基于线结构光旋转扫描和光条纹修复的三维视觉测量技术研究

非接触式三维视觉测量广泛应用在工业制造质量检测中。针对工业金属零部件检测的应用场景,提出了一种基于线结构光旋转扫描和光条纹修复的三维视觉测量方案。首先,通过基于线结构光投影的计算机视觉技术,设计了线结构光旋转扫描视觉子系统,并对工业相机、线结构光平面和旋转扫描中心轴进行标定;然后,针对采集到的光条纹图像存在低灰度区域缺失数据的问题,提出了基于缺失区域自适应灰度增强的光条纹中心线提取算法,有效修复了被测零部件的线结构光投影条纹;同时,利用文中提出的线结构光三维视觉测量方案,通过重建标准球棒的表面点云计算两球直径和球间距来评价测量系统的精度,测量系统精度优于0.06 mm;最后,进行金属轮毂外轮廓形貌测量,通过重复性实验计算轮毂外轮廓最大半径,验证重复性误差优于0.03%。实验结果表明:该方法可以无损伤、高效率、高精度地实现工业金属零部件三维测量,弥补了接触式三维测量方法的缺陷。     

深孔内表面结构光三维重构

为实现针对深孔内表面几何形状的高精度三维重构,搭建了一套基于结构光的三维检测系统。首先,介绍了该检测系统的构成及相关测量原理,并验证了在某一确定范围内图像距离与实际距离近似呈线性关系,该论断为后续检测奠定了坚实的理论基础;然后,针对深孔模型实物以及对应的内表面展开成平面模型分别进行结构光检测,从而验证了检测方案的可行性以及检测系统的实际效果。结果表明:该检测方案在理论上可行,在实际应用中系统的检测精度能够达到亚像素水平,绝对偏差控制在0.034 7 mm的范围内;最后,在实际应用于深孔类零部件内表面检测的过程中,实现了针对该零部件内表面几何形状的高精度三维重构。     

基于主动式全景视觉的管道形变检测及重构技术的研究

研究了一种采用主动式全景视觉传感器(ASODVS)的 管道内表面全方位检测方法。基于主动式全景视觉检测原理, 提出了一种能够快速、全方位获取管道内壁三维点云信息,实现视觉检测管道形变的全景激 光视觉系统; 利用携带有ASODVS的爬行机器人进入管道内部,采集激光横断扫描全 景图像;然后根据提 取的管道内壁三维点云数据计算最小直径、横断面面积等几何特征判断变形率;最后根据三 维点云圆周分 布的特征,采用三角格网模型进行三维重构。实验结果表明:基于主动式全景视觉的管道内 壁全方位检测 系统能够实时完成对管道凹凸形变的检测和识别,并恢复管道内壁的三维形貌,具有较高的 检测精度。     

火炮身管结构光检测系统标定方法研究

火炮身管结构光检测系统工作环境视场小、光线弱,导致传统的标定方法存在较大的局限性。针对这一问题,应用结构光成像原理,提出了一种现场标定方法。以155口径火炮为例,设计了内表面包含多种结构信息的标定筒,利用该方法对标定筒内表面结构光图像进行处理,得到了标定筒内凹槽深度与结构光条纹偏移像素距离之间的关系,进而标定了检测系统结构参数。利用标定完成的检测系统对火炮身管膛线的磨损量进行检测,结果表明,检测绝对误差不超过0.01 mm,符合火炮现场检测的要求。     

多线结构光视觉传感器测量系统的标定

为实现大尺寸轧钢几何尺寸、形状误差、表面缺陷的实时检测,采用4个激光器和4个CCD摄像机搭建了多线结构光视觉传感器测量系统。针对多视觉传感器全局校准的关键问题,设计了特殊形状的靶标,提出了新的全局标定方法。利用交比不变原理获取光平面上多个标定点,同步实现视觉传感器的局部标定和全局校准。详细阐述了标定的基本原理和系统构建过程,分析了标定中存在的误差,并提出了减小误差的方法。实验验证系统重复测量精度在0.04mm以内,测量相对误差小于0.9%。     

三维空间中线结构光与相机快速标定方法

针对结构光立体视觉系统快速标定问题,本文提出了一种多线结构光单目视觉测量系统的快速标定方法,该方法可以同时完成多个线结构光的标定,不必每一个线结构光单独标定,从而实现相机与线结构光的快速标定。具体为相机内参采用张氏标定法提前标好,外参标定采用设计的三维阵列立柱靶标配合实现。在已知三维阵列立柱靶标各立柱端面中心点对应物像坐标后,可得到二者间的旋转和平移矩阵;在线结构光投射到对应不同高度立柱端面上后,根据以上物像关系可得到端面光条坐标,利用该坐标可拟合出激光平面方程,进而可建立起各激光面与相机之间的变换关系,完成系统标定。     

投影结构光空间位置和形状的标定方法研究

提出了结构光三维测量系统中投影结构光的空间位置和形状的多点拟合标定方法.在结构光三维测量系统有效视场范围内,空间靶平面多次改变并覆盖整个有效视场.利用投影矩阵与坐标变换关系,由投影结构光与空间靶平面的相截线来确定结构光在整个有效视场范围内的多个三维数据点,通过多点拟合,完成其空间位置和形状的标定.最后以多光片投影双目视觉三维测量系统中9条结构光的标定实验,验证了该方法的可行性和有效性.     

加工中心工件在机三维检测系统的光平面标定

为了满足加工中心在机检测的实时性需求,实现高效率、低成本、高精度地标定线结构光传感器,提出了一种基于同心圆平面靶标标定线结构光平面参数的新方法。该方法将三点透视模型和交比不变原理相结合,在线结构光传感器的视觉范围内通过移动同心圆平面靶标,计算得到光平面上多组标定点的三维坐标,进而使用最小二乘算法确定光平面方程,通过标定和检测实验分析并验证了该方法的有效性。该方法具有标定算法简单且操作灵活方便等优点,适合加工检测等领域的现场标定。     

半径约束最小二乘圆拟合方法及其误差分析

针对基于线结构光视觉检测类圆工件三维测量中的光条圆弧特征数据所占整圆比例偏小，提出了基于半径约束最小二乘圆拟合方法。详细地分析了样本特征数据噪声对圆心定位精度的影响，并进行了仿真实验。实验结果表明，在光条圆弧特征数据所占整圆比例偏小的条件下，半径约束最小二乘圆拟合方法可以有效地提高圆中心定位精度。     

虚拟多结构光传感器昆虫运动参数测量系统

提出了基于单摄像机和双结构光投射器的虚拟多结构光视觉测量系统测量高扇翅频昆虫飞行运动参数.首先分析了光栅型结构光视觉的测量原理以及虚拟多结构光传感器的工作原理,针对昆虫的运动遮挡提出了多角度观测的没计思想,在此基础上建立了基于单摄像机和双结构光的虚拟多结构光视觉测量系统.实验结果表明,该测量系统可以实现固定飞行昆虫双侧翅膀运动参数的测量;该系统不仪降低了系统成本,而且避免了多摄像机同步驱动的复杂性.     

一种管道内3维形貌检测系统

为了解决常见结构光管道内3维形貌检测系统存在光线遮挡引起测量误差和盲区的问题,采用了一种新改进的圆结构光垂直照明、用两个互补金属氧化物半导体摄像机同步拍摄的管道内3维形貌检测系统,建立了适合该系统的图像处理和系统标定方法,完成了检测实验。结果表明,该系统可以很好地解决盲区问题,减小了测量误差,系统的标准差为0.50mm,并能得到完整的管道内壁3维形貌信息。     

基于主动式全景视觉的管道形貌缺陷检测系统

针对现有的管道缺陷检测技术不能同时对管道的形、貌缺陷进行检测与评估这一工程难题,在前期研究工作的基础上,设计了一种基于主动式全景视觉的管道内部缺陷检测系统,能够快速获取管壁密集点云的三维坐标,同时对内壁表面缺陷进行检测与评估。首先利用主动式全景视觉传感器（AODVS）实时获取内壁全景图像和激光横断面扫描全景图像,然后对管道内壁全景图像进行柱状展开、预处理和缺陷检测及分类等处理;然后对激光横断面扫描全景图像处理,计算管道内壁点云的三维坐标,进一步对管道缺陷部分进行定量分析,最后利用三维建模技术重构带有真实纹理信息的管道模型。实验结果表明:文中设计的检测系统能够对管道凹凸形变、孔洞、管壁裂缝、腐蚀等缺陷进行检测与分析,具有较高的检测精度,为管道内表面三维测量和重构提供了一种新的手段。     

Non-contact inspection for inner surface of small-diameter pipes based on laser-PSD

Small diameterpipesareusedwidelyinmanyfields, suchasenergyindustry,chemicalindustry,aviation,weaponmanufacturingandsoon.Theinspectionof thesepipesisveryimportantbecauseofthebadworking conditions.Therearemanymethodstoinspectthepipeswithinnerdiameterslargerthan20mm,suchasthe wholecircleimagemethod[1],theringopticalcutting imagemethod[2],thelaser beamscanningdisplacementmeasuringtechnique[3],theCCTVcameramethod[4], Omni directionalmethod[5]etc.Butfewmethodscande tectthepipeswithaninnerdiameter…     

采用线性分区方法对三维传感器的标定

以光带法激光三维扫描系统为例,采用线性分区标定方法对三维传感器进行了标定。给出了标定方法的理论依据和求解过程,避免了对非线性方程的求解;采用细丝标定靶形成共面标定点对传感器进行分区标定,并与不采用分区方法时的结果进行对比。结果表明,利用线性分区法标定可以有效提高测量精度,测量平均相对误差为0．4％左右。     

激光测头的光束空间矢量标定方法

为了完成三维型面的高效扫描测量,将激光测头通过回转台安装在三坐标测量机Z轴的移动末端上,以搭建非接触式的光学坐标测量系统。在被测表面三维点云的创建过程中,需要将激光测头的一维距离值转化为测量点的三维坐标值,为此,提出了基于球面的光束空间矢量标定方法。在标定过程中,通过控制测量机X、Y和Z轴的运动实现测头的标定轨迹,使测头能够采集到球面上的若干测量点,同时记录下各轴的光栅尺读数和测头的输出。然后,应用这些数据和球面的约束方程来建立超定非线性方程组,并采用矩阵最小二乘法求解出测量光束所在直线的单位方向向量。最后,将一个直径已知的金属球作为被测对象,应用所搭建的测量系统在10个不同方位对其直径进行测量,所得结果的测量误差均小于0.05 mm,充分说明了所提出的标定方法的有效性,从而为实现空间自由曲面的精密高效测量奠定了基础。     

载人潜水器的深海地貌线结构光三维重建

针对深海环境下通过视觉方法难以实现地貌的大范围、高精度三维重建的问题,提出一种基于蛟龙号载人潜水器的线结构光法深海地貌三维重建视觉传感器的设计方案。根据线结构光三维重建的原理,首先改进了Steger算法,实现了快速、精准的激光条纹中心线提取;然后利用直接标定法求解出地形特征的二维空间坐标,并克服了图像畸变对重建的影响;再将获得的二维点云与多传感器数据融合,跟随潜水器坐标实时计算偏移量,并根据传感器位姿变化对图像矫正,最终获得地貌的三维点云数据。根据重建原理设计了视觉传感器的软硬件系统,并搭建了实验模拟平台来验证方案的可行性。通过水下实验可以实现对模拟地貌的完整重建,精度达到96.9%,符合重建要求。     

多层单道电弧增材表面3-D重构方法研究

为了研究多层单道电弧增材表面3-D成形特征，采用激光视觉传感系统采集电弧增材制造表面条纹图像。提出基于边界约束条件的感兴趣区域(ROI)提取法对焊缝特征曲线进行定位，获取ROI的激光条纹像素坐标。进行了理论分析和实验验证，得到电弧增材表面的3-D离散点数据，采用Delaunay三角剖分对离散点拟合形成3-D实体表面。结果表明，锯齿靶标的线性标定方法，3-D重构精度在0.2mm以内; 基于边界约束条件的ROI提取方法能准确定位电弧增材上表面和侧表面的条纹特征曲线。这一结果对电弧增材表面的3-D成形检测是有帮助的。     

深孔内表面检测点云拼接技术研究

深孔内表面检测系统获取的单视角点云无法体现深孔零件内表面全貌,为实现深孔内表面完整面形的三维重建,提出了一种深孔内表面检测系统的位姿标定技术,用于提供深孔内表面重建的点云拼接初值。首先,介绍了深孔内表面检测技术原理,分析并建立了深孔零件测量点云的坐标变换模型,确定了坐标变换模型中需要标定的系统位姿参数;然后,分析了系统在内表面上的测量轨迹,以旋转轴转角描述测量轨迹,并对点云逆向重建;之后以系统参数的求解误差作为损失函数优化测量轨迹模型,实现了系统位姿参数标定;最后,对直圆筒和凹槽部分的点云拼接实验表明:该方法适用于深孔内表面检测,易于操作,拼接误差不大于0.08 mm,与其他方法相比均有一定优势。