标) 已知,只需再求出投影在标定板上的棋盘格坐标p( xw,yw,zw) ( 世界坐标) ,即可利用多组点对pi( μ,ν) 、pi( xw,yw,zw) 和式( 1) 对投影仪进行标定。

1. 3 畸变模型

畸变的产生主要是现实中不存在完美的镜头和透镜。这主要是制造和装配上的原因,因为制作一个球形透镜比制作一个数学上的理想透镜更容易,而且从机械方面也很难保证透镜光轴和成像面( CCD平面) 垂直。畸变的存在会导致实际成像的像点与理想像点偏离,如图2 所示。

图中pμ( xμ,yμ) 为理想像点坐标,pd( xd,yd)为实际像点坐标。在图像物理坐标系中,理想像点与实际像点在xd轴和yd轴之间分别存在Dx、Dy的偏离。理想像点与实际像点的关系可表示如下:

在图像像素坐标系上,有:

镜头畸变主要有径向畸变、离心畸变、薄棱镜畸变等,由镜头引入的畸变模型可表示为:

其中,k1、k2为径向畸变系数,p1、p2为离心畸变系数,s1、s2为薄棱镜畸变系数。

2 投影仪标定方法

2. 1 标定图像采集

在对摄像机标定时,考虑到成本和易于操作等问题,使用二维棋盘格平板作为标定参照物。由于投影仪无法直接采集图像,因此要借助摄像机来获取投影仪标定所需的图像。投影仪标定图像采集过程如下:

1投影仪产生一幅白光图像( 即图像中所有像素灰度值为255) ,棋盘格标定板放置于摄像机前面并由投影仪投射的白光照明,摄像机获取一幅标定板棋盘格图像,如图5( b) 所示。

2保持棋盘格标定板位置不动,投影仪产生一幅棋盘格图案的图像,如图5( a) 所示,投射到标定板上,再由摄像机获取一幅此时的标定板图像,如图5( c) 所示,与上一步骤获取的图像保存于同一文件夹内。

3对步骤2获取的图像作颜色分割,将投影的棋盘格图案与打印的棋盘格图案分离,如图5( d) 所示。

4改变棋盘格标定板的姿态,重复步骤1 - 3,摄像机获取到10 到15 组图像。

2. 2 透视投影矫正

摄像机的成像过程中存在透视投影效应,当相机光轴与棋盘格平面不垂直时,得到的图像会产生透视畸变效果,因而棋盘格标定板中的方形格子所成的像变成了近似于梯形的形状。为了获得棋盘格标定板的正投影图像,需要对其图像进行透视投影矫正。

二维图像的透视投影矫正过程如图3 所示。

Pic1 为矩形平面在摄像机图像平面上所成的透视畸变图像( 原始图像) ,Pic2 为Pic1 经过透视投影矫正后的图像( 目标图像) 。该过程可通过求取一个变换矩阵Mtr来实现,即:

其中,Mtr3 × 3 为矩阵。设p1( x,y,1) 和p2( x',y',1) 分别为Pic1 和Pic2 上的点,则:

写成方程的形式,并消去 λ ,得:

参数a33与其他8 个参数为线性无关,可令a33= 1,提取原始图像和目标图像中4 对角点,即可求解出用于透视投影矫正的矩阵Mtr。

基于上述的原理,对摄像机采集到的标定板棋盘格图像进行透视投影畸变矫正,校正后的棋盘格图像可用于计算出投影仪标定参照物的世界坐标系。

2. 3 投影仪标定参照物坐标计算

标定板上打印的棋盘格中,各个角点之间的距离是已知的,因而可根据其透视投影矫正后的图像,计算出像素距离与实际距离之间的比例关系。

图4 为摄像机采集图像经透视投影矫正后的示意图,浅色棋盘格为打印在标定板上的图案,深色棋盘格为投影仪投射在标定板上的图案。规定标定板左上角的角点为世界坐标系的原点Ow,射线OwC1为x轴,射线OwC2为y轴。标定板的棋盘格图像经过透视投影矫正后还原成正方形,因而打印在标定板上的棋盘格与其图像之间只存在比例缩放的关系。设打印在标定板上的方形格子边长为L( 单位: mm) ,对应的图像中像素距离为I( 单位: 像素) ,则图像中每像素对应标定板平面上的实际长度可表示为:

为了减小误差,上式计算d I时取M个方格边长及其对应的图像像素距离作多次计算取平均值。

为了计算出投影棋盘格角点在标定板上的世界坐标,首先分别求出图像像素坐标系中x轴及y轴的直线方程。由点Ow( μ0,ν0) 及C1(μ1,ν1)可确定x轴的方程为:

其中,lx的斜率在V轴上的截距cx=ν0-kxμ0。

由点Ow( μ0,ν0) 及C2( μ2,ν2) 可确定y轴的方程为:

其中,ly的斜率,ly在V轴上的截距cy=ν0-kyμ0。

在得到x轴及y轴的直线方程以后,根据点到直线距离公式,分别计算出点Pi( μi,νi) 到直线lx及直线ly的距离d U和d V ,再根据式( 11) 的比例关系,求得标定板上投影棋盘格角点Pi( μi,νi) 对应的三维特征点Pwi( xi,yi,zi) 世界坐标系坐标为:

式中,当 μi> μ0时,d U为正,反之d U为负; 当 νi>ν0时,d V为正,反之d V为负。

3 实验结果及分析

实验采用单相机- 单投影仪机构,投影仪型号为奥图码HD25 型DLP投影仪,能投射的最大图像分辨率为1024 × 768 像素,摄像机为维视MV -VS078FC型CCD相机,该摄像机能获取的最大图像分辨率为1024 × 768 像素。

在对投影仪进行标定之前,首先对摄像机进行标定。用于摄像机标定的方法有很多,可参考文献[9],这里不再复述。对摄像机和投影仪的标定均基于文献[9]的方法实现,并采用亚像素定位方法对棋盘格图案进行角点坐标提取。

按照上述的方法采集投影仪标定过程中用到的各步骤图像如图5 所示。标定实验求出投影仪镜头的内参数如表1 所示。

在分别得到摄像机和投影仪的内参数以后,利用双目视觉立体标定[10]的原理,求出投影仪坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量分别为:

为了评估所介绍标定方法的精度,采用投影仪标定结果的内外参数,将标定特征点的三维坐标再投影,取真实图像坐标与再投影后相应的图像坐标之差的模平均值作为标定精度的评估函数[11]。反向投影误差如图6所示,在U和V方向的投影误差均小于1个像素,证明了本文标定方法能满足较高的精度要求。将该标定结果用于傅里叶变换轮廓术[12]的测量算法中进行相位-高度标定,对火车车轮踏面进行三维重构,准确重构出车轮的外形轮廓,三维重构结果如图7所示。

4 结束语

光学三维测量系统中,投影仪的标定与摄像机的标定同等重要。本文介绍了一种用于结构光三维测量系统中投影仪的标定方法,这种基于透视投影矫正方法,从摄像机图像中计算出用于投影仪标定的空间三维特征点坐标,最终由多组投影仪栅片上的图像点与对特征点实现了投影仪的标定。该方法易于操作,标定成本低,实验表明该方法具有较高的标定精度和实用性。

参考文献

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篇3：一种用于动态光散射测量的虚拟数字相关仪

本文在研究的过程中,是在VC++为平台基础上完成的虚拟数字信号处理仪设计的,在分析数字信号时,应该充分的应用Matlab工具箱函数,其基本主要包括这样几个方面:

(1)确保Matlab同VC++可以有效的对接到一起。对现代化技术要充分的进行应用,将现阶段最新开发出的工具充分的应用到微型计算机上,确保Matlab和VC++能够有效的融合到一起。

(2)使数字信号的基本处理功能成为现实。通过VC++对Matlab函数进行调用,从而发挥出分析倒频域、分析频域、绘制幅频曲线、 设计数字滤波器的功能。

(3)除了要将数字信号的基本分析功能发挥出来之外,将分析处理功能还应该增加上去;主要包括:首先,在设计和应用滤波器的时候,将阶跃响应图、零极点图和脉冲响应图增设进去;其次,将快速傅立叶变化、希尔伯特变化和离散余弦变化等方法增设进去;再次, 在设计波形发生器时,不但要将典型型号的类型增设进去,还应该将自普分析和自相关分析增设进去,鉴定和检验分析采样得到的信号类型。

2相关技术分析

2.1选择合适的编程语言

可以选择VC+作为虚拟数字信号处理仪系统的编程语言,采集数据、交互界面是其主要目的。Marlab作为VC++的合作对象,其工具箱一般都非常的强大,能够快捷准确的绘制出数据图,然而它有相应的不足之处,程序执行率较低,主要是由于以解释的方式控制其计算机语言,因此,为了确保VC++可以有效的调控Matlab,所以需要分工明确,由Matlab处理较为复杂的数字信号,在进行采样、普通分析和界面分析时由VC++来完成。按照这种做法,不但可以正确快速的完成部分计算,还可以将系统的安全性与稳定性提升,确保彼此间能够互相补充。

2.2 Matlab和VC++联合处理信息

将二者结合起来处理信息时可以按照这样的步骤去做:在运行系统时,VC++将有关的数据信息和命令传递给matlab引擎,这样Matlab与VC++的联系由Matlab引擎来实现,进而有效的处理其中的数据信号。例如功率谱分析时,可以按照这样的方式去做:在采集采样点数据和采样频率时,可以应用VC++来完成,将Matlab利用eng Open函数打开,联接其matlab,对于所采集到的数据通过mx Creat Double来完成, 在对这一步进行命名时可以应用到mx Creat来完成。

2.3采样信息及分析领域

在采集与分析相应数据时,应该根据数字信号计算方法及数字信号处理理论绘制图形和计算分析,例如功率谱图形和流程等,在通过系统完成相应的功率谱研究时有着这样几个优点:首先,能够有效的观测功率谱的宏观分布情况;其次,将所需要的部分可以局部放大,将任意一个频率点处的功率谱值能够清晰的读出来;再次,有特殊的极值点记号,可以有效获取到。同时,对比一些硬件的功率谱图时能够发现,谱峰一般会出现在100赫兹点处。并且存在160d B的峰值;然而,系统VC会将双边的功率谱图绘制出来,这样会在99.80处控制谱峰位置,数值会控制在81.87d B,实际上,很难获得准确的数值,多少会存在一些偏差,然而,在许可的范围内,这种分析结果仍然是可以得到肯定和认可的。

2.4设计模块

主要从这样几个模块出发进行系统的功能划分:1典型信号及自相关分析和自谱分析及典型信号;2采集信息;3设计与应用滤波器;设计FIR数字滤波器与设计IIR数字滤波器;4分析信号时域。 这种分析主要包括负相关分析和自相关分析;5分析信号频域。分析随机信号功率谱和典型周期信号频道两个方面。6分析信号侧频域,这其中主要包括:复倒谱分析、复倒谱反变化和实倒谱分析三个方面。其中主要是根据VC++嵌套汇编语言确保信息采样模块完成相应处理的。在设计数字滤波器时,主要是通过Matlab函数完成的带通、带阻和低通滤波器操控的,并且,应该确保在Matlab的工作区域当中控制所涉及到的滤波器。在应用这些滤波器时,需要合理的选择型号类型。在通过传统信号的特征,将合适的滤波器从工作区中选择出来,之后通过滤波器滤波处理原信号。

3结语

综上,文章利用上文主要对虚拟数字信号处理仪的系统构成、 主要工作方向和所应用时所需要注意的关键技术进行了分析。在进行相关分析的过程中,同有关运算原理和数字信号处理理论有机的结合在了一起,这样才可以将科学、合理的虚拟数字信号处理仪制作出来。近年来,在科技推动下,将进一步完善虚拟数字信号处理仪系统,从而将系统的手段为有关信号的采集和分析提供出来。总的来讲,对于这方面的研究必将成为一个重要的方向。

摘要：随着信息技术与计算机网络技术的发展,虚拟数字处理仪的应用越来越频繁,在科研发展和工程技术等方面发挥着重要的作用。按照有关的计算方法及数字信号处理理论,在虚拟仪器软件工具的基础上,可以将界面更好、功能更加完备的设备仪器研发出来,更好的满足相应的需求。对此,文章通过下文对虚拟数字信号处理仪的相关技术内容进行了论述,从而为有关单位及工作人员在实际工作中提供一定的帮助作用。

关键词：虚拟数字,信号处理仪,相关技术

参考文献

[1]袁华松.虚拟数字信号处理仪的关键技术研究[J].魅力中国,2010(02):532-533.

[2]卢晓红,贾振元,麻硕士,裴喜春.虚拟数字信号处理仪的研究与开发[J].计算机仿真,2007(03):963-965.

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