气液环状流周向液膜测量传感器的优化设计

以气液两相环状流管道横截面的周向液膜为测量对象,采用单台高速摄像机和平面反射镜组构建了虚拟双视角的视觉传感器,并对传感器进行了优化。基于虚拟双目立体视觉原理建立虚拟双视角视觉传感器测量模型。为了尽可能增大有效拍摄视角以获得更多液膜流动信息,综合考虑视场区域、传感器尺寸、测量距离以及管道光路折射等因素,对虚拟双视角视觉传感器模型进行了分析和设计,优化了传感器模型的结构参数。理论分析及实验结果表明:优化后的虚拟双视角视觉传感器可以获得近300°的有效周向测量视角,远远优于使用单台高速摄像机进行直接拍摄。该项研究为通过双视角视觉传感器进行气液两相环状流周向液膜的实时测量提供了理论基础,对研究液膜厚度和分析环状流流动状态具有重要意义。     

大视场双目视觉传感器的现场标定

分析了摄像机和双目视觉传感器的数学模型,针对大视场视觉测量应用,提出了一种基于基线尺的大视场双目视觉传感器标定方法.在测量空间内任意多次摆放基线尺,由两摄像机拍摄基线尺图像.利用基本矩阵及基线尺上两特征点之间距离的约束,采用线性解和非线性优化相结合的方法同时估计摄像机的内部参数以及双目视觉传感器的结构参数.该标定方法操作简单,标定效率高,无需初始参数即可估计双目立体传感器的全部参数.实验结果表明,该方法适合双目立体视觉传感器的现场标定,在6 000 mm×4 500 mm的范围内可以得到0.06 mm的测量精度.     

大视场双目视觉传感器现场标定方法

针对大视场视觉测量应用,分析了摄像机和双目视觉传感器的数学模型,提出了一种基于基线尺的大视场双目视觉传感器标定方法。在测量空间内任意多次摆放基线尺,两摄像机拍摄基线尺图像。利用基本矩阵及基线尺上两特征点之间距离的约束,采用线性解和非线性优化方法结合同时估计摄像机的内部参数以及双目视觉传感器的结构参数。该标定方法操作简单,标定效率高,无需初始参数即可估计双目立体传感器的全部参数。实验结果表明该方法在6000mm×4500mm的范围内可以达到0.06mm的测量精度,适合双目立体视觉传感器的现场标定。     

基于成像光线空间追踪的摄像机标定方法研究

摄像机测量模型和标定方法是视觉测量的关键,直接影响视觉测量系统的测量精度。针对这个问题,借鉴非成像模型的摄像机校准的思想,提出了基于成像光线追踪的摄像机标定方法。分析测量点经摄像机镜头成像的规律,通过空间直线确定摄像机图像坐标与测量空间的映射关系。使用像平面和两个空间平面的映射关系,建立空间直线表达方式,完成基于成像追踪方法的摄像机测量参数标定。通过噪声分析和精度测量实验对基于成像追踪的摄像机标定方法进行精度验证,实验结果表明该方法可以有效抑制标定数据噪声对测量结果的影响,提高摄像机标定精度。     

用于三维变形测量的数字图像相关系统

针对材料力学实验中的三维变形测量,提出并实现了一种基于双目立体视觉、摄影测量术和数字图像相关法的便携式三维变形测量系统。研究了该系统涉及的双目摄像机标定,图像相关算法,三维重建,以及三维位移、应变计算等关键技术。提出了一种基于摄影测量术的摄像机标定算法,该算法采用10参数镜头畸变模型,不需要高精度标定板即可实现摄像机的高精度标定。利用最小二乘非线性优化算法实现了数字图像的高精度匹配,针对非线性优化初值难求的问题,提出了一种基于种子点的初值计算方法,为非线性优化提供了可靠的初值。最后,介绍了三维重建以及计算三维位移、三维应变的方法。实验结果表明,标定结果的重投影误差为0.03 pixel,图像匹配的误差约为0.02 pixel,静态外形及位移的测量精度为0.05%,应变的测量精度优于0.5%。与传统的测量方法相比,本文提出的系统可以更准确、全面、直观地实现对位移场、应变场的测量。     

双目视觉传感器的现场标定技术

本文以凤影变换为依据,针对多视觉传感器中的双目视觉传感器中的双目视器,建立了双目视觉传感器测量空间三维坐标的模型,事先确定摄像机的部分不易变化整个系统后进行现场标定。该方法不需精确调整标定靶标,标定环境与实际测量上同,减少了安装传感器对标定参数的影响,实验结果表明,该标定方法能获得０．０５ｍｍ的空间精度。     

新型单摄像机立体视觉传感器研究

提出一种用于测量空间三维点坐标的单像机视觉传感器模型。在结构设计方面,变传统的双CCD摄像机结构为单CCD摄像机结构,加装两组对称的光学反射镜,镜像出一对虚拟摄像机,可在同一个CCD像面上采集到存在视差的两幅图像,从而恢复空间点的三维信息;建立了标定数学模型,阐述了此视觉传感器测量模型的标定方法。相关试验表明,此测量方案不仅有效,而且经济快速,标定方法简单,对标定环境及靶标的摆放姿态无严格要求。     

构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉标定

为了提高立体视觉系统在大视场下的测量精度,基于误差溯源思想提出了一种构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉系统标定方法,克服了大尺寸高精度标定物难以制造等问题。对影响立体视觉系统测量精度的主要因素进行分析,列出视觉测量系统的误差溯源链,解析了大视场视觉系统精度瓶颈的原因。借助激光跟踪仪,运用非线性最小二乘单位四元数算法求解坐标系刚体变换,获取大范围高精度的空间点阵,构建虚拟靶标。在相机畸变模型中考虑了三阶径向畸变和二阶切向畸变参数,并使用Levenberg-Marquardt迭代算法进行标定参数求解,进一步提高系统精度。实验构建了一套测量空间约为4m×3m×2m的双目立体视觉系统,通过对某型号高精度直线导轨进行点距测量,在测量距离3m处,152组不同长度的横向距离测量的误差算术均值为-0.003mm,误差标准差为0.08mm。测量精度相较于传统的平面标定法有较大提升。     

白车身视觉检测系统中视觉传感器的可修复技术

针对白车身视觉检测系统中组成立体视觉传感器的两个摄像机,在光照不理想的情况下难以获得理想的立体像对,或某个摄像机损坏导致系统不能正常工作的情况,提出视觉传感器可修复技术.在立体视觉测量模型基础上,借助线结构光投射器,引入结构光测量技术,利用立体视觉传感器和左、右两个结构光传感器同时实现特征点的测量,大大提高了测量数据的稳定性和可靠性.研究结果表明,该技术切实可行,计算出的空间点距离与实际距离真值相对偏差优于0.5%,可以很好地完成修复任务,从而实现特征点的不间断测量.     

变异机制粒子群优化的摄像机内参数校准

针对大空间单目视觉系统中摄像机内参数校准精度对整体测量精度影响较大这一问题,本文提出一种基于变异机制粒子群优化(MMPSO)算法的摄像机内参数虚拟三维校准方法。该方法基于分阶段最优化思路,通过建立摄像机成像模型对摄像机外参数及部分内参数进行初始值估计,再通过MMPSO算法对内参数进行优化校准确定最终的结果。实验中为了提供精确的校准控制点,搭建了校准硬件平台,将红外发光二极管固定于三坐标测量机测头上并跟随测头移动,构造一个大空间虚拟三维校准板。实验结果表明:主要的10个内参数均达到测量精度要求的数量级,验证了该方法的有效性。通过单目视觉坐标测量系统对两种校准方法所得结果进行等距测量实验,基于Janne Heikkila的三维校准法的总体标准差为0.112mm,基于MMPSO算法的虚拟三维校准法的总体标准差为0.084mm。通过对比实测数据标准差,可以证明本文提出的校准方法稳定性更好,精度更高。该方法能够满足大空间单目视觉坐标测量系统对摄像机内参数精度的要求,对视觉坐标测量技术领域中的摄像机校准等非线性优化问题具有一定指导作用。     

A novel way of understanding for calibrating stereo vision sensor constructed by a single camera and mirrors

As a kind of binocular stereo vision system, stereo vision sensor constructed by a single camera and mirrors (SSCMs) has been paid increasing attention for three-dimensional measurement applications due to its low cost, high efficiency and synchronization. Currently, the existing model for SSCM considers the real camera as two half-Field-of-View (FOV) virtual cameras formed by reflection effects of the mirrors. The calibration methods based on this conventional model are either complicated to operate or deriving non-identical system parameters. To solve the problem, a novel model and the corresponding calibration approach are presented, which take the sensor as an integrated structure with the viewpoint that the camera captures two virtual points formed by the same object point due to the reflection effects of the mirrors. Also, the calibration and the measurement accuracy evaluation functions are discussed. Both simulated and real experiments compare the calibration and the measurement error of the proposed method with the two traditional methods. The results show that the proposed approach has higher measurement accuracy and more robust than the traditional methods, which meet high-precision requirements for low-cost three-dimensional measurement applications.     

大视场双目立体视觉柔性标定

为了实现双目立体视觉系统大范围高精度三维测量,提出了一种大视场双目立体视觉系统柔性标定方法,该方法将系统中各相机内部参数标定与相机间的姿态标定进行分离,标定内部参数时,只需要令标靶相对于相机任意摆放至少三个姿态,对标靶上的编码标志点进行识别,根据标靶上编码标志点信息,建立各姿态下视图的对应关系,粗略计算标志点的初始三维坐标;建立多姿态下逆向投影误差最小的目标函数,采用非线性最小二乘优化获取精确的相机内部参数和标志点三维坐标;最后,建立基于双相机逆向投影误差最小的目标函数,优化得到精确的相机间姿态的外部参数。实验结果表明:当测量空间为1 200mm×1 000mm×1 000mm时,立体视觉系统的测量精度优于0.1mm,满足大范围双目立体视觉系统的高精度测量需求。     

基于单目摄像机的光学立体标定技术

为了构建一种基于单摄像机的三维视觉系统,提出了重构光学标定点三维坐标、计算重构误差和优化标定参数的方法。通过移动高精度位移平台,构建三维视觉系统,计算左右摄像机位的初始参数,引入质心坐标法计算两摄像机位间的旋转平移矩阵,利用最优三角剖分法重构光学标定点的三维坐标,计算并最小化重构误差,对标定参数进行优化。实验表明：重构误差直接反映了三维重建的效率,该方法的精度和鲁棒性得到了显著的提高;实物外形测量的误差从0.1123 mm减小到0.0191 mm,标准差从0.1838减小到0.1275。该方法适合应用于三维视觉系统标定质量的评估。     

Stereo vision for 3D measurement: accuracy analysis, calibration and industrial applications

This paper evaluates the accuracy of different camera calibration and measurement methods used in 3D stereo vision with CCD cameras. These methods are evaluated by means of several precision tests, determining their error limits under specified conditions of operation. To check the precision of such systems, a CMM and some calibration objects, such as grids, plates, spheres, etc. are used. Two practical applications are described: a cost-effective system for the measurement of free-form surfaces, able to generate CAD models and measuring programs for CMMs. The system aims to reduce some difficulties associated with stereo vision and to speed up the traditional digitizing process. The other application involves car frame measurement. A new automatic measuring system has been developed, allowing contactless car frame measurement through two rotating CCD cameras.     

用于工业三维点测量的接触式光学探针

为了快速、准确地获得大尺寸工业产品或带有深槽孔工件的关键点三维坐标,本文基于工业近景摄影测量理论、立体视觉技术等,研究并实现了两种工业便携式、接触式光学探针测量系统。研究了测量系统涉及的探针设计、探针标定以及三维点解算等关键技术,设计了点阵式和手持相机式两种适用于不同工业场合的工业探针。针对点阵式探针的测量,提出了一种用于解算探针坐标系与世界坐标系相对关系的点云匹配方法。此外,采用拟合虚拟球的方法准确标定了两种探针的内部参数。最后,通过对比标准球与三坐标测量机的测量结果,得到系统的测量精度可达0.1 mm/m。该精度满足一般大、中型工件的三维点测量精度标准。     

长度约束下双相机外参数不稳定定向

动态立体视觉测量技术在几何量测量特别是大视场测量中应用越来越广。在分析动态双相机立体视觉测量相对定向算法的基础上,提出了一种基于一定数量距离约束的相机不稳定定向算法。在测量场中固定放置一定数量的一维标定靶标,双相机获取标定靶标上点的中心坐标,由极线几何约束快速准确解算双相机外参数,每次测量根据标定靶重新定向相机,由靶标补偿相机在测量过程中的位置变动,保证在测量场中即使相机站位发生位置变化仍可精确测量。实验中对分布范围2.5 m×1.6 m×4.5 m测量场中90个自反射目标点进行测量,选用5对点间距离作为距离约束,并与V-STARS/S进行结果比对。结果表明在相机站位发生明显变动情况下,90个空间点三维重建位置误差小于0.160 mm,标准差小于0.042 mm。将该方法应用于合成孔径雷达测量,得到相近结果。     

GPS双目摄像机标定及空间坐标重建

为减轻双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖,实现摄像机参数的精确标定,并对空间坐标进行高精度重建,提出一种GPS双目摄像机标定及空间坐标重建方法,采用GPS代替2D或3D靶标进行双目摄像机标定。将GPS的位置在视场中任意移动,由被标摄像机拍摄多组含有GPS的图像,利用空间三维坐标与图像二维坐标间的映射关系,结合摄像机成像模型和双目摄像机标定原理,标定出双目摄像机参数,并对空间坐标进行精确重建。通过空间重建坐标与GPS实际测量值之间的相对距离误差,对重建精度进行检验。实验证明,该方法能够克服双目摄像机标定过程中对高精度靶标的依赖,空间重建坐标具有较高的精度,相对距离误差从1.56%减小到0.52%。