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光笔式单摄像机三维坐标视觉测量系统关键技术的研究

黄风山  
【摘要】: 基于测头成像视觉坐标测量技术的便携式三维坐标视觉测量系统具有组建快速灵活、操作简单、量程大、精度高、现场测量及测量不受被测物体表面差异影响等一系列突出优点,因此,便携式三维坐标视觉测量系统在大尺寸的现场测量、CAD模型三维数据快速获取和服装设计等领域有着极为广阔的应用前景。在对国内外便携式视觉坐标测量系统发展现状和趋势全面分析的基础上,设计组建了光笔式单摄像机三维坐标视觉测量系统。课题主要围绕系统的数学模型及其解的唯一性和提高系统的测量稳定性两方面来研究。实验表明,在1米测量范围内,被测点Z,Y,X坐标的测量稳定性精度可分别达到0.365mm,0.05mm,0.072mm。 论文的主要工作及创造性研究包括以下几个方面: 一.系统的总体构成与测量原理。系统主要由一支光笔、一架摄像机、专用标定附件和一台装有图像采集卡和测量软件的电脑所组成。光笔上至少装有三个点光源和一个带球形笔尖的触发测头,各点光源和触发测头球形笔尖的中心理论上在一条直线上。测量时,笔尖接触被测表面,摄像机拍摄笔体上点光源的像,由计算机进行图像处理并由测量软件计算出笔尖接触点的三维坐标。 二.系统模型的建立以及模型解的唯一性证明。根据“三点透视问题(P3P)”原理,创建性的提出并建立了本测量系统的数学模型—“共线三点透视问题(P3CP)”,并证明了该模型解的唯一性,推导出了被测点三维坐标的求解公式,同时也确定了光笔上点光源的个数最少为三个。 三.在三坐标测量机上完成了光笔式单摄像机三维坐标视觉测量对比实验。设计了合理的实验方案,实验结果证明了系统模型的正确性。经反复测试,实际组建的测量系统在X、Y、Z轴方向上最大不稳定性测量误差分别在0.077mm,0.01mm, 1.009mm左右,指出必须采取措施提高Z轴方向上的测量稳定性。针对实际测量系统和测量环境提出了影响系统测量稳定性的主要因素。论文的第四、五、六章都是围绕如何提高系统测量稳定性而进行研究的。 四.光笔结构的精度设计。光笔结构的精度是影响系统测量稳定性和测量精度的主要因素之一。通过理论分析和实验,给出了光笔上定位尺寸的确定原则,并通过实际测量实验确定了定位尺寸精度的初步估计值为0.001mm。根据精度要求并兼顾加工成本,确定了与光笔结构有关的形位精度。 五.利用最小二乘直线拟合提高了系统测量的稳定性。摄像机成像系统畸变误差以及光笔加工和装配误差使得直接使用P3CP模型测量的稳定性不高,所以,提出在像平面内对实际像点坐标进行平面直线最小二乘拟合,在摄像机坐标系内对计算出的被测控制点坐标进行空间直线加权最小二乘拟合,实际测量结果表明,经以上两种拟合处理后,被测点Z,Y,X坐标的测量稳定性精度可分别达到0.365mm,0.05mm,0.072mm。 六.系统图像的数据处理。对原始图像的处理和目标特征点轮廓及其中心像面坐标的提取方法是影响系统测量稳定性和测量精度的又一重要因素。创建性地提出了基于椭圆线轮廓度误差评定的椭圆形目标特征点图像识别与提取方法,实际图像处理结果说明该方法是稳定可靠的。 七.被测点三维坐标求解算法的改进和光笔结构冗余设计。为了进一步提高系统的测量精度,提出可不用共线条件来计算被测点坐标,而是在光笔上布置3个以上共线的点光源,从而构成冗余系统,用最小二乘问题的有关数值解法可求解出笔尖坐标。 八.重点研究了光笔结构参数自标定的原理和算法,建立了正确的自标定数学模型,指出要完成光笔结构参数的自标定,在光笔上布置5个共线的点光源时,至少需要3个笔尖位置。计算机仿真结果表明,所采用的数值算法对初值不敏感、收敛速度快、计算精度较高。 论文对系统总体构成与测量原理、系统模型及其解的唯一性、系统的测量稳定性、光笔结构参数的精度设计、像点和被测控制点的最小二乘直线拟合、系统图像数据处理、被测点坐标求解算法的改进和光笔结构冗余设计、光笔结构参数自标定原理和数值解法等方面进行了理论分析、实验研究和计算机仿真,取得了一些突破,提出了一些新的思想和方法,为系统进一步朝高稳定性、实用化方向发展奠定了一定的基础。


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