基于光度立体视觉三维重构算法的微观磨损形貌原位测量原理及方法

基于图像的表面微观磨损形貌分析在磨损机理及状态分析中具有重要的地位,三维显微成像技术的应用已经将二维磨损形貌图像分析拓展到更丰富的三维分析领域.然而,从设备维护及故障监测的角度,在机或原位测量显然比上述先进测量更具吸引力,并且复杂、昂贵的先进表面测量技术至今无法打破其在机或原位测量的壁垒.针对现场检测与三维分析的需求,将光度立体视觉原理引入至微观磨损形貌的原位测量,借助便携式平面图像采集系统进行光学设计,提出一种采用多阴影平面图像的三维表面重构方法.首先,通过张正友标定法实现空间点由图像坐标系到相机坐标系的转换;然后,基于成像系统建立近场点光源模型,并由光度立体视觉算法求解表面法向量;最后,基于FC算法计算表面深度与高度信息,完成磨损表面微观形貌三维重构.基于上述方法,研制便携式图像采集与三维重构系统,分别对平面和曲面两类表面进行检测试验,并与共聚焦显微镜测量结果进行对比.测量与对比结果表明,截面曲线上特征点之间的高度差误差小于4.2％,截面二维参数误差小于10.9％,三维表面参数误差小于12.9％.上述工作表明,所提出的方法为机械设备部件磨损表面原位测量与分析提供有效的技术手段.     

多摄像机线结构光的钢轨表面三维缺陷检测

为实现钢轨表面缺陷的实时全方位检测,提出基于多摄像机线结构光的三维检测方法。首先,通过标定线结构光和摄像机平面之间的位置参数,获取该摄像机视角下的钢轨表面线结构光的三维形状变化。其次,标定多个摄像机之间旋转平移参数,将多个视角下的三维点云进行拼接形成完整钢轨三维模型。同时,设计了钢轨三维检测的硬件装置,通过硬件编码器获取传送带运动的距离,形成钢轨在长度方向上的全貌三维形状。针对存在缺陷的钢轨样品进行了三维轮廓测量,实验结果表明,该方法的在钢轨深度方向上的精度能达较高精度,符合钢轨表面缺陷检测的要求。     

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。     

用于便携式轨检小车的轨距及磨耗检测方法

轨道线路的轨距及磨耗检测是保障列车运营安全的一项关键技术,传统的人工检测效率较低,大型轨检车检测及维护成本高,使得在轨道日检维护中缺少有效的设备及方法来满足轨道线路检测需求。为了解决此问题,提出了一种用于便携式轨检小车的轨距及磨耗检测方法。首先,基于光平面方程、机器视觉三维重构理论及相机标定技术构建了激光视觉检测模型及系统标定方法,获取了同一世界坐标系下的轨道左右轨轮廓线三维坐标值点集;其次,利用改进最近点迭代匹配算法,实现测量数据点集与标准钢轨点集匹配,计算得到轨距及磨耗值;最后,搭建测试系统进行实验验证。结果表明,该方法的最大测量偏差小于0.1 mm,能够满足轨道线路日常检修及维护要求,为列车安全运行提供了技术保障。     

基于HALCON的单目视觉系统冲压件的几何特征检测

为了保证产品质量,对其几何尺寸和特征的检测,如冲压工件的尺寸精度、表面压印字符的完整性、表面划痕检查等是工业现场检测的必要手段。使用快速的非接触式的视觉测量是解决此类问题的有效方法。摄像机标定通过图像计算摄相机内部参数和外部参数,实现从二维图像获取三维信息必不可少的步骤,直接影响了测量精度,利用HALCON软件通过坐标补偿的方法采用非线性模型实现单目视觉系统的标定及在此基础上验证冲压件尺寸的准确性。实验证明该方法标定精度高、适应于现场检测,具有较强的鲁棒性。     

三维测量系统中基于圆锥拟合的旋转台轴线标定新方法

旋转台是三维测量系统的重要组成部件,其轴线的标定精度直接影响多视角测量数据的拼合效果。本文提出了一种基于圆锥拟合的高精度旋转台轴线标定新方法。该标定方法考虑了转台轴线与水平面不垂直的情况,把传统的旋转台标定参数由3个提高到6个。采用标准陶瓷圆柱作为标定物,通过将圆柱测量点云轴线进行最小二乘圆锥拟合、圆锥曲线方程标准化求解标定参数;仿真实验、旋转台标定实验、圆柱测量实验与航空叶片测量实验表明,圆锥拟合模型相比传统的圆柱拟合能获得更高的拟合精度。在圆柱标定实验中测量误差由0.042 mm降低到了0.032 mm,验证了本文方法在标定精度上的优势。     

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。     

热轧圆钢截面轮廓及直径结构光在线检测系统

基于激光视觉三维测量原理,采用四个结构光传感器设计了一套热轧圆钢截面轮廓及直径结构光在线检测系统.提出了一种现场快速统一标定方法,并设计了相应的新型立体标定靶标.提出了一种对截面轮廓三维数据进行筛选和融合的数据处理方法,得到圆钢截面较理想三维坐标,从不同方位采用平行线相夹法测量圆钢截面直径.进行了系统标定实验和测量实验,实验结果证明系统在一定测量范围内能实时获取圆钢截面轮廓,直径测量精度在0.2mm以上.     

基于线激光多目立体视觉的船舶曲板成形在位检测与自动调形系统开发

为实现数控三维弯板机渐进成形船舶曲板的快速、精确在位检测与自动调形,研制了适用于数控三维弯板机加工现场的基于线激光多目立体视觉技术的在位检测与自动调形系统。设计了检测系统方案与结构参数,研究了系统标定、线激光三维重建、点云配准、船板成形偏差与板材回弹量计算等关键技术,开发了基于Windows平台的在位检测与自动调形软件系统。结果表明,该系统测量误差小于±1mm,单次测量时间小于30s,视场大于弯板机加工区域2750mm×2750mm,满足数控三维弯板机加工过程中船板在位检测与自动调形需求。     

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。     

近景摄影测量技术在钢轨检测中的应用研究

为解决手工检测工具效率低、检测结果不便于数字化管理和工作强度大等弊端,将非接触式近景摄影测量技术与三维结构光检测相结合,提出一种准确获取钢轨的三维点云数据,进而得到钢轨表面轮廓参数的有效手段.使用近景摄影测量技术获取标志点的空间位置,以此作为点云扫描的全局拼接点;利用三维结构光扫描仪获取钢轨的点云数据,从而获取钢轨表面轮廓参数;对比研究近景摄影测量技术对检测结果与测量精度的影响.铁路现场试验表明:该方法的测量精度可达0.08 mm,可实现对钢轨表面轮廓参数的精确测量.     

相位高度的显函数模型及其标定

由于传统的相位轮廓术(PMP)使用的相位高度模型参数存储空间大,标定计算成本高,本文由绝对相位与深度坐标的关系推导出相位差高度模型的显函数模型,并提出了一种基于未知标定平面的灵活标定方法。该模型只需9个非共线的像素数据即可计算出模型的15个参数,降低了计算量,节约了内存空间。提出的标定方法无需精密运动台,标定板无需覆盖整个测量范围,无需知道位置姿态,降低了标定成本,提高了标定的灵活性。对提出的模型和标定方法分别进行了仿真和实验,仿真结果验证了相位高度显函数模型的正确性和标定方法的有效性。对提出的模型和标定方法在实际的结构光系统中进行了实验,用标定后的系统对实际物体进行了测量,结果表明三维曲面具有较高的质量,证明了提出方法的可行性。     

基于激光扫描测量臂的工业机器人运动学标定

提出一种基于激光扫描测量臂测量系统的6轴工业机器人运动学标定方法。分析了机器人本身的运动偏差和综合考虑测量系统构造的机器人坐标系与真实基座标系之间的不重合问题;建立机器人末端位置与各连杆参数相关的绝对定位误差方程,基于该误差方程,利用便携式激光扫描测量臂测量系统对不同空间位置姿态下机器人的法兰中心点进行测量,并用最小二乘法对误差方程进行解算,利用计算出的参数误差修正机器人模型中的各名义参数值,可以提高机器人运动的准确度。将该方法应用在Staubli TX90工业机器人上,实验结果表明,机器人的绝对定位精度由标定前的均值/标准差0. 742 5 mm/0. 191 0 mm减少到标定后的0. 242 8 mm/0. 098 1 mm,提高了近50%,表明该标定方法的有效性和准确性。     

基于交叉矢量的视觉-激光测距系统结构参数标定

视觉与三维激光测距组成的测量系统是运动估计与环境建模的主要传感设备。 为了实现测量系统感知数据坐标系的 统一,提出了一种基于空间向量自组合的视觉与三维激光测距系统结构参数标定方法。 主要包括 3 个方面:1)利用平面标定法 求解摄像机内部参数及摄像机坐标系下平面靶标的法向量,利用迭代拟合算法求解激光雷达坐标系下平面靶标的法向量,并构 建两个坐标系下的平面靶标法向量集合;2)根据向量之间夹角大小在平面靶标法向量集合中自主选取交叉向量,建立结构参 数标定目标函数;3)利用非线性优化算法求解最小二乘问题,获得外部参数的最优估计。 通过仿真与实际标定实验验证了方法 的有效性和准确性。 实验结果表明:该方法的反向投影误差小于 30 mm(3σ),满足高精度三维测量的同时还具有高的标定效 率。 所提方法满足传感器融合测量精度的要求。     

基于市售设备的结构光系统模型及标定

在射影几何矩阵模型和三角法解析模型的基础上,结合市售数码相机和投影仪内部结构参数精度高、工作稳定的特点建立了结构光三维测量系统的实用数学模型。提出一种借助数码相机赋予投影仪"视觉"功能,向标定模板投射正交格雷码图案,从而确定DMD像面点和空间标准点对应关系的投影仪标定方法。作为上述数学模型的基础,设计了基于共线特征的校正模板,采用图像法将数码相机镜头畸变参数分离于系统参数之外单独标定。文中具体给出了数学模型、标定公式及校正模板,最后进行了标定、测量实验。仿真系统验证了方法的可行性,测量相对误差约为0.2%;实际系统平面测量相对误差小于0.7%,重构的复杂表面具有良好视觉效果。     

一种基于NL-SFS方法的三维人脸快速重建系统

针对快速重建三维人脸的需求,设计了一种基于非Lambert从明暗恢复形状(NL-SFS)方法的三维人脸快速重建系统。首先人脸表面采用非Lambert反射模型描述其反射特性,这更接近于人脸表面实际的反射特性;接着由遵循正交投影的摄像机获取光源作用下的人脸表面图像,同时假定摄像机方向与光源方向保持一致,建立人脸表面的图像辐照度方程;然后将该方程转化为包含人脸表面深度信息的Eikonal方程;最后根据上述方程的特点,利用fast marching方法设计了系统软件,能够快速求得Eikonal方程的解,进而重建出人脸的三维形状。实验结果表明,该系统可以在较短的时间内获得较高的重建精度,即0.9s内可达到0.43%的高度平均相对误差。     

基于间接标定法的结构光视觉检测系统三维测量技术与试验评估

结构光三维测量系统的参数标定是获取三维数据的重要步骤之一,其中包括摄像机的参数标定和结构光平面的参数标定。为了解决传统光平面标定算法复杂、检测实时性低的问题,提出了一种基于定向移动平面标靶的光平面间接标定法,首先利用特征加窗提取技术和形态学细化算法对标靶平面上的光条进行中心线提取,进而获取光条中心线上的图像像素坐标点;其次结合已经标定好的摄像机参数和光平面所在的坐标分量的坐标值反解求出标定特征点的三维世界坐标;最后利用最小二乘法对求得的三维坐标点进行光平面拟合,从而实现对光平面的标定过程。采用Matlab GUI界面编程方法实现对光平面参数标定试验以及三维测量试验,验证了该方法的有效性和优越性。     

多高度小零件视觉测量方法设计

设计一种综合应用激光三角法和二维机器视觉测量技术测量方法,实现对多高度小零件二维几何尺寸的测量。首先在测量高度范围内,利用线结构光进行高度测量标定,采用多项式拟合建立线结构光成像位置与高度的关系;用精密圆形靶标对不同高度平面进行二维尺寸标定,分别考虑不同高度平面坐标系映射到图像坐标系后光学放大率不同和坐标系间的不平行,CCD摄像机阵列垂直方向与水平方向不一定垂直的情况,以及光学镜头畸变等得到不同平面所在高度的二维尺寸测量标定参数,由此建立起各二维尺寸标定参数和高度的函数关系。对具有不同高度的小零件进行测量,并与三坐标测量机结果进行比对,多次测量的高度最大误差小于0.032mm,二维尺寸最大误差均小于0.08mm。     

激光跟踪仪在摄像机标定中的应用

使用激光跟踪仪标定摄像机的方法主要解决2个问题:(1)如何生成传统标定方法需要使用的控制点;(2)如何精确测量控制点的三维世界坐标。在摄像机的视场中安放一块表面平整的标定板,然后把激光跟踪仪的测量光束直接投射在标定板的表面上,在标定板表面生成的指示光斑被用作标定摄像机的控制点。用激光跟踪仪测量出标定板平面的方程,然后将测量光束看作一条直线,由测量光束和标定板平面的方程求解控制点的三维世界坐标。通过实验对该方法做了验证,实验结果表明:该方法适合标定视场较大的摄像机,而且可以获得较高的测量精度。     

线结构光传感器模型的简易标定

为了现场完成线结构光视觉传感器中摄像机和光平面的同时标定,提出了一种基于单一圆形标靶标定线结构光视觉传感器的方法,该平面标靶包含一个同心圆以及过圆心的两条正交直线。通过共轭点原理线性计算摄像机内参数的初值,并根据正交性约束进行迭代优化。然后,多次移动传感器,保持结构光与同心圆相交,使其构成三点透视模型(P3P),依此计算光平面上标定点的三维坐标。最后,利用最小二乘法拟合出光平面方程,从而完成光平面方程的标定。实验结果表明:该方法具有较高的精度,平均测量精度为0.036 82mm,相对测量误差为0.277 13%。该标定方法仅需同一标靶即可完成摄像机内参数和光平面方程的标定,降低了标定成本,且计算简单、操作灵活,适宜现场环境标定。