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大尺寸视觉测量精度的理论和实验研究

杨剑  
【摘要】: 随着制造业的发展,对测量任务提出了大范围、高精度、现场测量,甚至动态测量的要求。传统的三维测量技术无法满足这一要求,在这种背景下,视觉测量技术得以产生并成为一个重要的研究方向。视觉测量技术以图像为信息的载体,和计算机技术紧密的结合,具有非接触、快速测量、高精度等特点,已被广泛应用于各种测量任务中。视觉测量系统的精度直接决定着该系统的价值,因此研究视觉测量的精度理论及实验有重要的意义。 本文在相关项目的资助下,较系统的研究了大尺寸视觉测量精度的理论,具体涵盖了测量的误差源、误差传递分析、精度的评价、摄像机标定等方面。论文主要针对以下几个关键问题展开了研究并取得相应成果: (1)为了推导重建点的不确定度、投影矩阵和像点不确定度的数学关系,提出了利用参数方程重新描述投影过程的新思路。文中改变了视觉测量系统的原有解算方程,利用参数方程描述投影过程,并重新推导了三维重建点的解算方程。该方法克服了原有分析方法过于繁杂的不足,简化了误差传递分析,给出了明确的重建点不确定度的数学公式。同时,利用该数学公式估计权值,提出了视觉测量系统的加权最小二乘算法,仿真和实验结果表明,该算法在摄像机数量较少的条件下解算精度优于原有方法,在摄像机数量较多的条件下解算精度不次于原有方法。 (2)针对视觉测量系统样本量小,误差非典型分布,以及并非所有的影响因素都可以建立明确的数学公式的问题,将灰色系统理论用于视觉测量系统。文中首先改进了灰色系统理论,提出利用灰色系数向量来描述测量数据的不确定度,在此基础上利用灰色系统关联分析方法,研究因素对视觉测量系统精度的影响,该方法弥补了采用数理统计方法作系统分析导致的不足,给出了影响因素和测量精度之间的关联度,为视觉测量方案的设计提供了参考依据。 (3)针对大尺寸视觉测量的精度评价问题,提出了以距离约束为基础,进行点的拟合,利用拟合点估计偏差和不确定度的评定方法,并定义为拟合点的偏差和离散度。该方法首先在视场内建立多个基准距离;利用距离和坐标系的选取无关的性质,在视觉测量系统中,基于距离约束对点的偏差进行拟合。由于存在误差,使得该点的拟合存在离散度,从而将多个控制点的不确定度传递到拟合点上,利用该点的拟合不确定度来表示整个视觉测量的不确定度。实验中,偏差估计达到了设定的置信水平,不确定度的估计也符合实际值。 (4)摄像机参数标定是视觉测量的关键环节,本文针对大尺寸视觉测量系统的摄像机标定问题,提出了二维柔性拼接标定方法。该方法基于多个子标定板,各子标定板分为扩展区和识别区,其中识别区由编码点组成,通过编码点的匹配使得多个子标定板拼接成一个虚拟的母标定板,从而构成一个大面积的二维标定板。该方法可以随意布置标定板,在视场内随意的扩展母标定板的面积,并且标定板制备非常方便,可以很好的适用于大尺寸视觉测量系统的摄像机标定。实验结果表明,该方法的标定精度较高。


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