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最新刊期

2023 年第 8 期

现代应用光学

Gaia星表的合成光度仪器星等估计方法
安悦晗,武延鹏,孟小迪
2023, 31(8): 1107-1114. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1107

摘要：为满足星敏感器灵敏度的测量、导航星表的建立、空间目标的捕获等任务需求，需要精确的仪器星等作为数据支持。本文对仪器星等计算的方法及测光系统方面展开研究。首先，结合仪器星等计算原理介绍了以GaiaDR2星表为数据源的基于合成光度法的Gaia仪器星等计算方法，即基于 $G$ ， $G_{B P}$ ， $G_{R P}$ 星等系统的合成光度计算及色指数模型。其次，利用星表数据进行实例计算，并对仪器星等计算精度及色指数模型进行比较分析。最后，对星敏感器在轨图像进行孔径测光，得到实际仪器星等结果与计算结果进行对比验证，并结合实际星等比较本文提出的方法与UBV色指数拟合法的结果。结果表明，Gaia星表的合成光度仪器星等估计方法与UBV色指数拟合法计算仪器星等与实际仪器星等差 $(M_{c} - M_{r})$ 标准差分别为0.066和0.075。本文提出的方法达到了较高的仪器星等计算精度且能够满足实际应用需求。
关键词：仪器星等;Gaia星表;色指数;合成光度学

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发布时间：2023-05-04
利用单光纤光镊实现不同折射率的微粒分选
钟慧,高丙坤,党雨婷,赵忖,姜春雷
2023, 31(8): 1115-1123. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1115

摘要：为解决在进行不同折射率的微粒分类时遇到的问题，本文提出了一种采用熔融法拉伸的抛物线型光纤探针，所得到的出射光场对于浸没在水溶液中的不同折射率的微粒具有不同的操作能力，可以达到微粒分类的目的。我们将波长为980 nm的激光通入光纤探针中，操控光纤在液体中实现对二氧化硅（SiO₂）、聚苯乙烯（PS）和酵母菌细胞三种不同折射率的微粒及细胞的捕获和传输，进而实现不同微粒的分类。基本上实现了对三种微粒在1~10 μm范围内的操控和分类。通过仿真验证了这种抛物线型光纤探针对三种微粒具有不同捕获能力，所得到的理论和实验结果保持一致。使用该方法对微粒进行分类，可以简化实验装置，并且在无标签混合光纤传感器的开发和传染病检测或细胞分类等方面有广泛应用。
关键词：光纤光镊;折射率;细胞筛选;微粒分类

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发布时间：2023-05-04
0.05~0.1 MPa宽气压环境下校准光源光学系统设计
董大鹏,于信,汪逸群,潘国涛,白素平
2023, 31(8): 1124-1135. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1124

摘要：激光武器已经成为未来大国战略制衡，改变战争样式的重要手段。它通常采用以哈特曼波前探测为反馈的自适应光学（AO）系统提升光束质量，保证毁伤效果。但由于环境中气压的改变，空气折射率、玻璃材料折射率发生变化从而引入额外的波前探测误差，难以保证光束质量。校准光源的引入可以实时标定AO系统，去除系统误差，保证校正效果，但同时也要求了校准光源的绝对稳定。因此本文设计了一款适用于宽气压范围的校准光源。首先，基于气压对光学系统的影响，通过分析像面位移系数和材料折射率关系，采用合理搭配光学材料，分配光焦度的方法补偿气压对光束质量的影响；再次，建立光学系统仿真模型，分析系统的波像差的稳定性和公差分配，为实验平台的搭建提供基础；最后，建立实验平台、验证设计结果。结果表明：气压在0.05~0.1 MPa范围内，相比于0.1 MPa的工作点，波像差呈先降低再上升的趋势，0.08 MPa达到最小，波像差PV值从0.087 4λ变动到0.019 8λ，最大变动量为0.067 6λ。校准光源的稳定性得到了满足，实现了对压强变化的有效补偿。
关键词：激光武器;自适应光学;校准光源;宽气压;波像差

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发布时间：2023-05-04

微纳技术与精密机械

应用于反射式编码器的光电集成芯片设计
杨雪,梁煜,张为,王熙,郝东宁
2023, 31(8): 1136-1149. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1136

摘要：为满足反射式光电编码器的应用需求，设计一款集成光电二极管阵列、跨阻放大器、全差分放大器以及偏置电路的光电芯片。首先，根据反射式编码器的成像原理设计光电二极管阵列。然后，设计可调增益跨阻放大器、全差分驱动放大器级联作为增量信号处理链路，降低读出信号的噪声同时提高带负载能力。接着，集成具有宽电源电压输入范围以及较好的电源纹波抑制能力的偏置电路。基于0.35 μm光电CMOS工艺进行流片，通过搭建测试环境，光电集成芯片可以在3.5~6 V宽电源电压范围内正常工作，且在电机转速6 000 r/min内输出的增量信号正交性良好。角度测量结果表明，正反转情况下角度测量误差最大值分别为4.752″和5.04″。在5 V供电电压下电路的直流功耗为66.5 mW，整体芯片面积为5.91 mm×2.81 mm。能够满足光电芯片高度集成化、较好的信号正交性、宽电源电压输入范围、高电源纹波抑制能力等要求，适用于反射式光电编码器。
关键词：光电芯片;反射式编码器;增量信号;偏置电路;可调增益放大器

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发布时间：2023-05-04
基于双目视觉与罗德里格斯旋转的机械臂全工作空间域绝对定位精度提升方法
韩彭威,段发阶,李杰,吴凌昊,王霄枫
2023, 31(8): 1150-1161. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1150

摘要：机械臂的绝对定位精度较低，目前常采用基于运动回路法的运动学标定来提高机械臂绝对定位精度，但标定空间的大小限制了机器人全工作空间域绝对定位精度。为此，本文提出了一种利用双目视觉及二维棋盘格靶标相融合的机械臂全工作空间域绝对定位精度提升方法。首先，使机械臂单轴转动，利用双目相机记录单轴旋转轨迹，利用罗德里格斯旋转进行空间圆拟合，得到机械臂的旋转轴线，根据D-H法则建立关节坐标系，根据关节坐标系之间的相对位置关系解算出机械臂的运动学参数。其次，通过分析关节实际转角与编码器输出值之间的关系标定关节电机减速比。最后，通过实验对所提方法进行验证，并与多种精度提升方法进行对比。实验结果表明，通过本文方法进行标定后机械臂的绝对定位精度相对标定前提升了67%，在标定空间内外效果一致，可提高机械臂全工作空间域的绝对定位精度。
关键词：机械臂;运动学标定;减速比标定;视觉测量

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发布时间：2023-05-04
全气体静压环形抛光机床的研制及应用
张楚鹏,孙家政,梅子进,农志宇,陈肖
2023, 31(8): 1162-1173. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1162

摘要：针对单轴抛光机面形控制难度大、较多依赖人工经验，无法满足光学元件激增的数量和精度需求的问题，提出研制一种新型超精密环形抛光机床。首先引入抛光盘跳动为变量构建基于Preston公式和赫兹接触理论的材料去除模型；模型仿真分析表明抛光盘跳动误差变化会导致材料不均匀去除，而主轴跳动误差和导轨直线误差会直接影响抛光盘的面形修正和测量精度。然后基于此结论，利用静态、模态、谐响应分析对机床整体布局和横梁支撑形式进行优化；同时设计气体静压导轨和主轴以提高直线运动精度和主轴回转精度。最后为了验证机床精度和加工指标，采用LK-G5000激光传感器检测导轨和转台的运动误差分别优于1.2 μm/400 mm和0.4 μm。对⌀300 mm的UBK7光学元件进行抛光，8小时后粗糙度和PV值分别优于R_a0.56 nm和1/10λ。结果表明：所研制的超精密环形抛光机床达到了设计要求。
关键词：超精密机床;环形抛光;气体静压主轴;气体静压导轨;材料去除模型

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发布时间：2023-05-04

信息科学

基于深度学习的多尺寸汽车轮辋焊缝检测与定位系统研究
潘睿志,林涛,李超,胡波
2023, 31(8): 1174-1187. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1174

摘要：为了实现汽车轮辋生产装备自动化与智能化，提升汽车轮辋的生产效率，降低人工成本，本文提出了一种基于YOLOv5s算法的多尺寸汽车轮辋焊缝检测与定位系统。首先，由图像采集装置拍摄实际生产中的多尺寸轮辋焊缝图像，构建轮辋焊缝数据集，使用K-means算法重新生成数据集锚定框，提升网络的收敛速度和特征提取能力；其次，引入CBAM（Convolutional Block Attention Module）混合域注意力机制，提高模型对于轮辋焊缝关注度，减少背景干扰；然后，采用EIOU（Efficient Intersection Over Union Loss）边框位置回归损失函数，提高轮辋焊缝识别框的准确率；最后，增加了ASFF（Adaptively Spatial Feature Fusion）自适应特征融合网络，使目标检测模型对多个级别的特征进行空间滤波。实验结果表明，改进后的算法准确率和mAP0.5分别达到了98.4%和99.2%，相比于原YOLOv5s算法分别提高了4.5%和3.7%。训练好的模型采用推理加速框架TensorRT进行加速部署在工控机上，搭配视觉检测软件与工业触摸屏形成交互及显示平台，经过在实际生产环境对多批次不同尺寸的3000个轮辋焊缝验证，其漏检率在0.5%左右，满足汽车企业对于多尺寸轮辋焊缝检测精度要求。
关键词：焊缝;损失函数;YOLOv5s

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发布时间：2023-05-04
面向点云识别网络的显著图生成
梁奥,张浩,花海洋
2023, 31(8): 1188-1201. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1188

摘要：点云结构上的特殊性质，导致解释其深度模型学习特征的结果存在困难。提出了一种获得点云目标识别模型显著图的方法，首先在点云空间中随机释放若干自由因子并输入到模型中，然后根据设计的贡献度评价指标，基于梯度下降使骨干网络输出的池化特征尽可能偏离目标点云识别过程中输出的池化特征并更新因子位置。迭代后的因子无法参与识别过程，其对模型的预测“零贡献”，将目标点云中的点移动到这些因子的位置后对识别结果的影响与丢弃该点完全相同。点的移动过程可微，最后可根据梯度信息获得显著图。本文的方法在ModelNet40数据集上生成PointNet模型的显著图，相较于用点云中心生成显著图的方法，理论依据更强且适用的数据集更多。移动点至“零贡献”因子位置后对模型的影响较移动点至点云中心与丢弃点更相似。按本文的方法丢弃点使模型精度下降得更快，在仅丢弃100个点的情况下，模型的OA（overall accuracy）由90.4%下降至81.1%。同时经DGCNN和PointMLP评估，该显著性结果具有良好的通用性。该方法生成的显著性分数精度更高，且由模型驱动不含任何假设，适用于绝大多数点云识别模型和数据集，其显著性分析结果对目标识别网络的搭建与数据增强具有指导意义。
关键词：点云;显著图;目标识别;深度学习;可解释性

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发布时间：2023-05-04
结合视差补偿与3D数据处理的盲光场图像质量评价
程俊,郁梅,蒋刚毅
2023, 31(8): 1202-1216. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1202

摘要：与传统的2D图像相比，光场图像记录了场景中光线的强度和方向信息，在多媒体技术应用领域中占据着重要的地位。但在光场图像的产生、传输等处理过程中会不可避免地引入失真，影响用户视觉体验，因而需构建有效、准确的光场图像质量评价方法对其进行评估。本文基于光场图像的伪视频和极平面图像提出了结合视差补偿与3D数据处理的盲光场图像质量评价方法。首先，采用视差补偿模块处理光场图像伪视频序列，然后对经过视差补偿后的伪视频序列进行三维离散小波变换以及三维去均值对比度归一化处理，并提取频域和空域特征。同时，在极平面图像上提取方向梯度直方图特征表征其角度信息的失真。最后，运用支持向量机建立图像质量评价指标到主观质量得分的回归模型。所提算法在公开数据库NBU-LF1.0，Win5-LID和SHU上的PLCC分别达到0.886 1，0.928 7和0.976 9，实验结果表明，与经典的二维图像质量评价方法以及先进的光场图像质量评价方法相比，本文方法与主观质量评价结果的一致性更高。
关键词：光场图像质量评价;伪视频序列;视差补偿;角度一致性

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发布时间：2023-05-04
基于改进BiSeNet的实时图像语义分割
任凤雷,杨璐,周海波,张诗雨,何昕,徐文学
2023, 31(8): 1217-1227. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1217

摘要：为了提升图像语义分割算法的性能，使其同时满足准确性和实时性需求，本文提出了一种基于改进BiSeNet的实时图像语义分割算法。首先，通过使双分支网络头部共享以消除BiSeNet网络结构部分通道和参数的冗余，同时有效提取图像的浅层特征；然后，将上述共享网络拆分为由细节分支和语义分支组成的双分支网络，并分别用于提取空间细节信息和语义上下文信息；此外，在语义分支尾部引入通道和空间注意力机制以增强特征表达能力，通过使用双注意力机制对BiSeNet算法进行优化以更有效地提取语义上下文特征；最后，对细节分支和语义分支的特征进行融合并通过上采样操作恢复至输入图像分辨率大小以实现图像语义分割。本文算法在Cityscapes数据集以95.3FPS的实时性表现达到77.2% mIoU的准确性；在CamVid数据集以179.1 FPS的实时性表现达到73.8% mIoU的准确性。实验结果表明，本文算法在实时性和准确性方面获得了很好的平衡，其语义分割性能相较于BiSeNet算法及其它现有算法得到了显著的提升。
关键词：语义分割;注意力机制;实时性;深度学习

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发布时间：2023-05-04
基于人体骨架信息的行人再识别研究综述
贾梦瑜,张继凯,马茹,吕晓琪
2023, 31(8): 1228-1243. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1228

摘要：行人再识别的主要任务是利用计算机视觉从不同的摄像机中检索出相同身份的人，对特定的行人进行匹配和检索，此研究可以广泛应用于智能视频监控、智能安保等领域。相比于其他易受改变的人体外观特征，提取人的骨架信息作为鉴别特征更具有鲁棒性。为了了解该领域的发展现状，辅助该领域的研究者们进行更深入的探索，本文重点研究了基于人体骨架信息的行人再识别方法，根据算法包含的特征信息，将其分为独立式和混合式，混合式除人体骨架信息外还分别包括RGB-D图像特征和步态特征，之后对不同方法进行了比较，其次在主要数据集上对不同方法进行了评估，最后对此研究的问题与挑战进行了总结并对未来发展趋势进行了展望。
关键词：行人再识别;骨架信息;RGB-D图像;步态特征

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发布时间：2023-05-04
基于光线散射衰减模型的低照度图像增强
石吉豪,钟羽中,郑秀娟,佃松宜
2023, 31(8): 1244-1255. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1244

摘要：针对传统图像增强算法在总体照度低且光照分布不均的环境内易造成图像过度增强和自然度保存能力弱的问题，提出了一种基于光线散射衰减模型的低照度图像增强算法。首先，本文提出了光线散射衰减模型，该模型合理解释了非均匀光照分布的成像过程，其次，通过Max-RGB滤波器分别估计每个像素的照度，初始化照明图，然后，根据光照随图像分割区域入射角、入射距离平滑衰减的特性，利用深度信息和梯度信息优化光照分量，获得精确照明图；此外，利用暗通道先验中的透射率所具有的局部相似性来约束反射分量估计；最后，通过提出的光线散射衰减模型融合优化光照分量和反射分量，获得最终的低照度增强图像。通过与NPE，LIME，HE，ALSM，MSRCR，MF，WV_SIRE算法比较，在不同场景的低照度图像上，无参考各向异性质量评估器（BIQAA）最大为0.019 6，模糊检测累积概率（CPBD）最大为0.680 1，无参考空间域图像质量评估器（BRISQUE）最小为21.471 5，自然图像质量评估器（NIQE）最小为2.699 5，综合性能优于其他对比算法。实验结果表明，本文算法能够有效抑制噪声，提高图像对比度和亮度，更好地保留图像自然度。
关键词：低照度图像增强;光线散射衰减模型;深度信息;暗通道先验

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发布时间：2023-05-04
强度图像和偏振度图像融合网络的设计
闫德利,申冲,王晨光,唐军,刘俊
2023, 31(8): 1256-1266. DOI: 10.37188/OPE.20233108.1256

摘要：为了弥补强度图像在阴暗处丢失纹理细节的劣势，结合偏振度图像的偏振特性，本文提出了一种强度图像和偏振度图像的融合方法。首先，构建编码器网络提取源图像的语义信息和纹理细节。随后，特征融合网络采用加法策略和残差网络进行图像特征融合。最后，通过解码器网络对融合后的图像特征进行重构获得最终的融合图像。此外，根据源图像和融合图像之间的结构相似性损失和梯度损失，本文提出了一种改进的损失函数来引导融合网络训练。实验结果表明：与其他6种方法中融合效果最好的改进的双通道脉冲耦合神经网络（MD-PCNN）相比，本文方法的客观评价指标平均梯度、信息熵、图像质量、标准差和改进的多尺度结构相似性分别提高了4.3%，1.0%，8.1%，2.5%，3.1%，图像噪声降低了8.8%，且克服了强度图像在阴暗处丢失纹理细节的问题。
关键词：纹理细节;残差网络;结构相似性;图像融合

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发布时间：2023-05-04

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