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基于约束算法的大尺寸三维视觉测量方法研究

王永强  
【摘要】: 大型曲面测量是大型设备制造业关键基础技术,对产品的质量控制至关重要。视觉测量的非接触、全场快速数据采集等优点,使其在大型曲面测量领域具有广泛的应用。本论文以提高大尺寸三维视觉测量系统的精度为主要研究内容,重点研究基于约束算法的大尺寸三维视觉测量方法及其它相关问题。 提出了一种基于距离约束的大尺寸三维视觉测量算法。结合视场边缘的距离约束和描述小孔成像模型的共线方程,构建附有距离约束的目标函数,新的目标函数降低了图像畸变对测量的影响,提高了视觉测量系统的精度。距离控制场内的测量实验表明,与传统的束调整算法相比,新算法使系统的测量精度有了较大提高。 多约束算法的理论推导及实现。不同的待测对象,场景内的约束条件是不同的,为了提高基于约束算法的视觉测量系统的适用性,将距离约束算法扩展到共线、共面等约束中,当场景内存在某一类约束时,即可引入到测量系统中加以利用,提高测量系统的精度。 摄像机的标定工作一直是视觉测量系统的研究重点,本文研究了两种标定方法:虚拟网格标定法和距离约束标定法。虚拟网格标定法根据射影几何中消隐点的性质,构建无畸变网格,依次标定主点、畸变系数和主距,其特点是独立标定摄像机各参数,消除标定中各参数的相关性,提高标定精度。距离约束标定法则据小孔成像的特点,建立像点坐标与空间距离之间的关系模型,高精度地标定摄像机内外参数,该标定方法不受点位坐标等因素的影响,用于标定的标准杆置于测量视场四周,不会引起待测场景内的遮挡问题,灵活性较高。 利用仿射变换方法解决相近视点间大尺寸场景的图像匹配,并将之应用于曲率变化平缓的曲面测量。用误匹配率、未匹配率和匹配正确率对仿射变换匹配方法进行了评价。实验表明,仿射变换可解决相近拍摄站位间的图像匹配问题。 设计基于距离约束算法的大尺寸单摄像机视觉测量系统,应用该系统解决大尺寸柔性材料面形的三维测量问题,首次利用基于约束的视觉系统完成了大尺寸薄膜充气天线和微波可展开天线面形的精密测量,论文给出了像点残余误差和紧密度的概念,并用两精度指标对天线面形测量进行了精度分析,其测量精度满足天线的设计要求。


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