基于单经纬仪的视觉测量三维数据拼接方法

本文针对大型自由曲面三维视觉测量中的数据拼接问题，建立了经纬仪透视投影模型，提出了以平面靶标为中介坐标系，以经纬仪坐标系为全局坐标系的三维数据拼接方法。在大型自由曲面的若干测量子区域附近放置一个平面靶标，通过视觉传感器拍摄平面靶标上的特征点，求得视觉传感器坐标系到靶标坐标系的变换矩阵；通过经纬仪观测靶标上的特征点，求得靶标坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。因此，可求得视觉传感器坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。将视觉传感器所测得的各子区域的三维数据统一到了经纬仪坐标系下，即完成了大型自由曲面的全局测量。经实验验证，数据拼接的RMS误差小于0．487mm。     

基于平面基线靶标的视觉测量数据拼接方法

针对视觉测量中三维数据的拼接问题,提出一种基于平面基线靶标的数据拼接方法。该方法利用平面基线靶标提供特征点,建立视觉传感器在相邻位置坐标系旋转矩阵和平移矢量各参数的优化目标函数,通过Levenberg—Marquardt优化算法求解出旋转矩阵和带有未知系数平移矢量。在此基础上,利用平面靶标上的基线长度确定平移矢量系数,从而求得数据拼接矩阵。利用平面靶标上100个点进行拼接试验,计算出x、y和z坐标拼接RMS误差分别为0．038 mm、0．022 mm和0．135 mm。结果表明该方法柔性好,适用范围广。     

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。     

大型物体自由曲面测量技术研究

本文针对大型物体自由曲面测量中,传感器单元测量区域小等问题,提出了一种基于粘性目标实现空间图像拼接的方法.采用基于旋动理论,利用相邻图像块中三个粘性目标的空间位置信息确定视觉测量系统姿态的变化,完成空间图像块的拼接.相关实验表明,基于粘性目标实现空间三维图像数据的拼接是可行的,拼接数据空间点距离的相对误差小于0.6%.     

基于单次成像的三维形貌拼接技术

针对大型物体的三维形貌测量,研究基于辅助靶标的三维形貌拼接技术,并在此基础上提出单摄像机单次成像求解转换矩阵的方法.该方法通过单摄像机单次成像,结合控制点的边长约束,求解出全局坐标系同局部测量坐标系的转换关系,进而将局部测量数据统一到全局坐标系下,实现拼接.此方法避免采用单摄像机多摄站测量时带来的繁琐操作以及产生的相关问题,大大提高拼接的速度,并且可以保证较高的精度.     

基于全局控制网的三维形貌测量方法

由于传感器成像视场范围的局限性,双目视觉传感器在一次成像中往往不能获得大尺寸物体的整体形貌测量结果,鉴于此,研究并实现了一种通过建立全局控制网来实现对大尺寸物体的三维形貌进行测量的方法。实验结果表明：基于全局控制网的测量方法速度快、精度高,间接地扩大了双目视觉传感器的测量范围,并且有效地克服了大尺寸三维形貌测量拼接精度低的缺点。该方法适用于大尺寸物体的三维形貌测量,能够快速、简单、精确地获得被测物体表面特征点的相对位置关系和三维尺寸信息,进而恢复被测物体的三维形貌。     

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。     

双振镜点扫描三维形貌测量系统

针对远距离大尺寸物体三维形貌测量的要求,设计并实现了基于激光三角法原理的双振镜点扫描三维形貌测量系统。介绍了系统的结构和测量原理,并对系统进行建模,推导了被测物体表面测量点的三维坐标计算公式。构建了原型系统,利用专用的二维平面靶标在测量空间内自由摆放数次,根据靶标上特征点及其像点间的位置关系,以坐标系转换为基础实现了测量系统结构参数的现场标定。利用李萨如图扫描模式分别对靶标平面、已知直径的球面及石膏像自由曲面进行了测量实验。结果表明,测量距离1m处,测量点到拟合平面的距离误差均值为0.70mm,球面直径测量误差均值为0.51mm;测量距离10m处,测量点到拟合平面的距离误差均值为17.85mm。该系统可用于远距离大尺寸物体表面的三维形貌测量。     

基于未知运动一维靶标的双目视觉传感器标定

分析了双目视觉传感器的测量数学模型,提出了一种基于自由移动的一维靶标的双目视觉传感器标定方法。当传感器安装完成后,由两个摄像机拍摄自由移动的一维靶标多幅图像,利用靶标上特征点的图像坐标和两个特征点之间的距离约束,采用非线性优化技术估计双目视觉传感器的结构参数。该方法操作简单,不需要给定传感器的初始参数,标定状态与测量状态完全相同,减小了传感器安装对标定参数的影响。试验结果表明,该标定方法切实可行,在200mm×200 mm测量范围内,可以达到0．03 mm的测量精度。     

线结构光多视觉传感器现场同步校准方法

现有线结构光多视觉传感器现场校准通常需要先完成线结构光视觉传感器局部标定,再进行多视觉传感器全局校准,效率低、且在搬运过程容易对线结构光视觉传感器局部标定结果造成影响,降低测量系统精度。针对以上问题,提出一种可以同步实现线结构光视觉传感器局部标定和多视觉传感器全局校准的现场同步校准方法。该方法以自由移动三次以上的一维靶标为中介,将两个无共同视场的线结构光视觉传感器联系在一起。以一维靶标特征点距离已知为约束条件,由交比不变性,得到所有一维靶标点及光条与一维靶标相交点在各线结构光视觉传感器图像坐标系下的图像坐标,进而求解出两个线结构光视觉传感器之间的转换矩阵和一维靶标特征点及光条与一维靶标相交点在全局坐标系下三维坐标,通过拟合求解全局坐标下的光平面方程,采用非线性优化算法求解出两个线结构光视觉传感器间的转换矩阵与光平面方程的最优解。如果视觉传感器多于两个,可通过两两校准方式实现多个视觉传感器现场校准。试验结果表明,该方法同步校准方均根误差可优于0.14 mm。     

表面视觉传感器模型参数的简易标定方法

建立了基于多线结构光的表面视觉传感器的数学模型,提出了一种基于自由移动平面标定参照物的表面视觉传感器模型参数的简易标定方法。在自由移动的平面参照物上建立局部世界坐标系,将通过交比不变方法获得的各个光平面上特征点的局部世界坐标,变换到摄像机坐标系,从而获得已知三维的标定特征点。利用构建的位于不同光平面上标定特征点,可以实现工作状态的表面视觉传感器模型参数的优化估计。该标定方法降低了标定设备的成本,简化了标定过程,为表面视觉传感器的工程化应用奠定了基础。试验结果表明,该方法切实可行。     

激光跟踪视觉导引测量系统的全局校准方法

针对柔性装配中现有激光跟踪测量系统存在效率低、成本高、自动化程度低等问题,提出用单目视觉系统联合激光跟踪仪实现大尺寸组合式自主导引测量.为实现该系统的全局校准,提出了一种新的基于平面的全局校准方法,该方法通过获取靶标平面分别在视觉系统和激光跟踪仪坐标系中的平面方程,求解两坐标系间转换矩阵,完成系统全局校准.建立了数学模型,进行了算法仿真和全局校准实验.实验中测量30个不同位姿的平面靶标,并进行全局校准.结果表明,该方法操作简单,稳定性强,有实际应用价值,校准后平面法向量夹角、原点到平面距离的RMS误差分别为0.13°和1.50 mm.     

大面积形体的三维无接触精确测量的研究

对大面积形体实现高精度三维无接触检测,是三维检测技术研究的难点和热点。提出了基于编码标志点的框架拼接法,采用数码相机三维重构与结构光三维扫描技术相结合的方法,实现了大面积形体的三维精确测量。阐述了大面积形体测量拼接框架构造的基本原理,对其中的关键技术如数码相机的标志点三维检测与重构,局部点云与空间框架的拼接进行了介绍,并给出了检测实例。实验表明该系统具有操作方便、测量范围大、测量精度高等的特点。     

基于立体定向靶标的探针式多视场三维视觉测量系统

针对含有遮挡区域、深孔及凹槽等特征的多面体或回转体物体,设计了一套基于立体定向靶标的探针式多视场三维视觉测量系统,并阐述该套测量系统的结构组成和基本工作原理。首先,基于近景摄影测量技术建立立体定向靶标的6个单元模型,计算靶标各侧面角点在各自单元模型内的坐标,再通过单元模型的链接和光束平差,获取全部角点的精确全局坐标,并将其作为立体定向靶标的全局控制点。然后,设计了利用共面角点辅助定位的探针,仍基于近景摄影测量技术解算出角点和测头在探针坐标系中的精确坐标。最后,利用共面的棋盘格角点与其像平面之间的单应性矩阵,推导全局坐标系、探针坐标系各自与相机坐标系的位姿关系,进而求得探针测头的全局坐标。以量块（量棒）的标准长度作为评价指标,在2m×1.5m的视场范围内测量精度优于0.1mm。测量实验表明,多视场三维视觉测量系统用于具有回转体结构特征的水壶测量,能够获取水壶表面全部区域的点云数据。     

结构光视觉传感器通用现场标定方法

建立结构光视觉传感器通用数学模型,提出一种基于平面靶标的结构光视觉传感器结构参数标定新方法.在测量空间不同位置多次随意摆放平面靶标,结构光投射在靶标表面,摄像机拍摄靶标图像.利用靶标上特征点及对应的图像点求解靶标坐标系到摄像机坐标系的转换.根据靶标平面与图像平面之间的同射变换获得结构光标定点在靶标坐标系下的坐标,并统一到摄像机坐标系下,在此基础上拟合出结构光方程.该方法获得标定点效率高,能胜任点、线、曲面等任何模式结构光视觉传感器的现场标定.试验结果表明,该方法具有较高的标定精度.     

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.