最新刊期
      2024 年 第 32 卷 第 16 期

        现代应用光学

      • “最新研究突破，开发出基于窄带LED照明的双波段基因测序荧光显微成像系统，实现高分辨率成像，推动基因测序仪小型化、低成本发展。”
        刘美辰,孟庆宇,张洪文,王克军,李云辉,王思琦,王江南
        2024, 32(16): 2455-2463. DOI: 10.37188/OPE.20243216.2455
        摘要：荧光显微成像系统是基因测序仪的关键模块之一，为了确保基因测序的准确性，荧光成像系统要能够实现高分辨率，高质量成像。为满足对基因测序仪小型化，低成本，高分辨率的需求，本文设计了一种基于窄带LED照明的双波段基因测序荧光显微成像系统。首先，根据荧光显微成像的基本原理，利用临界照明原理设计基于LED的照明系统，通过仿真分析优化照明均匀性，并利用分束镜完成高分辨率、高成像质量的成像系统设计。通过设计方案完成了样机研制，并验证了成像性能。根据测试结果显示，所设计的显微系统XY方向分辨率为0.8 μm，照明均匀性优于80%，满足高分辨率成像要求。相较其他系统而言，该系统整机具有小型化，低成本的特点，满足基因测序需求，在发展小型化基因测序仪领域具有重要应用前景。  
        关键词：基因测序;LED照明;荧光成像;光学系统   
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        发布时间：2024-09-27
      • “在冶金领域，中厚板平整度检测技术取得突破，采用机器视觉和高斯拟合算法，实现高精度测量，为压力矫平提供数据支持。”
        时浩,邓高旭,李正楠,王荣军,马立东
        2024, 32(16): 2464-2473. DOI: 10.37188/OPE.20243216.2464
        摘要：在冶金行业中，中厚板是主要产品之一，其平整度是评估钢板质量的重要指标。压力矫平现场还依赖于人工测量，无法准确地表征板材平整度。为了提高检测的准确度及高效性，提出了一种基于机器视觉的平整度测量方法。基于高精度的三维视觉扫描技术，结合高斯拟合算法，利用高斯系数构建特征值，建立高斯特征值与实际板材弯曲高度的映射关系，构建基准平面，计算点云坐标值与基准平面的距离，结合RGB颜色模型绘制板形云图，在此基础上给出压力矫平添加垫板的位置。实验表明，所提出的方法计算误差不大于0.3 mm，可以实现对中心凸起或边缘翘曲钢板的测量，同时板形云图反映了板形分布状况及垫板位置。该度量方法可以准确测量中厚板的弯曲量，可以为压力矫平提供数据支持。  
        关键词：激光点云;板形检测;平整度;高斯拟合;映射   
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        发布时间：2024-09-27
      • “在光电瞄准吊舱领域，国外专家定义了四个评价标准，对典型第三代吊舱进行了对比分析，揭示了技术趋同化特点，为吊舱性能评价提供了新视角。”
        李剑,赵祥杰,张大勇
        2024, 32(16): 2474-2491. DOI: 10.37188/OPE.20243216.2474
        摘要：对国外转塔式光电瞄准吊舱进行了划代，介绍了典型第三代吊舱的主要技术特点，定义了衡量光电吊舱集成度的四个评价标准：通光孔径与舱体直径之比、通光孔径的立方与系统重量之比，舱体直径的立方与系统重量之比以及有效载荷重量与系统重量之比，实现了从宏观层级对性能相近的光电瞄准吊舱功能密度或技术水平的定量评价。介绍了国外典型装备的发展状况，重点针对美国MTS-B吊舱、土耳其ASELFLIR350吊舱及之后的400/500、加拿大MX-15D吊舱、法国EUROFLIR410吊舱和德国ARGOS II HDT等典型产品进行了对比分析，介绍了各自的技术风格、特点和重要载荷；通过正向设计评估验证了MTS-B前置望远系统的性能指标和ASELFLIR350的光学有效载荷；总结了现代光电瞄准吊舱的几大趋同化技术特点：多波段共孔径折反式主系统+旁轴小口径次系统的光机架构正取得共识、多种波段的激光探测技术日益倾向主动光学方向、基于多轴多框平台和快反镜相结合的复合轴控制技术正在普及、详查探测更注重目标细节区域增强、多波段图像融合信息处理技术在显控中越发重要。  
        关键词：光电瞄准转塔;多波段共孔径;前置望远系统;复合轴控制;光斑探测   
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        发布时间：2024-09-27

        微纳技术与精密机械

      • “在生物工程领域，研究人员提出了一种新型薄胶微电铸工艺，成功制备出尖端曲率半径为纳米尺度的阵列镍微针，为阵列镍微针的批量化制备奠定了基础。”
        王华安,李晓建,尹鹏和,宋佳忻,张宇,梁军生
        2024, 32(16): 2492-2503. DOI: 10.37188/OPE.20243216.2492
        摘要：阵列镍微针具有机械强度高、导电性好等优点，广泛应用于生物工程等领域。微电铸工艺凭借其复制精度高、适应性广等优点，已成为制备镍微针的可靠方法。然而，在微电铸工艺中，通常需要使用与铸层厚度相同的光刻胶模具，导致厚胶微电铸时面临微结构处存留残胶、胶层难以去除等问题。为了解决上述问题，获得尖端曲率半径为纳米尺度的阵列镍微针，我们提出了镍基阵列微针的薄胶微电铸制备工艺并进行实验验证。首先，利用（100）型单晶硅的各向异性刻蚀特性制备阵列锥坑硅模具；接着，在硅模具表面溅射一层厚度为200 nm的镍种子层；然后，使用光刻工艺制备微针支撑梁薄胶模具；最后，对硅模具进行微电铸，释放阵列镍微针。实验结果表明：本实验采用的方法可以在不损伤硅模具的前提下，得到尺寸平均偏差1.7 μm、绝对位置平均偏差1.8 μm、尖端平均曲率半径150 nm的阵列镍微针；使用厚度为~2 μm的RFJ-60负性光刻胶作为微电铸的模具，成功制备出厚度为~24.3 μm的阵列镍微针支撑梁。此外，通过将SiO2侧蚀量补偿进光刻掩膜版图形尺寸的方法，将镍微针相对尺寸误差降低至1%。结合微电铸工艺和单晶硅的各向异性刻蚀特性，能够高质量、高效率地制备阵列镍微针，为阵列镍微针的批量化制备奠定了基础。  
        关键词：阵列镍微针;硅模具;微电铸工艺;侧蚀量补偿   
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        发布时间：2024-09-27
      • “在压电平台控制领域，研究者提出了自适应分数阶滑模控制方法，有效降低指令跟踪误差，提升系统性能。”
        孙明超,彭佳琦,宋悦铭
        2024, 32(16): 2504-2512. DOI: 10.37188/OPE.20243216.2504
        摘要：为了实现压电平台高精度指令跟踪控制，针对其存在的严重迟滞问题，本文提出了一种自适应分数阶滑模跟踪控制方法。首先，根据Duhem模型结构将分数阶算子和自适应律引入到滑模面的设计过程中，增加滑模面的自由度可变性并实现了滑模面参数的自适应调节；其次，利用不确定和干扰估计方法代替传统的滑模控制器切换项，解决了滑模控制器存在的抖振问题并提高了控制器的鲁棒性。最后，通过压电平台指令跟踪控制实验结果表明：相较于PID和传统的滑模控制方法，提出的自适应分数阶滑模控制器的指令跟踪误差减小了80%以上，在50 Hz参考指令信号下自适应分数阶滑模控制器将压电平台的平均跟踪误差降低到0.41 μm。因此，自适应分数阶滑模控制方法具有更加优越的跟踪性能。  
        关键词：压电平台;迟滞非线性;自适应控制;分数阶;滑模控制   
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        发布时间：2024-09-27
      • “在星敏感器领域，研究人员开发了CMOS电路板靶面自动装调设备，采用非接触式测量，提高了装调精度和产品一致性，为星敏感器成像质量提供了保障。”
        任同群,曹润嘏,张国锐,石权,崔璨,孔帅,王晓东
        2024, 32(16): 2513-2522. DOI: 10.37188/OPE.20243216.2513
        摘要：CMOS电路板靶面是星敏感器结构中的关键部分，其安装姿态影响离焦距离的准确性，进而影响星敏感器成像性能。因此，靶面的装调是确保星敏感器成像质量的重要环节。当前，靶面装调主要依靠人工装调完成，存在装调精度低、产品一致性差、周期长等问题，导致产品的良品率较低。为此，研制了一台星敏感器CMOS电路板靶面自动装调设备。采取非接触式测量方式，集成测量模组与微动平台完成CMOS靶面与基准面的相对位姿测量，解决由星敏感器特殊结构造成的狭小空间内高精度测量难题。设计调整机构实现零件任意角度翻转，消除测量方向与装配方向不一致造成系统结构布置复杂的影响。最后，对测量系统进行精度分析，采用局部枚举法开发了调整垫片研磨量算法，解决由平面姿态单一已知量反求多垫片研磨量的欠定问题。实验结果表明：该系统可实现靶面自动装调功能，测量系统的重复性为1.6′，满足技术指标要求。  
        关键词：星敏感器;CMOS电路板靶面;自动化装调;精度分析   
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        发布时间：2024-09-27

        信息科学

      • “在医学图像处理领域，研究者提出了一种新型的渐进式CNN-Transformer网络，有效提升了结肠息肉分割的精度，为提高诊断准确性提供了新方法。”
        李大湘,李登辉,刘颖,唐垚
        2024, 32(16): 2523-2536. DOI: 10.37188/OPE.20243216.2523
        摘要：针对结肠镜图像中息肉大小不一、形态复杂、息肉与黏膜界限不清导致分割精度较低的问题，提出了一个渐进式CNN-Transformer语义补偿息肉分割网络，以提高结肠息肉的分割精度。为了更好地利用来自CNN编码器的局部特征和来自Transformer编码器的全局特征，设计了一个同层特征交互耦合模块，通过分组交互耦合的方式在空间和通道两个维度上自适应融合来自CNN和Transformer编码器的特征；然后，针对解码过程中上采样导致的语义丢失问题，设计了一个基于Query的语义补偿模块，通过一组可学习的描述子渐进式地集成和分发图像语义，有效提升网络的特征判别能力；实验结果表明，所提网络在CVC-ClinicDB，CVC-300，Kvasir以及CVC-ColonDB公开数据集上，mDice分别达到了94.23%，90.36%，92.93%，80.26%，mIoU分别达到了89.87%，83.75%，88.21%，72.09%。与现有的分割网络相比，该网络能够在提升息肉分割有效性的同时保证其泛化性。  
        关键词：息肉分割;卷积神经网络;Transformer;特征交互;语义补偿   
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        发布时间：2024-09-27
      • “在自动驾驶领域，研究者提出了一种基于激光雷达点云地图的定位与导航方法，通过点云分割和算法优化，显著提升了定位精度和导航路径的平滑性。”
        马庆禄,白锋,张杰,邹政
        2024, 32(16): 2537-2549. DOI: 10.37188/OPE.20243216.2537
        摘要：为解决自动驾驶系统中车辆自主定位与导航无法准确估计车身位姿及导航路径不够平滑等问题，提出一种基于先验激光雷达点云地图的定位与导航方法。利用点云分割技术分离出可行区域以及潜在的风险源，研究基于优化收敛流程的NDT（Normal Distribution Transform）点云配准定位方法，并对传统A*算法从动态权重设计和扩展领域优先搜索策略两方面进行改进，以适应自动驾驶的实时定位与导航需要。实验采用百度Apollo自动驾驶开发套件（D-KIT）进行多组对照实验，在体素降采样Leafsize参数为1（高采样）、1.2（中采样）与1.5（低采样）时，定位耗时分别降低了27.77%，38.75%和38.30%。选取四组符合实际驾驶需求情况进行导航实验，改进后导航路径最大曲率分别降低了80.9%，74.9%，65%，69.5%，导航过程路径曲率保持较低且稳定平滑，曲率数据符合车辆动力学。为车辆定位与高精度导航提供有效方法。  
        关键词：自动驾驶;点云配准;路径规划;点云处理;扩展邻域   
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        发布时间：2024-09-27
      • “在图像分割领域，研究者提出了一种新的统计范数方法，有效提升了灰度不均匀图像的分割精度和速度。”
        李更生,刘国军
        2024, 32(16): 2550-2563. DOI: 10.37188/OPE.20243216.2550
        摘要：主动轮廓模型（Active Contour Model， ACM）已成为最常用的图像分割工具之一，但在处理灰度不均匀的图像时，现有的算法比较耗时而且会导致分割精度急剧下降。为此，本文结合局部图像信息，提出了一种统计范数用于图像分割。首先，利用新的偏置场模型来建模图像，将图像的灰度不均匀性分解为观测图像的一个分量。与传统的乘性偏置场相比，加性偏置场模块使能量泛函能够从新的维度提取图像的纹理信息。其次，采用局部信息融合的策略，计算轮廓内外的特征拟合图。最后，利用统计范数刻画特征拟合图与原始特征图的相似度。因此，新设计的能量泛函通过利用分层局部特征、全局空间一致性和多尺度抽象表示等来处理具有复杂背景的图像。实验结果表明：分割非同质医学图像，本文模型仅仅需要迭代50次，其他模型均在100次以上；算法运行时间仅仅需要8 s，但其余模型远远高于8 s。同时，采用客观评价指标评价所提出的算法：DC指标的平均值是0.985 1，FP指标的平均值是0.005 2，JCS指标的平均值是0.970 6，P指标的平均值是0.994 7，TP指标的平均值是0.975 7。本文模型能够提取更多的纹理结构信息，并且对灰度不均匀和初始轮廓具有较强的鲁棒性。  
        关键词：活动轮廓;统计范数;加性偏置场;水平集;灰度不均匀   
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        发布时间：2024-09-27
      • “在视频超分辨率领域，研究者设计了轻量级重建网络，提升了特征提取并降低计算复杂度，实现了快速准确的视频超分辨率重建。”
        夏振平,陈豪,张宇宁,程成,胡伏原
        2024, 32(16): 2564-2576. DOI: 10.37188/OPE.20243216.2564
        摘要：针对三维卷积神经网络在视频超分辨率任务上具有较高的计算复杂度以及提取时空特征有限的问题，本文设计了一种基于混合时空卷积的轻量级视频超分辨率重建网络。首先，提出了一个基于混合时空卷积的模块，实现了网络时空特征提取能力的提升以及计算复杂度的降低；其次，提出了一个基于相似性的选择性特征融合模块，进一步增强了相关特征的提取能力；最后，设计了一种基于注意力机制的运动补偿模块，在一定程度上减轻了错误的特征融合的影响。实验结果表明：所提网络可以在视频超分辨率性能和网络复杂度之间取得很好的平衡，而且在基准数据集SPMCS-11上4倍超分辨率达到8 frame/s。所提网络满足了边缘设备推理运行中快速、准确等要求。  
        关键词：视频超分辨率;深度学习;三维卷积神经网络;特征融合   
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        发布时间：2024-09-27
      • “在机器视觉领域，研究者提出了一种圆柱曲面位姿估计的图像校正方法，有效解决了透视投影失真问题，为圆柱物体表面缺陷检测提供了新方案。”
        段智威,夏晓华,贺鹏程,胡鹏
        2024, 32(16): 2577-2589. DOI: 10.37188/OPE.20243216.2577
        摘要：机器视觉是检测圆柱物体表面缺陷的重要手段，正对圆柱物体拍摄图像的透视投影失真易于校正但拍摄条件十分苛刻，倾斜状态是圆柱物体视觉检测的常态。针对任意位姿圆柱物体表面透视投影导致的失真变形问题，提出一种基于圆柱曲面位姿估计的图像校正方法。该方法在提取圆柱图像两侧边线的基础上，利用圆柱半径和系统成像参数估计圆柱曲面与相机之间的位姿关系，通过建立的圆柱曲面位姿变步长优化迭代算法，实现圆柱曲面位姿精确计算。在此基础上，构建圆柱曲面细分网格点与原始图像像素坐标点的对应关系，然后将曲面展开为平面，建立展开的细分网格点与校正图像像素坐标点的对应关系，从而创建校正图像像素坐标点与原始图像像素坐标点的映射关系，对原始图像进行重采样得到校正图像。实验结果表明，圆柱曲面位姿估计的平均距离误差为0.3 mm、平均角度误差为0.60°；表面贴有棋盘格圆柱物体的图像相邻角点的平均距离标准差从校正前的12.2 pixels降至校正后的0.8 pixels；校正后的实际场景图像能有效识别出圆柱曲面上的文字，圆柱曲面上缺陷的测量误差不超过0.1 mm。校正后的圆柱物体图像消除了圆柱曲面倾斜投影失真和“近大远小”透视变形，验证了提出方法的有效性。  
        关键词：计算机视觉;图像校正;任意位姿圆柱曲面;透视投影失真;位姿估计   
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