镜像式单摄像机双目视觉传感器的结构设计

针对传统双目视觉传感器体积大、测量效率低、成本高和图像采集需同步等缺点,建立镜像式单摄像机双目视觉传感器的结构模型,提出一种镜像式单摄像机双目视觉传感器的结构优化设计方法。传感器由单摄像机和两块呈一定角度的平面镜构成的镜像光学系统组成,摄像机置于镜像光学系统前,拍摄获得平面镜中对应同一被测物体的两个虚拟物体的一幅图像,图像中左右两半部分的同名特征对应被测物体的同一空间目标,等效于传统双目视觉传感器中左右摄像机分别采集的两幅图像中的同名特征。详细分析平面镜的尺寸、两块平面镜之间的夹角、平面镜与摄像机的距离等结构参数对视场范围和测量精度误差分布的影响,由仿真结果得出结构参数的合理取值范围,给出镜像式单摄像机双目视觉传感器结构参数的一般性设计原则与方法步骤。根据视场范围和测量精度的要求,确定镜像式单摄像机双目视觉传感器的关键结构参数。试验结果表明,提出的结构优化设计方法对工程应用具有实际指导意义。     

基于立体视觉的大尺寸工业测量系统

针对工业制造领域普遍存在的大型物体全尺寸测量难题,提出并实现了一种基于立体视觉技术的便携式工业测量系统。该系统采用多个CCD视觉传感器,获取被测物体的多视图像序列,通过前方交会由二维像点坐标计算物体表面点的三维坐标。全局关键点测量由多目立体视觉系统完成,使用CCD相机从多个位置和方向拍摄物体,获得多目视差照片,由测量软件二维处理并完成三维重建。局部区域密集点云的测量由双目立体觉系统完成,左右两相机同步拍摄由投影机投向物体表面的编码条纹,测量软件自动进行立体匹配和三维重建后获得物体表面局部的密集点云。最后测量软件根据局部的关键点完成密集点云的坐标系转换。实验表明,该系统的测量精度达到0.1mm/3m,可以满足工业现场大尺寸测量对精度和效率的要求。     

一种基于相位法的彩色三维形貌测量方法

基于相位法的三维形貌测量。提出了一种建立被测物体彩色三维形貌的方法。该方法采用主动光源投射一组光强呈余弦变化的光栅。并由一台黑白CCD工业摄像机对被测物体拍摄从而实现三维形貌的重建;然后对被测物体进行三色光投射。同时黑白工业摄像机拍摄被测物体,通过对所得图片进行分析。实现被测物体的色彩恢复。实验结果表明,该方法能够快速准确的获得被测物体的彩色三维形貌,色彩度误差小,可有效解决黑白工业相机无法进行色彩捕捉这一问题。     

融合深度图像与密度聚类的下一最佳测量位姿确定方法

针对机器人视觉自动测量中的下一最佳测量位姿确定问题,提出一种融合深度图像与密度聚类方法.该方法采用结构光双目视觉测量技术获得初始视角下被测物体的深度图像和三维点云数据,基于深度图像信息快速获取被测物体的边缘与密度聚类分析区域,基于密度聚类方法判定区域的复杂程度,进一步结合视场要求计算子区域权重,获得下一视场的最佳移动方向.利用趋势面分析预测下一最佳测量位姿的空间范围,采用深度图像信息获得趋势面分析全局区域,并快速获得中心趋势线的空间数据以确定下一最佳测量位姿.建立了Universal Robot 5 (UR5)机器人和视觉测量平台,对胡巴和海盗头像模型进行测量实验,验证了所提方法的有效性.     

二维图像三维重构系统开发与实现

为了解决无接触快速的识别及采集被测物三维相关参数,需研发基于二维图像物体3D重构系统。该系统以VC++和openC V为基础,利用了图像传感器获取两幅或多幅二维图像,基于多目视觉技术,实现了基于双目视觉的摄像头定标、立体匹配、三维重构及其可视化等功能,通过用双目视觉传感器获取图像后,对图像用StereoV ision算法进行3D重构,进而对图像进一步挖掘,获取实物的相关数据。通过实验,重建了图书的三维点云数据,并基于3D模型,重构图书三维信息及可视化。该系统可为今后基于3D模型,无接触实现物体三维测量奠定基础。     

大型自由曲面移动式三维视觉测量系统

本文介绍了一种移动式三维视觉测量系统，用于大型物体自由曲面的测量。传感器采用双目立体视觉方式，并结合编码结构光技术，使匹配过程简化。传感器移动到大型物体周围对各局部区域进行测量。采用一个平面靶标作为中介，建立了传感器位姿变换矩阵的优化目标函数，根据靶标上多个特征点求解出该矩阵，即拼接矩阵。传感器在各个位置所测三维数据通过拼接矩阵统一到全局坐标系下。视觉测量系统在2个位置对维纳斯石膏像进行了测量，并进行拼接。结果表明，该测量系统操作简单，适用范围广；x、y、z坐标拼接RMS误差分别为0．038mm、0．022mm和0．135mm。     

逆向工程中线激光-机器视觉集成坐标测量系统研究

将立体视觉和线激光扫描传感器集成到三坐标测量机（CMM）下，由立体视觉来获得物体的边界或轮廓信息、线激光扫描传感器获得物体表面的三维数据，利用多传感器的信息融合技术对三维数据进行分割，提取被测物体的几何特征，并在此基础上构建物体模型。多传感器集成坐标测量系统避免了单一传感器的局限性，从而为非接触测量系统在逆向工程中的应用开辟了新的途径。     

一种新型的双目立体视觉测量方法的研究

提出了一种双目立体视觉测量方法,该方法将光条投射到被测物体表面,简化了匹配过程,提高了匹配速度和精度。同时,测量系统加入了平移和回转平台,实现对被测物体的回转扫描,解决双目立体视觉技术的遮挡问题。最后进行了测量实验,验证了本文提出的测量方法的正确性和有效性。     

基于随机编码结构光的双目立体三维测量系统

基于双目立体视觉理论建立的三维测量方法具有非接触、大视场、较高精度以及实时性强等优点,因此在工业众多领域得到广泛的应用。立体匹配是实现双目立体测量的关键技术。为了提高匹配精度和鲁棒性,将一种随机编码结构光投射到被测物体表面,使物体表面具有丰富的纹理信息,从而使立体匹配不受自身表面纹理的影响,而且具有较强的抗外界噪音的能力,满足现场测量的要求。该方法仅需拍摄1次,完成一次三维测量仅需十几秒,因此能够应用到动态场景并且实现快速三维测量。     

线激光-立体视觉三维数据获取系统研究

通过将三目立体视觉和线激光扫描传感器两种物体表面三维数据获取设备集成到三坐标测量机(CMM),形成一种新型的反求工程中的数据获取系统,其中由三目立体视觉来获得物体的边界或轮廓信息、线激光扫描传感器获得物体表面的三维数据,利用多传感器的信息融合技术对三维数据进行分割,提取被测物体的几何特征,并在此基础上构建物体模型.采用这种多传感器集成坐标测量系统避免了单一传感器的局限性,从而为非接触测量系统在反求工程中的应用开辟了新的途径.     

Analysis of 3D shape and strain distributions of a deformable object using stereo vision

This paper proposes a method for analyzing three-dimensional shape and strain distributions of a deformable object using stereo vision. The three-dimensional coordinates of the surface points of an object have been calculated using stereoscopic method. The Fourier transform grid method is applied to high-precision 3D shape and strain distribution of deformable objects by analyzing the phase distribution of grating images. In the conventional automated grid method, because the position of a grid point is expressed by an integer number of pixels, it is difficult to obtain accurate measurement. Using two-dimensional Fourier transform grid method and a two-dimensional cross grating on the surface of the object, we can easily and accrately find the correspondence using phase information and seperate each directional grating line from the two-dimensional grating. Applications for analyzing shape and strain distributions of deformable objects are shown.     

融合SFS和主动视觉技术的未知物体重建方法

针对未知三维物体自动重建问题,提出一种结合明暗恢复形状的被动视觉和主动视觉技术的新颖三维重建方法.首先利用摄像机分别获取初始位置及旋转180°位置下的未知物体图像信息,采用改进的Tsai-SFS算法恢复物体表面粗糙轮廓,从而获取未知物体的最大尺寸信息.然后结合单目线激光主动视觉系统沿Z轴旋转方向和绕X轴翻转方向上的可视空间模型,预测出物体未知区域信息.最终依据下一视点的可见性判据,将规划过程分为物体侧表面重建规划和上表面重建规划.其中将能获取最大可视曲面面积和最佳表面重建精度的位置定义为下一最优视点位置.并经过实体模型的三维重建验证所提方法的可行性及有效性.     

GUlDELESS SPATIAL COORDINATE MEASUREMENT TECHNOLOGY BASED ON CODING POLE

A new method of guideless spatial coordinate measurement technology based on coding pole and vision measurement is proposed. Unequal spacing of bar code is adopted to pole, so that the code combination of pole image in measuring field is unique. Holographic characteristics of numeric coding pole are adopted to obtain pole pose and pole probe position by any section of bar code on the pole. Spatial coordinates of measuring points can be obtained by coordinate transform. The contradiction between high resolution and large visual field of image sensor is resolved, thereby providing a new concept for surface shape measurement of large objects with high precision. The measurement principles of the system are expounded and mathematic model is established. The measurement equation is evaluated by simulation experiments and the measurement precision is analyzed. Theoretical analysis and simulation experiments prove that this system is characterized by simple structure and wide measurement range. Therefore it can be used in the 3-dimentional coordinate measurement of large objects.     

自遮挡物体线激光测量视点规划

针对未知自遮挡物体的测量和三维重建问题,提出利用Kinect Fusion技术快速重建和线激光精密测量相结合的视点规划新方法。应用Kinect Fusion技术快速获取未知自遮挡物体表面的深度信息模型,研究提出轮廓表面的截面特征信息提取方法,在此基础上分析轮廓表面的截面形状特征,根据五自由度线激光测量系统的左右方向和上下方向测量可视性判断,在最佳测量范围内进行线激光测量全局视点规划,准确、快速消除自遮挡和点云孔洞,最后获得重建精度高的三维物体表面。经过自遮挡物体重建实验,验证了所提方法的可行性及有效性。     

采用可编程逻辑控制器的大型物体三维扫描重建

本文提出了一种新颖且实用的三维重建系统,以获取大型物体的三维数据。文中对该系统的组成以及所采用的方法和原理进行了研究。该系统由一个基于红外的三维扫描仪、两个导轨和一个基于PLC(可编程逻辑控制器)模块的高精度运动控制系统组成。运动控制系统控制安装在导轨上的三维扫描仪做匀速运动;三维扫描仪向物体投射红外线,并重建物体上所投射的红外线段;接着,系统根据三维扫描仪的运动速度,拼接局部重建数据,最终获得大型物体完整的三维重建数据。实验结果表明:与基于激光测距拼接的方法相比,该方法的测量速度约提高了7倍,测量精度约提高了2.5倍。基本满足工业生产中大型物体自动三维重建的稳定可靠、精度高、速度快等要求。     

Virtual binocular vision systems to solid model reconstruction

The geometry of a solid model can be determined in an effective manner if sufficient spatial information of its shape and corresponding edges can be obtained. The binocular vision system, in which images are obtained from calibrated cameras, has traditionally been the most popular method. In this paper, a virtual binocular vision system, which is composed of one CCD camera and a rotary platform, is proposed as an alternative for measuring three-dimensional objects. The fundamental matrix of the virtual binocular vision system is proposed such that the coordinates of feature points can be determined through an efficient searching and matching procedure. Subsequently, point clouds of the object can be obtained to construct a solid model by utilizing CAD software, such as CATIA and Pro-E. This model can in turn serve as a basis for further analysis and extended applications.     

基于单幅图像数据的三维重构方法研究

针对传统的基于阴影恢复形状方法（SFS）的三维重构方法的局限性,综合运用计算机视觉、图像处理和计算机辅助几何设计理论与技术,提出了一种实用的三维重构方法。采用SFS方法获取三维形貌信息,利用图像分割技术提取物体的二维轮廓信息,通过三维形貌信息与二维轮廓信息的融合建立物体的数字化模型,通过B样条方法实现数字化模型的重构。实例表明,该方法能够有效地去除图像的背景信息,改善重构模型的分辨力,为基于图像的三维重构技术的广泛应用提供了条件。     

基于多图像融合的MEMS显微三维形貌重构

针对微型机电系统(MEMS)的三维测量,显微镜或光学轮廓干涉仪等传统方法存在显微测量精度低、设备成本高等问题,且当结构含有较多断裂面时,解包裹算法效果欠佳。本文提出一种基于多图像融合的MEMS显微三维测量方法。不同于多角度显微三维测量方法,本研究首先利用单目显微镜,通过单一轴向移动获取一系列测量目标深度信息的单一角度图像,并利用去雾算法对图像进行预处理,实现了去噪和有效信息提取的目的;然后通过聚焦测度算法获取待测对象的深度信息;最后利用数据处理软件进行三维拟合。基于上述原理,本文以焦平面阵列(FPA)作为待测目标进行了测量实验。本文提出的三维测量方法和图像处理算法可获得更准确的FPA形貌,可清晰显示反射面与支腿部分及反射面上的释放孔,测得FPA的支腿长度为110.6μm,每个反射面的像元尺寸为120.8μm×70.8μm,与设计值基本吻合,解决了断裂面难以测量的问题,同时降低了微结构测量的难度和成本。单目显微镜单向移动的多图像融合测量技术对MEMS的三维形貌测量具有重要意义,去雾算法在图像融合与三维测量的图像处理也有很好的应用价值。     

Obtaining four-dimensional vibration information for vibrating surfaces with a Kinect sensor

In this paper, we present a real-time approach to obtain four-dimensional (4D) information from the surfaces of low-frequency vibrating rigid objects using a Kinect sensor. This consumer-grade range sensing technology is used for markerless tracking on the three-dimensional (3D) coordinate points of object surfaces. The time coordinates are simultaneously defined by the sampling interval converted from the frame rate of 30 frames per second (fps). Then the 4D (defined in the space time) vibration information can be recorded in the form of (x, y, z, t), enabling researchers to investigate the dynamic features of object surfaces efficiently. A comparison of the measurement accuracy and efficiency of a Kinect sensor, a stereo vision system and a contact sensor is carried out. The results confirm the superiority of our approach in efficient measurement and demonstrate that the contrastive amplitude error ranges within 0.6 mm when the frequency is not beyond 15 Hz.     

空间圆几何参数的非接触高精度测量方法

分析了空间圆透视投影的数学模型 ,并建立了点的空间三坐标立体视觉测量数学模型。提出了一种基于立体视觉的空间圆几何参数的非接触测量方法 ,根据极线约束求出空间圆在双目立体视觉中的对应匹配点 ,后投影到三维空间求出边缘的实际坐标 ,采用基于空间三维圆最优拟合求取空间圆的几何中心的三维空间坐标和圆半径等几何参数。该方法减小了空间圆透视投影形状畸变引起的测量误差 ,提高了基于视觉方法的空间圆几何参数的测量精度