基于双目视觉的工件尺寸在机三维测量

由于传统测量方法及仪器设备无法满足在机实时检测工件三维尺寸的要求,本文基于双目立体视觉视差原理,搭建了一套可在车间现场操作的在机测量工件三维尺寸的视觉系统.首先,介绍了改进的基于平面圆靶标的双目视觉测量系统标定方法.然后,用阈值分割算法从背景中识别出待测工件,采用Canny算子和多边形逼近法提取工件轮廓和轮廓关键特征点,并在极线约束的特征点匹配算法基础上,提出一种基于灰度相关的密集型精匹配算法,获得了工件边缘轮廓关键特征点云的三维坐标数据.最后,对匹配所得特征点云进行数据处理和特征拟合计算,得到了工件的关键尺寸.在车间数控机床上对有斜面及孔结构的工件进行了在机测量实验,结果显示,该系统检测精度达±1.3％以上.     

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。     

光笔式大视场三维视觉测量系统

针对先进制造业对大型装备大范围精密尺寸测量需求,根据双目立体视觉测量原理设计了一种光笔式大视场三维视觉测量系统.基于透视投影变换下的时针顺序和共线性不变量设计了光笔特征点空间分布模式,实现了特征点的准确识别与接触探头坐标的计算.应用双目立体视觉传感器的透视投影和齐次坐标三维测量模型,以一维基线尺靶标自由移动和基准长度约束为核心,通过本质矩阵E的线性求解结合非线性优化实现了其结构参数的现场精确标定.研制了由光笔、双目立体视觉测量系统、便携式三脚架、一维基线尺靶标和测量软件构成的大视场三维视觉测量系统,完成了机器人本体表面三维数据的稠密测量实验,在7 m×4.7m测量范围内系统的测量精度优于0.2 mm.实验显示设计的光笔式大视场三维视觉测量系统在光笔结构、发光点识别方法和系统标定方法上均具有新的思路.     

采用光学定位跟踪技术的三维数据拼接算法

为了实现大型自由曲面的三维面型测量,提出了采用光学定位跟踪技术的数据拼接方法。平面靶标作为中介,固定在测量系统上,靶标上的特征点在测量坐标系中的坐标通过中介坐标转换法获得。利用双目立体视觉构建跟踪定位系统,并以跟踪坐标系为全局坐标系,获取平面靶标上特征点的三维全局坐标,求得测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵,将测量传感器在不同位置下所测的各子区域的三维数据统一到全局坐标系下,完成大型自由曲面的全局测量。对平面靶标上100个点进行两次测量,实验结果表明：单次测量精度为0.08mm,拼接均方误差小于0.237mm。该方法操作简单、可行,能满足一般的精度要求。     

大尺寸工业视觉测量系统

针对工业制造领域中大型工件很难进行全尺寸测量的问题,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。对该系统所采用的特征识别、相机定向、立体匹配、三维重建、多视点云配准等关键算法进行了研究。提出了改进的CANNY边缘亚像素检测算法,使用先验规则去除误识别的标志点,多次拟合定位标志点中心,对标志点环带多次采样取中值求取编码点的ID。根据ID号找出不同照片中的同名编码点,顺次对照片进行相对定向和绝对定向。然后,根据多幅图像的多极线几何约束,实现非编码点的匹配,消除误匹配。采用前方交会法重建标志点的三维坐标,利用光束平差对计算出的结果和内外部参数做迭代修正。最后,设计了双目结构光扫描系统,提出了一种改进的双目像机标定算法,描述了利用全局和局部标志点的子图同构实现多视点云配准的新算法。实验结果表明,该系统可在生产现场对大型工件进行快速测量,整体测量精度达到0.112mm/3m,可以满足工业现场大尺寸测量对精度和效率的要求。     

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。     

用变形光栅条纹自迭加法测曲率

用变形光栅条纹自迭加法测曲率谭吉春（国防科技大学应用物理系）０引言应用莫尔条纹原理测量物体三维尺寸时，实验装置中通常有两块光栅。第１块称作物光栅。用投影光学系统将物光栅图案投射到被测物表面，生成变形光栅图案。此图案含有物体表面高差信息。第２块光栅称作...     

基于结构光的白车身面差三维测量方法

针对白车身测量面差特征存在人工测量精度差、效率低、难以满足工业应用领域中精密测量的需求等问题,提出了基于结构光的白车身面差三维测量方法.该方法通过线激光投影至被测区间并对采集的图像亚像素提取光条纹中心,得到解算后的三维点云,在面差特征点识别过程中将斜率差值极大值点作为面差特征点,采用RANSAC算法进行基准直线拟合.分...     

基于双目立体视觉的低频振动测量

为了满足物体振动的测量要求,基于双目立体视觉测量的原理,设计了一套可以在线采集、离线处理的非接触式低频振动测量的视觉系统。通过滤波去除噪声,采用Canny算子和最小二乘法椭圆拟合提取到标志点的轮廓和中心坐标,在已知特征点的空间分布规律的条件下,通过相应的坐标排序方式,对左右视图对应特征点进行准确的匹配,获得了特征点的三维坐标数据。最后对比每一帧图像中对应特征点三维坐标数据,得到待测物的振动信息。通过直线导轨作为振动源带动待测物运动的方式进行了测量实验,实验结果显示,该系统的检测精度达到±0.15mm/m以上,基本满足低频振动测量的稳定可靠、精度高等要求。     

基于三维激光扫描的移动大尺寸圆柱体工件长度快速检测系统

针对移动大尺寸圆柱体工件两端的表面形貌特征,利用三维激光扫描仪设计了一种快速长度在线检测系统。基于三维激光扫描仪可在短时间内连续高速获取大量测量数据的特点,系统在虚拟环境下构造出自适应测量形状的虚拟测量基准面,采用二维误差分离方法抑制系统误差和运动误差,识别定位工件两端端点并计算其到虚拟测量基准面的位移;最后结合多传感器融合模型获取三维位移场测量结果。另外,测试前用三坐标测量机精密测量过的相似形状圆柱体工件对系统进行了校准修正。为验证系统的精度和可靠性,分别对处于（1 000±25）mm内不同直径的圆柱体工件进行了长度检测。结果显示,系统可在1 s完成直径约为50 mm工件的长度测量,检测分辨力为0.010 mm,检测精度达到0.050 mm。实际运行结果表明,该设计系统具有高自动性和高效性,可满足在线生产中对大尺寸工件控制和检测的要求。     

融合五自由度位姿信息的单目内窥镜目标尺寸测量

针对低分辨率、弱纹理、缺少参照物的小场景下内窥镜图像目标测量困难问题,提出了融合5自由度电磁传感器的单目内窥镜下目标尺寸测量方法。首先,分析了基于5自由度传感器的内窥镜定位原理,得到内窥镜沿主光轴方向的位移。接着,以结石目标为例分析了图像目标关键信息的导航采集方法,即通过语义分割网络获得图像目标的轮廓信息,进而与内窥镜主光轴进行重合度判定,记录符合重合条件关键帧的图像目标长度信息与对应的位姿信息。最后,基于针孔相机成像模型,将目标成像比例关系与内窥镜沿主光轴的位移结合,建立了目标尺寸测量方法。实验结果表明：所提方法的测量误差控制在10%以内;对长度1～9 mm目标的平均测量误差为0.33 mm。能够满足单目内窥镜检查中对目标尺寸测量的稳定可靠、精度高、省时省力等需求。     

双目视觉脉搏图像三维信息获取的研究

通过双目视觉原理构成脉搏图像传感器采集脉搏薄膜图像。对系统摄像机采用张正友标定方法,得出系统结构参数建立的物空间坐标到像平面坐标对应矩阵。再基于SIFT特征算子进行左右2幅图像匹配,得出2幅图像一一对应的特征点。最后根据双目视觉原理得到特征点的三维信息。     

基于短基线双目内窥镜成像系统的3D视频标定与校正

为了解决短基线双目内窥成像系统获得的视频图像在裸眼3D显示设备中观看到的视频纵深感和立体感较弱的问题,通过分析双目内窥镜的参数以及立体视频中图像对的视差,提出了基于短基线双目内窥成像系统的立体视频校正和视差调整方法。首先,对采用的双目结构内窥系统进行相机标定,获取各相机参数和相机间的位置参数;其次,利用获得的参数进行相机视频校正,再针对裸眼3D显示设备对视频源的参数要求进行图像对的视差调整,最终获得符合裸眼3D立体显示设备要求并适合人眼观看的双目内窥系统实时显示立体视频。通过实验验证了方法的可行性,实际搭建了一套基线距离为8 mm的短基线双目内窥成像系统,原始视差范围(0,64)像素,经视差调整后达到（-30, 30）像素,双路并行视频处理25 帧/s并实时显示。与实验室设计的裸眼3D立体显示系统匹配,可实现具有明显立体感的医用内窥镜实时裸眼3D成像。     

面向大型工件现场测量的光笔式视觉测量系统

研制了一种面向大型工件现场测量的光笔式视觉测量系统,对其中的关键技术进行了深入研究。该系统主要由带有红外LED光点的光笔、1台CCD摄像机、靶点亮度控制器、一维标定尺以及安装有测量软件的计算机组成。在对LED点光源光强控制方式及成像系统工作原理进行分析的基础上,设计并实现了以多靶点亮度自适应控制技术和主动离焦模糊技术相结合的靶点光斑图像生成技术。该技术保证了在大跨度测量范围内均能获得高质量的靶点光斑图像,解决了对焦成像中摄像机视场范围与景深有限的问题;针对光笔标定问题,提出了一种简便易行的现场标定方法,此方法只需要若干个辅助靶点和2个以上间距已知的圆锥孔,就可以同时确定光笔上各靶点及光笔测头在光笔坐标系下的坐标。实验结果显示:该测量系统在2~10 m空间长度测量标准差不大于0.095 mm,能够满足中等精度的大型工件现场测量要求。     

基于HALCON的板料成形网格应变的测量

计算机视觉在网格应变测量领域的应用已成为研究热点,本实验是基于先进的图像处理软件HALCON,利用双目立体视觉原理,对印制有圆形网格的板料应变测量.首先采用印制有圆形标志点的平面标准标定板,对摄像机进行标定,获得摄像机的内外参数.采用基于NCC的匹配方法对左右图像特征点进行匹配,利用视差原理获得匹配点的三维坐标,对印制有圆形网格的板料进行三维重建.然后根据圆形网格变形后的椭圆长短轴的长度变化,计算得到真实应变,用OpenGL语言将应变可视化.     

Reparability measurement of vision sensor in active stereo visual system

The active visual inspection has made giant strides in development. Due to the complexity of field conditions, the binocular stereo vision sensor in active stereo visual inspection system is difficult to acquire the ideal image pair under the poor illumination environment, or cannot work normally because one of two cameras is damaged. To solve the practical problem, a reparability method of the vision sensor in active stereo visual inspection system is proposed. Based on the traditional measurement platform with a structured stripe projector and two industrial cameras, a reparability mathematical model is established, which merges the measurement mode of the stereo vision and the structured light vision to inspect feature points based on the reparability measurement model. Meanwhile, a mathematical model and calibration method of the structured light vision are developed based on the homography between the image and light plane. The method greatly improved the stability and reliability of measurement data. It is proven by experiment that the method is valid, which can accomplish reparability tasks commendably and achieve uninterrupted inspection of feature points in the actual industrial applications.     

远距离三维坐标测量中双目视觉系统结构参数的优化

针对双目视觉系统对远距离大视场复杂地形环境下目标点三维坐标的测量,研究了优化系统结构,提高双目视觉系统坐标测量精度的方法。分析了系统结构参数对测量精度的影响,通过在监测区域内设置靶标对系统进行标定。测量时,将获取的目标点图像信息代入测量模型进行解算,从而获得目标点的空间三维坐标。仿真分析了系统结构参数中调平传感器精度以及系统布局方式对三维坐标测量精度的影响,得出了其误差影响趋势。在此基础上,提出系统调平传感器精度为±0.1°的要求以及系统合理的布局方式,为构建双目视觉测量系统的布局提供参考。对直径200m的区域进行了监测,结果显示目标点的相对定位误差均小于0.33%,满足系统的精度指标要求,同时使得系统现场架设更加方便快捷,避免了盲目性。     

一种基于结构光双目视觉的特征匹配算法研究

特征点匹配在图像检索、三维测量、模式识别等技术中起着重要的作用。使用MATLAB软件剪切图像并细化线结构光光线条纹。经理论分析SURF算法优缺点,提出了一种基于SURF算法特征点提取的改进算法。用C语言编写改进后的特征提取算法,通过MATLAB软件实验对比两种算法的特征点提取结果并且编写程序实现后期的特征匹配。实验表明:该算法基本满足双目视觉立体匹配的要求,对于线结构光三维测量技术具有重要的理论意义和实用价值。     

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。