基于共面法的结构光自扫描测量系统参数标定方法

针对结构光自扫描测量系统参数标定问题,提出了一种基于共面法的高精度标定方法,能够同时标定系统的内外参数。建立了相机和系统模型,采用张正友方法标定相机和平面棋盘靶标内外参数,针对系统标定需求完成了靶标位置规划,在同一光平面下变换靶标位姿获取共面光条中心点,利用多组中心点数据分别求解各光平面方程。由于多个平面交线不唯一,定义了优化目标函数对振镜转轴在相机坐标系下的表达进行优化求解,求得振镜坐标系与相机坐标系的转换矩阵完成标定。该方法标定过程简单,算法运算量小,便于现场标定。结果表明,标定方法具有较高精度,能够满足测量要求。     

基于平面标靶的线结构光参数一体标定算法

准确地标定系统参数是利用线结构光进行高精度 测量的前提,提出了一种基于平 面标靶的线结构光参数标定算法, 以期达到在工业现场进行高精度标定的目的。系统标定时,需要将激光线投射到平面标靶上 ,并在不同位置拍摄带有激光线 的标靶图像。首先,计算相机内参数;然后,通过内参数确定标靶平面在相机坐标系下的方 程,并由此计算出激光点在相机坐 标系下的三维坐标;最后,通过线性最小二乘方法拟合得到光平面方程。相对于交比不变方 法,本文算法可以获得更加稠密、 准确的标定点。在一种结构光扫描系统中的应用结果表明,本文算法均实可行,光平面标定 平 均误差为0.024mm,系统扫描平均误差为0.035mm。     

一种融合激光全局定位的大尺寸点云重建系统标定方法

大尺寸点云重建是飞机等大型装备逆向工程、缺陷检测领域的重要手段之一,在分析大尺寸点云重建系统目标点云全局拼接时高精度激光定位系统和结构光扫描仪坐标系融合统一问题的基础上,提出了一种TCS-Q(过渡坐标系-四元数)参数标定方法。该方法结合点云重建系统模型和点云全局融合原理,建立光电接收器过渡坐标系确定标定对象,分析标定过程的数学模型,研究各坐标系之间转换关系的求解方法。系统仿真实验结果表明标定结果的三轴角分量标准差低于0.016 5°,离散系数小于0.015。对数显尺上光电接收器空间位置进行距离测量实验,实验结果表明,标定完成后的系统测量精度优于±0.1 mm,为实现点云拼接环节的高精度全局定位引导提供了理论基础。     

基于iGPS定位跟踪的三维形貌测量系统标定方法

基于iGPS定位跟踪的三维形貌测量系统,建立了测量系统的数学模型,介绍了传统手眼标定技术的主要原理,使用激光跟踪仪建立了系统转换关系。提出了一种融合特征点拟合的标定方法,利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法得到了转换关系。对标定后的系统进行了基于机器人基坐标系和iGPS世界坐标系的点云拼接对比实验,实验结果表明,融合特征点拟合的标定方法提高了点云拼接的精度。     

一种基于平面标靶的线结构光视觉传感器标定方法

提出了一种适合于现场的线结构光视觉传感器标定 方法。建立了标定的数学模型,设计了一种平面点阵标靶,提出了坐标映射方法。根据结构 光条纹特征点的图像坐标和对应在标靶坐标系下的坐标,以及 相机内参,计算出标靶坐标系到摄像机坐标系的转移矩阵,再由转移矩阵得到特征点在摄像 机坐标系下的 坐标;在视场范围内,平面标靶按不同位姿摆放多次,获取投射在标靶上的所有特征点,对 这些特征点进 行平面拟合,得到结构光平面在摄像机坐标系下的方程。对标定的精度进行了验证,实验表 明,本文方法标定 过程简单,精度较高,适合于结构光传感器的现场标定。     

一种基于空间曲线焊缝的旋转结构光自标定方法

为实现对旋转结构光平面快速、高精度标定,以空间曲线焊缝为研究对象,提出一种旋转结构光自标定方法。首先对相机进行标定获取相机内外参数,对焊缝轨迹通过图像处理进行预提取,利用二维靶标对舵机的旋转轴进行标定。随后通过舵机云台将结构光固定到初始位姿,利用交比不变原理进行结构光平面标定。旋转舵机云台控制结构光扫描焊件,控制结构光始终与扫描点处的轨迹切线垂直,并获取从初始位姿旋转到垂直位姿所需的旋转角度,通过平面绕任意轴旋转公式完成结构光平面在扫描点位置的自标定。试验表明,通过对比扫描点处分别通过交比不变原理和结构光平面旋转自标定获得结构光平面方程,系数差值均方根为1.35×10^-3,精度高且操作简便。     

基于旋转台参数标定实现多视角点云拼接

针对如何方便快捷且准确地获取物体完整面形三维点云数据的问题,提出一种利用旋转台参数标定结果辅助实现多视角三维点云粗拼接的新方法。该方法将一个二维标定靶作为坐标系转换桥梁,仅需两个位置的坐标系关系,即可建立转台转角和不同局部测量坐标系之间的非线性模型,实现对多个测量视角下三维点云的粗配准,为最近点迭代(ICP)算法提供了良好的初值,增加了ICP算法的稳健性。实验表明该方法操作简便、快捷、易实现,拼接后点云误差不大于0.12 mm。     

高精度CCD拼接相机标定方法研究

介绍了大视场CCD(电荷耦合器件)拼接相机的组成和测量原理,分析了物像空间对应的坐标关系,指出了影响大视场光电测量设备精度的原因是相机内方位元素的准确性和光学畸变校正效果.提出了基于像面坐标系在大地坐标系下投影的高精度CCD拼接相机内方位元素的标定方法,该方法建立了CCD拼接相机模型和光学畸变校正模型,使用多元回归分析方法,标定了相机的内方位元素与畸变系数.大量试验结果验证了该标定方法的正确性,该方法对其他光电测量设备具有参考价值.     

利用立体视觉的线结构光参数标定

准确标定系统参数是利用线结构光进行高精度测量的前提,文中提出了一种基于双目立体视觉的线结构光参数标定算法,以期达到在工业现场进行高精度、强鲁棒性标定的目的。算法首先采用Tsai两步法标定摄像机内参数和双目相机坐标系间的刚体变换,然后利用立体视觉极线约束条件匹配双目激光条纹点,并将其重构到三维空间以进行光平面标定。相对于...     

面向线结构光测量的直线空间变换光平面标定方法

为提高标定精度,提出一种基于直线空间变换的光平面标定方法。首先利用互相关模板与5点滑动平均法提取激光条纹中心,然后采用正交回归法拟合图像中的光条直线方程。通过平面单应性变换获得靶标面光条直线方程,进一步再将靶标坐标系中的直线方程转换成Plücker矩阵形式。根据位姿转换关系得到相机坐标系下的直线方程,并建立超静定线面共面约束方程组,使用奇异值分解(SVD)求解光平面方程参数。所提方法测量的标准台阶块长度方均根(RMS)为0.065mm,平均误差小于0.030mm,圆柱直径的测量平均误差与RMS小于0.050mm。结果表明,利用光条自身整体信息拟合光平面,所提方法可实现较高的标定精度且标定过程简单,同时避免对每个特征点进行单独求解。     

基于虚拟双目的条纹结构光三维重建

为解决传统双目条纹结构光三维重建存在的同步性和成本高等问题,提出了基于虚拟双目的条纹结构光三维重建方法。采用单相机和两块双棱镜及投影仪设计了具有双目视觉功能的虚拟双目条纹结构光三维重建系统。通过双棱镜折射和分光改变被测对象表面反射光的路径,使用一个相机同时完成多视角的图像采集。通过多频外差法和立体匹配、双目标定得到被测对象的深度信息并重建点云。实验表明,文中提出的方法和真实双目结构光方法测量标准球的均方根误差分别为0.037 9 mm和0.030 5 mm。文中提出的方法可促进双目条纹结构光技术在快速、低成本、小型化等方面发展,同时该方法可推广到彩色相机条纹结构光三维重建及投影散斑结构光三维重建。     

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。     

六自由度姿态变换视觉实验平台及应用

为了适应生产线上不同摆放姿态下工件的视觉识别,实现基于视觉的机器人工件定位及抓取,构建了六自由度工件姿态变换模拟实验平台运动学模型及视觉系统模型,通过坐标变换实现工件姿态参量的测量。建立了六自由度姿态变换实验平台坐标系,通过3个滑动副、3个转动副,构建了基于Denavit-Hartenberg（D-H）方法的六自由度姿态变换实验平台运动学模型,并得到了D-H参量表、各个关节的变换矩阵及实验平台基座到末端的总变换矩阵。基于小孔成像原理,构建了姿态变换实验平台视觉系统的内、外参量模型,获得了工件表面点与图像点间的内参量关系矩阵及工件坐标系与相机坐标间的外关系矩阵。由激光环形光条图像,得到工件表面在摄像机坐标系中的法向量,并通过坐标系间的变换得到工件表面在世界坐标系中的法向量,进而推算出工件的姿态参量。结果表明,姿态参量的横滚角θ平均误差为0.373°,俯仰角φ平均误差为0.253°,偏转角ξ平均误差为0.673°。被测工件的姿态测量值与真实值基本吻合,满足不同姿态下的工件视觉测量要求。     

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。     

大视场线结构光两轴测量系统

提出了一种由CCD摄像机、线结构光投射器和两个回转工作台构成的大视场线结构光2轴测量系统。通过两个回转工作台的转动使线结构光平面扫过被测物体1周,在1次装夹下测量出物体的1周全貌。首先建立了由二维摄像机像面坐标系向被测物体转台坐标系变换的数学模型;利用标准球作为标定器具,根据线结构光平面中标准球的球心坐标和2转台转角可确定1个"共轭对",利用多组"共轭对"求出了系统模型中的未知参数;从而根据两个回转工作台分别转动的角度和CCD二维图像可获得线结构光平面上点的三维数据。实验结果证明,这种方法具有较高的测量精度,能在1次装夹下完整测量结构复杂物体的1周全貌,同时具有视场大、结构简单和成本低的优点。     

基于辅助相机的景深拓展三维重建技术研究

针对面结构光三维重建中,由于重建景深的限制导致待测物在超出重建景深后出现重建错误的问题,提出了一种基于辅助相机的景深拓展三维重建技术,并借助相位阈值自适应地对重建景深内外物体进行重建。采用四步相移与互补格雷码结合的方法获取绝对相位,通过多项式拟合法对相机、投影仪进行标定。提出了借助辅助相机建立超出重建景深的相位-高度映射的方法。实验结果表明：该方法能提高重建景深范围50%左右,大大提升了面结构光的重建范围。     

结构光内参数和机器人手眼关系的同时标定

为实现对复杂工件的快速在线测量,构建了基于结构光的机器人视觉测量系统,提出一种该系统中结构光测头内参数和手眼关系同时标定的方法。标定时,在机器人工作空间内固定一个平面靶标作为参考物,精确控制机器人末端带动结构光测头做平移运动和变位姿运动,获取不同位姿下的靶标图像。通过平移运动,同时标定结构光测头内参数和手眼关系中的旋转矩阵;通过变位姿运动,同时标定摄像机内参数和手眼关系中的平移向量。考虑到旋转矩阵和平移向量分离标定会存在误差累积,采用非线性优化方法对手眼关系做进一步优化。对标准球及工件进行扫描测量实验,实验结果表明该标定方法简单高效,能保证测量系统具有较高的测量精度,适用于工业现场。     

两组双目立体深度图像信息融合与三维重建方法

获取工件目标的三维表面与深度信息是实现工业立体视觉应用的关键。提出一种将两组双目视觉系统结合的方法,对随机摆放的工件多方位采集图像并获得目标工件的三维表面点云。其中,两组双目视觉系统会根据NCC(Normalized Cross Correlation)匹配算法产生工作场景的两组视差图像,去噪分割之后对其立体深度信息进行提取,其过程中采用一种新颖的转换方法,视差图像中每个坐标位置的像素点的x、y、z方向的立体深度信息分别被转化为X、Y、Z图像中对应位置上像素的灰度值。采样两组立体深度数据,共同储存到标定完成的参考相机坐标系中达到信息融合的目的。最后,对随机摆放的工业工件进行了的三维重构实验,对于相互重叠、高度、姿势都不同的零件能较好的恢复出清晰的轮廓点云,在重叠区域也能产生较为明显的层次性。     

大型工件单目结构光三维扫描方法

针对大型工件,提出了一种基于单目线结构光三维扫描的方法。通过引入线结构光平面建立了视觉传感器数学模型和多项式模型,并使用高精密手动平移台控制平行线靶标在6个固定位置的移动对相机和光平面进行标定,提高标定的精度和准确度。同时对测量工件部分精准定位有效区域,减小程序运算量。该扫描方法可直接构建传感器的测量坐标系,过程简单,速度较快。通过对大尺寸铝合金铸件进行扫描测试,选取了合适的扫描速度v=1.25 mm/s,在满足精度的前提下提升了工业应用的效率。实验结果证明,此种方法能够有效准确的对物体表面进行重构,平均误差小于0.1 mm,具有较高的精度。