数字地图投影范文

2024-06-25

数字地图投影范文(精选7篇)

数字地图投影 第1篇

关键词:投影机,LCD,DLP

随着多媒体技术的迅猛发展,网络技术的普遍应用,学校多媒体教学、大型会议、家庭影院以及大型娱乐场所用投影机呈现逐年上升的趋势,选择怎样的投影机才能获得多彩色、高亮度、高分辨率的显示效果呢?笔者在文中主要讨论投影机的成像原理及特点。

投影机主要通过三种显示技术实现,即CRT投影技术、LCD投影技术以及近些年发展起来的DLP投影技术。CRT是英文CathodeRay Tube的缩写,译作阴极射线管。作为成像器件,它是实现最早、应用最为广泛的一种显示技术。但其重要技术指标图像分辨率与亮度相互制约,直接影响CRT投影机的亮度值,到目前为止,其亮度值码终徘徊在300lm以下,基本上被淘汰。LCD与DLP投影机是目前全球范围内使用最广泛的两种投影机,LCD投影机是液晶技术、照明科技以及集成电路的发展带来的高科技产物,其关键技术是液晶板的制造。光处理DLP投影机以DMD芯片作为成像器件,通过调节反射光实现投射图像的一种投影技术。它们基于两种不同的投影技术,有不同的成像原理和技术特点。

LCD投影机原理:LCD是Liquid Cristal Device的英文缩写。LCD投影机分为液晶板和液晶光阀两种。液晶光阀投影机其价格高,体积大,结构复杂,不易维修,适用于超大规模的指挥中心、会议中心及大型娱乐场所,在这里我们不作讨论。LCD投影机分为:单片LCD机和三片LCD机。

我们以三片式液晶投影机为例来介绍的投影机成像原理:由于单片结构在性能和色彩方面的缺陷,目前已经基本被淘汰。光线首先通过滤光片,滤掉红外线和紫外线这样的不可见光,红外线和紫外线对LCD片有一定的损害作用。透过两片多镜头镜片将光线均匀化,并将UHP灯产生的圆锥形光校正为和投影图像近似的矩形光线。在两片镜子之间的棱镜用来将光线预先极性化,较之没有该棱镜的不对称光箱,它可以减少光线的损失。下一步光线被分光镜分为红、绿、蓝三原色并被分别反射到相应的液晶片上。在到达液晶片之前光线还需要透过一个凸透镜和偏振片,凸透镜的作用是将光线集中,偏振片则进一步将光线极性化,使得光线振动方向一致,可以被液晶片控制。最后光线经过液晶片,通过电路板驱动,液晶片上的各像素点有序开闭,产生了图像,并通过每路原色光的调校产生了丰富的色彩。最后三路光线最终汇聚在一起由镜头投射出去。

LCD投影机特点:首先在画面颜色上,现在主流的LCD投影机都为三片机,采用红、绿、蓝三原色独立的LCD板,这就可以分别地调整每个彩色通道的亮度和对比度,投影效果非常好, 能得到高度保真的色彩;第二个优点是光效率高,LCD投影机比用相同瓦数光源灯的DLP投影机有更高的ANSI流明光输出,在高亮度竞争中,LCD依然占着优势。

LCD的缺点:LCD投影机明显缺点是黑色层次表现太差,对比度不是很高;LCD投影机表现的黑色,看起来总是灰蒙蒙的,阴影部分就显得昏暗而毫无细节;第二个缺点是LCD投影机投出的画面看得见像素结构,观众好像是经过窗格子在观看画面。

DLP投影机原理:数码光处理投影机是美国德州仪器公司以数字微镜装置DMD芯片作为成像器件,通过调节反射光实现投射图像的一种投影技术。它与液晶投影机有很大的不同,它的成像是通过成千上万个微小的镜片反射光线来实现的。目前德州仪器推出了0.55英寸、0.7英寸、0.9英寸和1.1英寸多种尺寸的芯片。

DLP投影机分为:单片DMD机、两片DMD机和三片DMD机。

以1024×768分辨率为例,在一块DMD上共有1024×768个小反射镜,每个镜子代表一个像素,每一个小反射镜都具有独立控制光线的开关能力。小反射镜反射光线的角度受视频信号控制,视频信号受数字光处理器DLP调制,把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号,用脉冲宽度大小来控制小反射镜开、关光路的时间,在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像。DMD投影机根据反射镜片的多少可以分为单片式,双片式和三片式。以单片式为例,DLP能够产生色彩是由于放在光源路径上的色轮(由红、绿、蓝群组成),光源发出的光通过会聚透镜到彩色滤色片产生RGB三基色,包含成千上万微镜的DMD芯片,将光源发出的光通过快速转动的红、绿、蓝过滤器投射到一个镶有微镜面阵列的微芯片DMD的表面,这些微镜面以每秒5000次的速度转动,反射入射光,经由整形透镜后通过镜头投射出画面。

DLP投影机特点:DLP投影机的优点一是图像流畅,反差大。这些视频优点使其成为家庭影院世界中之首选品种,有较高的对比度,多数DLP投影机的对比度可做到600∶1到800∶1的之间,低价位的也可达450∶1。LCD投影机对比度只在400∶1附近,而低价位的才250∶1。画面的视感冲击强烈,没有像素结构感,形象自然。

DLP投影机优点二是颗粒感弱。在SVGA (800×600)格式分辨率上,DLP投影机的像素结构比LCD弱,只要相对可视距离和投影图像画面大小调得合适,已经看不出像素结构。

DLP投影机优点三是图像质量稳定。DMD技术可靠性将确保在投影机使用寿命期间的图像质量稳定。随着液晶板的老化,LCD光学性能和图像质量将随着时间的推移而劣化,即使在更换灯泡后图像质量也不可修复。

德州仪器在2002年5月进行了一项实验,研究数字微镜装置(DMD)的现场可靠性并且通过与其它竞争技术相比较,进一步了解数字光处理技术。在寿命测试中,采用DMD和LCD光调制器的投影机是同台进行的。测试结果表明证实了这两种投影技术的中/长期图像质量有着显著差别。它指出了LCD光调制器技术的根本缺陷,这种缺陷导致投影机在预计结束寿命之前图像质量会显著劣化;在另一方面,DMD光调制器技术则没有这样的特征,在整个测试期间,它的图像质量明显保持不变。LCD在光学性能方面随着时间的推移持续的向下衰减,即使在规定的时间更换了灯泡之后,LCD的性能仍然继续劣化,灯泡的更换不会带来任何参数的改善。DMD光调制器技术的数据投影机在整个使用寿命期间持续提供完美的图像质量,只是随着灯泡的更换而出现波动。

以上分析我们可以得出DLP投影机较LCD投影机有数字优势、反射优势、无缝图像优势等三个方面的优势,唯一的缺点是在相同瓦数光源灯时LCD投影机比DLP投影机有更高的ANSI流明光输出。但随着DMD芯片技术的不断发展,DLP投影机终将取代LCD投影机成为市场上的主流机型。

参考文献

中心投影和平行投影教案 第2篇

三维目标:

一、知识与技能

1. 了解中心投影、平行投影、斜投影、正投影的概念。2. 了解三视图的有关概念。

3. 掌握三视图画法规则,能正确画出简单空间几何体的三视图,并能识别三视图所表示的立体模型。

二、过程与方法

1、通过欣赏、观察各种投影,进一步培养学生的空间想象能力。

2、通过学生作图、识图来培养运用图形进行数学交流的能力。

三、情感态度与价值观

通过引导学生欣赏生活中投影的例子,使学生不断感受数学,走进数学,转变学生的数学学习态度,激发学生学习数学的热情。教学重点:

1、中心投影、平行投影的概念

2、三视图的画法规则及画空间几何体的三视图 教学难点:

画空间几何体的三视图及根据三视图判断空间几何体的形状和结构。教具准备:

多媒体课件、几何模型 教学过程:

一、创设情景,引入新课

(多媒体播放手影表演、皮影戏的动画,组织学生欣赏)

1、提问:同学们在感受这些形象逼真的图形时,是否思考一下,这些图形是怎样形成的呢?它们形成的原理又是什么呢?这些原理还有哪些重要用途呢?

2、导入:这就是我们本节课所要研究的问题——中心投影和平行投影。

二、知识生成、示例讲解:

1、投影的概念

(1)投影:光线通过物体,向选定的面(投影面)投射,并在该面上得到图形的方法。

(2)中心投影:投射线交于一点的投影称为中心投影。

(3)平行投影:投射线相互平行的投影称为平行投影。平行投影分为斜投影与正投影。

讲解原则:配以多媒体动画,让学生思考,抽象或概括出相应定义,教师加以修正。

练习:判断下列命题是否正确(1)直线的平行投影一定为直线

(2)一个圆在平面上的平行投影可以是圆或椭圆或线段(3)矩形的平行投影一定是矩形

(4)两条相交直线的平行投影可以平行

2、中心投影和平行投影的区别和用途

中心投影形成的直观图能非常逼真地反映原来的物体,主要运用于绘画领域。

回顾与反思:通过师生共同画图,学生独立画图,让学生充分掌握画三视图的画法规则和一般步骤,认识到空间图形与其三视图间的对应关系,进而提高学生的空间想象能力。

2、如图,设所给的方向为物体的正前方,试画出它的三视图(单位:cm)

分析:该几何体结构较复杂,可先出示其实物模型,引导学生从三个不同角度观察,找出其轮廓线,进而画出其三视图。在画三视图时,可按相应比例来画。

练习:如图,E、F分别为正方形的面ADD1A1、BCC1B1的中心,则四边形BFD1E在该正方体的面上的正投影不可能为

回顾与反思:回顾与反思:在完成例2较复杂图形的三视图后,给出的上述练习,实质上是三视图的一个应用。只要从主视图、俯视图和左视图三个方面来着手,就不难解决问题了。

3、某物体的三视图如下,试判断该几何体的形状

分析:三视图是从三个不同的方向看同一物体得到的三个视图。

数字地图投影 第3篇

此次评测主要是从技术、性能、价格、专业性和易用性等多个角度进行评比而进行的。’TDl60能够力压群雄,从容折桂这都与其优异的品质分不开。

此次获奖的联想TDl60投影机是联想投影机的代表产品之一,它采用联想研发的数字光芯”核心技术。“数字光芯”技术是联想与TI长期深入合作的结晶。它基于国际最先进的数字光处理系统开发,蕴含了联想领先的数字影像应用技术、关联应用技术以及人性化的工业设计,是真正面向未来的数字投影设备的关键技术。基于“数字光芯”技术的投影机,在显示效果上比普通投影机有着极大的优势,性能稳定,可靠性强。“数字光芯”投影机使用环境广泛,画面不会因为受到温度、湿度、震动的影响而变化扭曲,能够适合各种行业的不同行情。

联想TDl60有着很高的对比度和亮度,并采用了数字放大技术。它的对比度为1800:1,亮度高达1500流明,分辨率最高可达1280x1024。较高的对比度和亮度使得它在光线较强的会议室依然能够呈现出高亮度的影像,在暗室环境下更是光彩夺目。在默认的对比度及亮度设置下,TDl60所显示的画面细腻、柔和,特别是文字的显示效果更为出色,即使是很小的文字依然能够清晰可辨。同时,TDl60投影机还具备多信号源输入功能。

数字地图投影 第4篇

关键词:Oracle spatial,地图匹配,电子导航

0 引 言

车载监控中心在跟踪车辆状态时,需要根据车载定位终端上传的位置经纬度等信息在电子屏幕上面实时显示车辆的轨迹。但是由于车载GPS定位精度(20m左右)和电子地图制作的误差(主要因素)等,使得车辆的位置不一定能准确地显示在行驶的道路上,而是可能跑到建筑物中或是路边。地图匹配是一种软件纠正手段,强制性把车辆投影到正确的道路上。本文充分利用Oracle 9i提供的Spatial空间插件的分析功能,提出了一种新的基于Spatial的电子地图道路匹配算法,并用PL/SQL将该算法编写为存储过程保存在Oracle数据库里,最后,用Java编程调用该过程函数,生成车辆的轨迹,并给出道路匹配实验结果。

1 车载监控系统架构(图1)

图1显示了车载监控系统的体系架构。车载监控系统采用基于B/S的架构,首先应用服务器接收车载终端上传的定位数据,保存到Oracle数据库中。然后车载中心通过HTTP协议向网络服务器发送请求,Servlet容器处理该请求,访问数据库并提取车辆的经纬度信息,接着调用Spatial过程,进行地图道路匹配,返回调整到道路的经纬度坐标,而后转发给MapXtreme服务器渲染地图,最后通过网页Response对象输出图像流给浏览器。

2 地图数据存储和参考系统转换

Oracle9i支持对象关系数据库模型,其内嵌Spatial插件专注于空间数据快速高效地存储、获取和分析等功能,系统使用的是某市区高精度电子导航地图,包含地物、道路、结点和街区等九个图层,呈矩形状。道路匹配时需要对ROAD道路图层进行空间分析,我们利用MapInfo公司针对Oracle 9i提供的图层上传工具EASYLOADER 7.5上传ROAD图层,命名为ROAD表,所有道路的空间数据存储在ROAD表对象类型为SDO_GEOMETRY的GEOLOC字段。上载成功后,EASYLOADER将自动为ROAD表创建唯一索引MI_PRINX和空间索引ROAD_SX;USER_SDO_GEOM_METADATA是管理空间表的用户视图,存储表的空间字段和维信息,EASYLOADER也会自动在里面增加关于ROAD表的记录。

上传后,几何体对象空间参考系统为标准维,在USER_SDO_GEOM_METADATA里面的MDSYS.SDO_DIM_ARRAY字段体现为包含X、Y两维。为了能使用点投影等空间分析函数,需要把参考系统转换成LRS(Linear Referencing System)。LRS是3维系统,比前者增加了权值维(Measure Dimension)。权值是相对于线段起点的一种度量,可以为空。

使用如下LRS空间操作语句可以把道路层的几何体对象标准维转换成LRS维:

SDO_LRS.CONVERT_TO_LRS_LAYER(′ROAD′,′GEOLOC′)

3 电子地图道路匹配设计和实现

3.1 道路匹配算法设计

传统进行道路匹配时经常使用分带索引和结点表来提高匹配的效率和准确率。即预先对地图进行分带,这样可以大幅度缩小待匹配点搜索附近道路的范围。再利用结点表的拓扑关系,找到与结点相连接的道路[4]。虽然这样提高了匹配准确率,但需要做大量的地图分带等数据预处理和结点运算,一定程度上限制了它的应用。本文充分利用Spatial函数空间分析能力的优势,结合点到曲线几何匹配(Bernstein and Kornhauser,2000)和Quddus算法加权相似性度量函数,提出一种新的道路匹配算法。道路匹配算法利用Spatial空间插件的投影,查找最近邻居等函数,基于道路连通性和投影距离来判断车辆所在的道路ID。

地图匹配问题可以描述为:假设车辆在有限的道路系统N行驶,若已知通过车载GPS定位终端获得的车辆估计位置点(v_longitude,v_latitude)为Pt,上次匹配的道路ID为Rp,如果没有前次匹配道路的信息,Rp赋值为-1,之后,我们粗略选择最可能行驶的n条候选道路集NOMn={C1,C2,…Cn},{Ci∈N},接着依据一定规则精确匹配车辆实际行驶道路Rm,做点到曲线的投影后,最终得到匹配的位置点Pm。算法由如下步骤所示:

(1) 判断Pt是否在要匹配的地图范围内,不在该范围,则匹配失败,剔除坏点。

(2) 如果Rp=-1,那么赋值为离Pt最近的道路ID。

(3) 根据点Pt在Rp道路上进行投影,得到其离道路的最近距离点(project_point)。

(4) 获取Rp的起点(start_point)和终点(end_point)。

(5) 判断project_point是否与start_point或end_point相等,如果相等,表明离Pt最近点为Rp道路的端点,车辆已经离开道路,跳转到6处理分叉口情况;如果不相等,说明在原来Rp道路上,或者已经偏离正确路线,跳转到(7)。

(6) 获取离Pt最近的5条道路ID作为候选道路NOM5,去掉Rp自身,再利用空间函数分析候选道路连通性,去掉不符合连接拓扑关系的道路,然后在筛选后的道路中挑出点Pt与其投影点距离最短的道路ID,认定其为匹配道路Rm,同时得到Pm。转(8)。

(7) 如果Pt与Rp投影点距离小于一定的阈值σ,认定Rp为匹配道路Rm,否则重新匹配,选择离其最近道路ID为匹配道路,增强算法鲁棒性。

(8) 返回Pm的经纬度和道路Rm。

以上算法在处理分叉口情况时,以点到曲线距离作为考虑的因素。为了减少分叉口匹配错误的概率,结合Quddus算法可以提高算法的匹配正确率。Quddus算法是基于加权系统的相似性度量函数,函数表达式为:TWS=WSH+WSPD+WSPI+WSRP,选择TWS值最大的路段作为匹配道路。函数表达式对应4个判断规则:方向相似性WSH,点到道路接近程度WSPD,连续两个定位点与道路的相交性WSPI以及定位点相对道路的权值WSRP。这里,WSH和WSPD已经能够提供足够高的正确率,为加快计算速度,我们重新定义相似性度量函数为:

WS=WSH+WSPD=AHcos(△β')+ AP/D

式中△β′表示GPS输出车辆方向角与道路方向角的差值,D表示点到路段的距离。AH、AP分别是WSH和WSPD的权值,根据是否在原来道路上或者在拐弯处作出调整,在拐弯处,角度差值的影响相对比较大,AH取值应该大些。此外,使用高精度的电子导航地图,引入GPS差分技术也能大幅度提高匹配正确率。

3.2 道路匹配实现

实验数据来自某城市33路公交巴士实际跑车的经纬度定位数据。我们模拟实时定位道路匹配,Java编程从数据库按照顺序提取经纬度记录,与前次匹配的道路ID共同作为参数,调用ORACLE存储过程,进行道路匹配,返回匹配位置的经纬度,再送经MapXtreme服务器处理,增加Annotation临时图层来显示车辆的位置。

存储过程中有几个重要的空间分析函数,下面分别对其进行说明。sdo_lrs.project_pt函数返回道路上的投影点对象,以下示例返回点(v_longitude,v_latitude)在道路road_id 为582的投影点对象。

select sdo_lrs.project_pt(

r.geoloc, ——待投影的几何对象字段

m.diminfo, ——待投影的几何对象字段的维信息,通常取自SDO_GEOM_METADATA

mdsys.sdo_geometry(3001,8307,null,——临时定义要投影的定位点(v_longitude,v_latitude)

mdsys.sdo_elem_info_array(1,1,1),

mdsys.sdo_ordinate_array(v_longitude,v_latitude,NULL)))

from road r,user_sdo_geom_metadata m

where m.table_name=′ROAD′ and m.column_name=′GEOLOC′ and r.road_id=582;

Spatial语句SDO_NN返回离给定图元对象最近的sdo_num_res个对象,该语句需要空间索引的支持,而且只能放在WHERE子句中。在PL/SQL数据库操作中每返回5个图元对象平均耗时0.039s。计算道路的端点可以使用LRS分析函数SDO_LRS.GEOM_SEGMENT_START_PT和SDO_LRS.GEOM_SEGMENT_END_PT,执行平均耗时0.132s。此外,我们可以方便地使用Spatial函数SDO_GEOM.RELATE来判断两条道路是否相连,执行平均时间0.242s。

图2显示地图匹配结果的截图。

图中圆圈代表原始经纬度点,五角星表示匹配在道路上的点,跑车数据共37个点记录,耗时18.104s。多次实验表明,该算法正确率平均高于90%。

该算法可能出错的地方集中在分叉口的判断上,这时算法步骤7的距离阈值σ选择非常重要,根据不同的实际背景,取值也不一样。此次模拟实验中,σ取值0.0000005。如果道路匹配错误,一般在2~3个点后(与车载定位时间间隔有关),将重新定位到正确道路上来。σ值选择太大匹配错误点会增多,太小则会造成频繁地重新匹配。

4 结 论

本文充分利用Spatial空间数据库插件,设计了一种高正确率的车辆导航系统地图匹配算法。实验表明,该系统可以适用于车载监控中心的车辆实时定位跟踪,一次匹配执行时间大约200ms,符合实时性的要求,正确率高于90%,引进方向参数和高质量的电子地图能进一步改善匹配效果。

参考文献

[1]ORACLE Co..OracleRspatial user s guide and reference release9.2[EB/OL].http://www.oracle.com/,2001.

[2]MAPINFO Co..MapInfo mapxtreme java edition v4.7developer guide[EB/OL].http://mapinfo.com/,2003.

[3]王东晖,许占文.一种基于类投影的地图匹配算法[J].沈阳工业大学学报,2003,25(5).

[4]王密,郭丙轩,等.车载GPS导航系统中GPS定位与道路匹配方法研究[J].武汉测绘科技大学学报,2000,25(6).

[5]SCOTTURMAN.Oracle9i PL/SQL程序设计[M].陈维军,王蕾,等译.北京:机械工业出版社,2004.

数字地图投影 第5篇

随着各种光学器件和技术应用于照相机和投影机,非接触式光学测量方法得到快速发展,并广泛应用到工业自动检测、逆向设计、生物医学、文物复制、人体测量等众多领域中[1]。光学三维测量技术按照成像照明方式的不同通常可分为被动三维测量和主动三维测量两大类。

其中主动三维测量技术采用不同的投射装置向被测物体投射设计好的结构光,并拍摄经被测物体表面调制而发生变形的结构光图像,然后从携带有被测物体表面三维形貌信息的图像中计算出被测物体的三维形貌数据[2]。传统的系统大都采用理想的数学模型,需要使用参考平面。这种测量系统不能得到精确的三维坐标;硬件的位置关系要求十分严格,可操作性差,标定过程麻烦。

基于数字条纹投影的三维形貌测量技术是目前很有发展前景的非接触式主动测量,它在获取物体表面三维数据时一般分为两大步骤:先通过对变形条纹的分析获取相位图,再对相位图进行展开操作。目前,应用最广泛的条纹分析技术是傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry,FTP)和相移测量轮廓术(Phase Shifting Profilometry,PSP)两种。

值得注意的是,不管是FTP还是PSP都是利用三角函数反求相位,相位结果分布在[-π,π),必须要进行相位展开操作使得相位是连续变化的。现在的主要相位展开方法主要有空间相位展开技术(Spatial Frequency Analysis)和时间相位展开技术(Temporal Frequency Analysis)。

基于多频率投影条纹的时间相位展开技术是通过对同一物体在不同时刻投影多个频率的条纹以获取更多信息的方式,使得相位展开不再依赖相邻点信息和展开路径。这种计算方法快速简单,目前应用较广,但也存在不足,主要是计算效率和可靠性有待进一步提高。

1 测量系统设计

本文采用的三维形貌测量系统由一个照相机和一个投影机组成,测量时使用投影机向被测物体投射一组光强呈正弦分布的条纹图像,并使用照相机同时拍摄经被测物体表面调制而变形的条纹图;利用拍摄得到的变形图像,根据相位计算方法得到绝对相位;最后根据预先标定的系统参数从绝对相位计算出被测物体表面的三维数据。如图1所示。

文献[3]中S.Zhang和P.Huang提出,通过建立照相机图像和投影机图像的对应关系,使得投影机可以像照相机一样拍摄图像,从而将投影机的参数标定转化为成熟的照相机参数标定,硬件的位置关系要求不严格。系统标定好之后,就可以根据绝对相位计算出待测物体上每点的三维坐标。目前,这种测量系统使用较为广泛。

2 系统的标定

2.1 照相机的标定

照相机的成像过程可以近似看作是小孔成像的过程。在这种光学模型下,一个世界坐标系中的三维点Mw映射到照相机图像中的点为mc,它们的关系为mc∝Kc[Rctc]Mw,其中∝表示在一个比例系数下的相等关系;[Rctc]是照相机的外参数矩阵,表示世界坐标系和照相机坐标系之间的平移和旋转变换;Kc是照相机的内参数矩阵。目前通用的标定方法是张正友提出的,根据照相机拍摄到不同位置的模型平面上同一棋盘格图像,找到不同位置同一角点之间的关系,可求解并优化得出参数矩阵的最优解。

2.2 投影机的标定

投影机和照相机一样,可以把投影机的光学模型视作一个反方向上的照相机模型。对于世界坐标系中的点Mp和投影机图像中的点mp,有类似的关系mp∝Kp[Rptp]Mw,其中[Rptp]是投影机的外参数矩阵,Kp是投影机的内参数矩阵。

投影机图像中的点mp,投影到模型平面上,然后被照相机拍摄到成为照相机图像中的点mc,它们的关系是mp∝Hcpmc,其中矩阵Hcp为相对于某一模型平面投影机和照相机之间的单应矩阵。那么,利用单应矩阵可以获取投影机“拍摄”到的图像。再用类同于照相机标定的方法标定投影机。

2.3 三个坐标系的统一

在实际的测量中,可以把世界坐标系和投影机坐标系都转换到照相机坐标系,统一坐标系的好处是不再需要确定参考平面的位置,标定过程更容易。

在标定照相机和投影机过程中,对应放置在某位置的棋盘格标定板,都能分别得到该标定板上多个角点在照相机坐标系和投影机坐标系中的三维坐标。根据放置在多个位置的棋盘格标定板,可以得到多个点在这两个坐标系中的三维坐标,从这两组坐标可以推导出照相机坐标系到投影机坐标系的转换矩阵[R t]。从而将三个坐标系都统一到照相机坐标系。

2.4 系统标定步骤

本文采用的系统标定步骤如下:

(1)把贴有红蓝棋盘格的标定板放在某一位置,投影机投射红光,照相机拍摄并保存图像;

(2)标定板位置不变,投影机投射黑白棋盘格,照相机拍摄并保存图像;

(3)改变标定板的位置,重复第(1),(2)步直到获得足够多的图像标定系统。

第(1)步获取的图像用来标定照相机,即得到照相机的内参数和相对于标定板每个位置的外参数;第(2)步获取的图像先联合投影机投影的黑白棋盘格图像计算出单应矩阵,再将其转化为投影机“拍摄”的图像用来标定投影机,即得到投影机的内参数和相对于标定板每个位置的外参数。最后将三个坐标系统一,得到如下数学模型方程:

其中[xw,yw,zw,1]是物体表面的三维齐次坐标,待求;[unc,vnc,1]是照相机图像中的点,已知;[unp,vnp,1]是投影机图像中的点,要由展开相位得到,展开相位与对应投影机图像坐标之间的关系是:

其中Φu(x,y),Φv(x,y)分别为横纵两个方向上的展开相位;P为每个投影条纹所含的像素个数。当然,已知一个方向上的展开相位推出投影机图像一个方向上的点坐标已可以求解上述数学模型方程,得到物体表面的三维坐标。

3 PSP相位分析技术

对于N步相移法,每一幅条纹图像都和相邻的条纹图像相位上相差2πN。从N幅变形条纹求出相位ϕ(x,y)的方法为:

式中:Icn(x,y)为第n步(n=1,2,⋯,N)相移时照相机拍摄到的变形条纹图像;arctan(⋅)是在四个象限定义的反正切函数,即最后求得的ϕ(x,y)范围是[-π,π)。

4 基于双频率投影的相位展开方法[4,5]

投影条纹的空间频率f为投影图像上的条纹个数,当分别投影两个频率为f1,f2的条纹,其中f1,f2互质。ϕ1(x)和ϕ2(x)表示相位图,取值范围是[-π,π),它们和绝对相位Φ1(x)和Φ2(x)之间的关系是:

式中:m1(x)和m2(x)分别是频率为f1和f2投影条纹的阶数,都是整数。

根据f2Φ1(x)=f1Φ2(x)可以推出等式:

取单条纹图像Φ0(x)∈[-π,π)作为参考,根据Φ1(x)=f1Φ0(x)和Φ2(x)=f2Φ0(x)可进行区间划分,每个区间可确定对应的m1(x)和m2(x)。当取f1=5,f2=8时可推出表1所示映射关系。

表1的左边第一列覆盖了-π<Φ0(x)<π的全部范围,第三列给出了m2(x)f1-m1(x)f2的所有可能取值且不重复。这样就可以利用表1和公式(1)进行相位展开。具体实施流程如下:

(1)选择两个频率(f1,f2)并建立一个与表1类似的表,保证这个表中的m2(x)f1-m1(x)f2和一组m1(x),m2(x)是一一对应的关系(即当f1,f2互质时);

(2)将这两个频率的投影条纹投影到被测物体的表面上,通过条纹分析技术获得它们的相位图函数ϕ1(x)和ϕ2(x);

(3)计算[f2ϕ1(x)-f1ϕ2(x)]2/π并将其取成最接近的整数,记为M。使用第(1)步建立的表格,搜索表1中和M最为接近的m2(x)f1-m1(x)f2,记录其相应行上的m1(x和m2(x);

(4)应用已经获得的m1(x)和m2(x)和公式(1)恢复两个频率投影条纹的绝对相位。

根据这些步骤,可以正确地恢复所选择投影条纹的绝对相位,而且仅使用两个频率的投影条纹。与现有的时间相位展开技术相比,由于避免了使用单位频率投影条纹,在保证测量精度的同时大大减小了所需要采集的投影频率图像数量。

5 实验

实验过程步骤如下:

(1)标定过程

将设计好的红蓝棋盘格图贴到平板上并固定在测量范围中的某一位置,分别投影一幅红光图像和黑白棋盘格图像到平板上。重复20次,拍摄到20组图像,其中投影红光由照相机拍摄的图像如图2所示。

采集到20组图像后,利用Jean-Yves Bouguet[6]的照相机标定Matlab工具箱进行照相机的标定,然后将照相机拍摄到的图像转换为投影机“拍摄”的图像,如图3所示。进行投影机和系统标定,确定相位和三维坐标间的转换关系。

(2)测量和重构过程

照相机拍摄到的变形条纹图像如图4(a),(b)所示,图4(a)中f1=33,图4(b)中f2=16。

采用6步相移形貌测量法(PSP)获得相位图如图4(c),(d)所示。

投影机的分辨率为768×1 024,双频率条纹形貌测量法相位展开后的真实相位图如图4(e),(f)所示。

(3)结果

根据石膏像的真实相位图,结合系统的数学模型,就可以得到石膏像表面各点的三维坐标,三维重构的结果如图5所示。

6 结论

基于数字条纹投影的三维形貌测量技术是目前最有发展前景的非接触式光学测量技术之一。本文设计的测量系统摒弃了传统理想模型对设备间的严格几何约束条件,建立了一种类双目测量系统,减少了标定过程的人工操作,测量精度大大提高。同时,选用最新的相位展开技术使用较少的条纹投影实现相位展开,通过实验证明了系统的可行性,推动了三维形貌测量技术的研究。

摘要:根据投影机和照相机的光学成像原理,借用双目测量系统的标定方法搭建了一套测量精度高、标定过程自动化的基于数字条纹的三维形貌测量系统,并采用最新的相位展开技术用较少的条纹图像完成相位展开,通过对人脸石膏像进行测量实验,验证了系统模型和测量方法的正确性。

关键词:数字条纹,标定,形貌测量,相位展开,三维重构

参考文献

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数字地图投影 第6篇

反向条纹投影技术(Inverse Projected-Fringe-Technique)是在传统的光学三维面形测量方法[1](如莫尔轮廓术、相位测量轮廓术[2,3,4]、傅里叶变换轮廓术[5,6,7])上演化而来的。它继承了传统三维面形测量的非接触、高精度、高速度以及易于在计算机控制下实行自动化测量等优点,同时它对面形的微小形变具有很高的敏感性,因而尤其适用于工业生产流水线上产品面形的质量控制。

反向条纹投影的概念最早是由M.Schönleber等在1997年提出的。同年由Jacques Harthong等人提出的反向莫尔中也可以找到相近的思想。同期Kalms和Osten等人提出自适应条纹的方法,并于2001年对反向条纹投影技术进行了完整详尽的理论概括,随后Wansong Li等人对该技术进行了更详尽的综述[8,9]。由于反向条纹投影的理论架构已基本成型,近年来该技术的研究主要集中在对它的应用。E.U.Wagemann等人将反向条纹投影应用于高速变形检测,将反向条纹投影到高速旋转的风扇叶面上,经过Ronchi光栅滤波,提取出条纹的变形部分,通过分析光电二极管的信号,可实现每秒500帧的定性变形检测,从而突破了CCD帧频的限制。Ayman Samara等把反向条纹投影技术应用于物体表面轮廓,纹理和粗糙度的综合测量中。蔡圆圆等对反向条纹产生的算法进行了改进,并将反向条纹技术用在了多投影机拼接之中[10,11]。

本文提出一种基于反向条纹投影的数字地球仪的实现方法。通过反向投影经处理的三维图形信息到球面显示屏上,形成数字地球仪。本文建立了地球的三维数据模型,得到了适合直接投影到球体上的图形数据;也建立了任意角度的图形数据,并且建立数据库,随时提取需要的数据。利用数字地球仪,可以在真实的球面坐标下,从任何的角度观察地球仪;可制作互动的装置,当输入任何的观察角度,就可以看到任何角度的数字地球;也可以制作成视频文件,投放地球转动的状况,轨迹可任意设定。在实际应用方面该技术很方便用于教学,博物馆展览及虚拟现实娱乐(Virtual Reality Entertainment)[12,13]。

1 原理

1.1 反向条纹技术理

1.1.1 简介

传统的条纹投影技术一般是把直的正弦条纹投影到物体表面,记录变形的条纹图,如图1(a)所示。而反向条纹投影技术则把这个过程反了过来,它投影变了形的正弦条纹,而在记录平面得到直的条纹,如图1(b)所示。

1.1.2 确定映射关系

以实验使用的漫反射球面为背景,让LCD投影机投射标准正弦条纹,CCD摄像机从观察数字地球仪的方向获取变形条纹。用时间相位展开法得到投影条纹和变形条纹的相位对应关系,求出摄像机坐标(i,j)和投影器坐标(l,m)之间的对应关系,即系统的几何反向传递关系。因为要确定像素的行和列的关系,投影的条纹有垂直和水平两套。ϕV′(i,j)和ϕP′(i,j)分别表示垂直和水平变形条纹的相位;ϕV(l,m)和ϕP(l,m)分别表示垂直和水平投影条纹的相位。投影条纹的相位可用投影器像素坐标的连续函数表示,即:

其中p是像素单位表示的条纹周期。由于摄像机和投影器的对应像素点有相同的相位值,所以可以用以下的关系把摄像机的像素映射到投影器的像素坐标上:

映射的结果如图2所示,实心黑点表示投影器像素,空心白点是摄像机像素。

通过式(5)和式(6)的线性加权插值算法可以得到投影器像素对应的摄像机像素坐标:

式中:d是离(l,m)像素点最近的四个投影器像素点在投影器坐标系中与(l,m)的距离,is(l,m)和js(l,m)是这四个点对应的摄像机像素坐标。可以看到,结果精确到了亚像素。

首先定义从数据库中直接提取的地球三维图形信息为Iw(i,j),即为期望图像。通过测出的几何及强度反向传递关系,计算出投影器应投影的反向条纹,即IInv(l,m)。

因为i(l,m),j(l,m)一般不是整数像素点,所以当可以用像素坐标的连续函数表示时,可以用式(7)直接计算。反之,需要用到像素间的插值。

1.2 球面信息映射原理

为获取三维球面信息,必须建立图形映射模型,如图3。

首先建立几何模型如下,取地球为正球体,O1为地球中心,P是北极点,北极正上方有一照相机,镜头在F点,SO3M1为其焦平面,FO3为其焦距。投影区域内的球冠上任意一点M2,在焦平面上都可以找到唯一的一点M1与之对应,并且在球截面上亦有一点M2与之对应。通过这个几何模型我们可以找到M2的经度纬度值与M1所在平面的几何位置的对应关系。

首先,M2经度角为∠TO2M3。在空间,由于直线O2M3平行于O3M1,直线TO2平行于SO3,所以他们的夹角相等,即:

M 2的纬度角为∠M2O1F。在三角形M2O1F中,由于∠M2FO1=∠M1FO3,

根据正弦定理有:

即M2的纬度角

根据M2与M1的一一映射关系,我们可直接将地球三维信息数据库中的信息读取到存放M1的相应位置,MATLAB的MAP TOOLBOX里提供了一个简单的地球信息的数据库,美国国家航空航天局NASA的数据库中有丰富而详尽的地球信息。

1.3 地球转动信息转换原理

得到了以北极点为观察点的信息提取模型后,为了提取任意一点为顶点的信息,当观察点由P(0,0,R)点变为任意一点P1(x,y,z)时,其经纬度已经发生变化,得到的角度关系可看成以P1点为北极点的关系。

如图4所示,这个过程相当于将北极点P沿P、P1所在大圆转动到P1,转动角α=∠POP1。坐标系也随之转动,产生新的坐标系X1、Y1、Z1。OE为垂直于PP1所在大圆面的一条直线,它与原坐标系X轴的夹角β=∠EOX=∠QOY。H为X轴与球面的交点,F为新坐标轴X1与球面的交点,过HF做垂直于OE的平面EHF,此平面在球内部分为一小圆,圆心为E,半径为r。

由此可得到转动后的坐标轴

记原始坐标系与新坐标系的转换矩阵为T。M为球面上任意一点,它在原坐标系下的坐标值为MP,在新坐标系中的坐标为MP1,则有MP=T*MP1。

当M分别为X1、Y1、Z1与球面交点时就有X=T*X1、Y=T*Y1、Z=T*Z1,其中X1=(1,0,0)、Y1=(0,10)、Z1=(0,0,1),

得到转换矩阵T后,在已知M在新坐标系下的坐标MP1的情况下,通过公式MP=T*MP1得到M点在原始坐标系中的坐标值MP。根据此对应关系,将数据库中MP的灰度值直接赋与MP1。

由于知道其经度(Longitude)纬度(Latitude),故要先把经纬度极坐标转换为直角坐标(x,y,z)。其转换公式为

2 计算机提取三维地球信息实验

在MATLAB 7.5的运行环境下,使用MATLAB自带地图数据库。其中焦距为12 mm,CCD像素尺寸为5.2μm×5.2μm,漫反射球面半径为25 cm,射角为π/20。得到以北极点为顶点提取的图形数据图5(a)和转动到以成都(东经105°,北纬30°)为顶点提取的图形数据图5(b)。本实验可以得到任意角度为顶点的数据。

3 实物测试实验

3.1 条纹变化实验

本实验使用一个半径为25 cm的漫反射球面。采用斜投影,正拍摄的方式。所用的投影器是基于DMD的数字投影器DLP,分辨率为1024×768,CCD的分辨率是1024×768。投射的条纹图是垂直方向的正弦条纹图,周期是30个像素。测量过程中的变形条纹图为图6(c)。图6(b)是使用四邻域线性插值处理得到的反向条纹。

3.2 图形信息

在建立的三维信息数据库中提取所需的地球信息,图7(a)、图8(a)分别为以北极为观察点和以成都(东经105°,北纬30°)为观察点的图形信息。根据反向映射关系找到其反向投影图,如图7(b)、图8(b)。

将直接提取的地球信息直接投影到背景球面,得到的结果有明显变形,如图7(c)、图8(d)。最后将反向投影图投影到背景球面上,得到准确的地球信息,如图7(d)、图8(d)。

实验结果表明,将获取的三维信息直接投影到背景球面上会有明显的变形,图形的位置和形状都发生了变化。反向条纹投影技术有效解决了这一问题,获得比较准确的图形。

4 结论

数字地图投影 第7篇

关键词:测量系统分析,R&,R,叶丝宽度,MINITAB软件

测量系统分析是指用统计学的方法来了解测量系统中的各个波动源, 以及它们对测量结果的影响, 最后给出本测量系统是否合乎使用要求的明确判断[1]。测量系统是一个过程, 测量过程由人、量具、测量方法和测量对象构成的过程整体, 过程的输出为产品的测量值。测量系统由分辨力、偏倚和线性、R&R (重复性和再现性) 、%研究变异比 (%P/TV) 和%研究公差比 (%P/T) 等指标来评价系统的优劣[2]。

切叶丝工序是制丝生产线上的重要工序之一, 主要是把含水率与温度合适的片烟切成规定宽度的叶丝。叶丝宽度对卷烟的物理指标和感官质量具有不同程度的影响[3], 在烟草加工过程中, 如何准确测量切丝宽度, 并对切叶丝机运行状态和切丝质量进行评价, 是保障切丝质量的关键任务之一。现以实验室烟草数字投影仪 (TPI150-Ⅱ) 为例, 借助MINITAB工具来分析评价该仪器对叶丝水分的测量能力。

1 切丝宽度试验设计

1.1 实验原理

测量结果输出值的总波动中包括了过程的实际波动和测量系统的波动。测量数据的总方差 由测量对象的方差 与测量系统的方差 组成, 首先建立测量系统的波动模型为:

测量总变差可分解为:

式中, 是操作员与零件的交互作用方差。

对上式两端各乘以62, 则

式中, TV称为测量总波动;PV为测量对象间的波动。重复性误差是同一个操作者使用同一套测量设备, 对同一测量部件的同一特性在较短时间间隔内进行多次测量, 所得结果一致性。该误差全部由测量设备本身固有波动引起, 因此重复性又称为设备波动 (EV, Equipment Variation) 。再现性是在各种可能变化的测量条件下, 对同一测量部件的同一特性进行多次测量, 所得结果一致性。该误差主要由不同操作人员引起, 因此再现性又称为人员波动 (AV, Appraiser Variation) 。因此测量系统的波动 (R&R) 2= (AV) 2+ (EV) 2。

测量过程是否有能力准确可靠地反映被测对象的波动是测量系统分析所关注的, 对测量系统的能力作出评价的方法有2种。

(1) 用测量系统的波动R&R与总波动TV之比来度量, 通常记为P/TV。

(2) 用测量系统的波动R&R与被测对象质量特性的容差 (公差) 之比来度量, 通常记为P/T。

在评价测量系统的性能时, 通常采用的标准如表1所示。

1.2 实验步骤

《卷烟工艺规范》[4]规定的切丝宽度为0.7~1.1mm, 广西中烟工业有限责任公司规定的切丝宽度为1.0±0.1 mm。首先从被测样品中选出10根可以代表过程变差范围的烟丝, 将其编号, 编号不让检验员看到。

随机选3个检验员, 每个检验员按照随机的顺序分别去测量这10根烟丝, 逐一记录测量结果。

每根烟丝测量2次, 将所有记录按固定顺序整理好, 并将所有测量数据记录如下表2, 进行整个测量系统的分析。

2 测量系统分析应用

将表2中数据分为样品号、检验员、测量数据3列对应输入Minitab工作表, 选择“统计>质量工具>量具研究>量具R&R研究 (交叉) ”, 勾选“方差分析” (含检验者与部件交互作用) 后, 在选项中确认6倍标准差和0.1的公差。可以得到Minitab图形输出窗口如下图:

从测量系统能力判定来看:方差分量贡献率4.65% (1~10%) %、研究变异21.56% (10~30%) %、可区分的类别数6 (>5) 。说明该测量系统可用。

由以上的分析, 说明该测量系统对于叶丝宽度的测量是可接受的。

3 结论

烟草数字投影仪 (TPI150-Ⅱ) 在测量烟草叶丝宽度时, 容易受到环境、人员、仪器等多方面的影响, 而无法对其进行计量型数据的测量系统分析。通过这种测量系统分析的改良方法, 使我们有办法解决这个问题。这种改良的方法是应用交叉的方法实现R&R (重复性和再现性研究) , 并用来判断人员和仪器等因素对烟草数字投影仪测量系统的影响。

通过上述试验分析, 叶丝宽度测量系统的测量能力判定是研究变异比 (%SV) 需小于30%, 有的甚至达到小于10%, 同时可区分的类别数的数值均大于等于5。因此这种叶丝宽度的测量分析方法完全可以接受[5]。

通过测量系统分析, 可以更加准确地了解烟草制丝生产中切丝质量的控制水平, 增强切丝工序的质量保证能力。

参考文献

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[2]白旭.测量系统分析 (MSA) 在计量工作中的应用[J].计量与测试技术, 2007, (9) :58-59

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[4]国家烟草专卖局.卷烟工艺规范[M].北京:中央文献出版社, 2003.

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