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《吉林大学》 2004年
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基于计算机视觉的板材成形件三维测量

任永政  
【摘要】:随着现代工业生产和科学技术和迅猛发展,各行各业对三维轮廓测量技 术的需求日益增长。物体的三维轮廓包含了物体的全部形状信息,因此,对 物体的三维轮廓测量可使人们更全面、更深刻地认识物体。在过去 30 多年的 时间里,三维表面测量技术已经成为科学分析、工业控制、生物工程、生物 医学以及材料科学等方面研究的一种重要而基本的方法,特别是快速成形和 逆向工程的兴起,对三维测量技术提出了更高的要求。测量的速度和精度在 工业检测、质量控制和计算机视觉等领域中占有越来越重要的地位。 目前,对于板类件计算机视觉测量中采用的投影光栅为单向条纹。本文 结合计算机视觉、小波分析、数学形态学理论、图像分割理论及遗传算法, 采用类似于结构光的网格型条纹曲线,研究了基于计算机视觉的板类件三维 测量中的摄像机标定、目标分割、网格条纹特征提取以及立体匹配等问题。 本文首先构造了基于计算机视觉的三维测量系统,然后利用现有的计算 机视觉理论研究成果,对所测工件进行基于两步法的计算机视觉摄像机 V 形 标定,首先采用 V 形标定块进行线性标定,然后将线性标定结果作为初值, 提出了带有摄像机径向畸变的成像模型。 利用两台摄像机所抓拍图像,采用小波变换对图像降噪,利用局部区域 搜索法提取目标轮廓离散点并用三次均匀 B 样条拟合,实现目标与背景分割, 去除冗余信息。采用多尺度小波变换提取网格曲线得到离散小波点,利用数 学形态学将离散点分为垂直和水平方向点族,并用 B-样条拟合各组边缘点, 形成体现条纹边缘真实形状的连续曲线。然后给出了保证边缘曲线定位精度 的 B-样条曲线参数修正的迭代算法。提出一种以 B-样条曲线作为基元的自由 曲线三维重建法。首先,借助遗传算法,根据视觉几何不变量实现 B-样条曲 线对应匹配的并行运算;接着,由外极几何特性,恢复出自由曲线点带;然 后,采用 B-样条进行双向曲面拟合,根据拟合误差由迭代算法循环修正,由 于网格曲线点带为水平和垂直方向上均匀分布,可以减少迭代次数,并可大 大提高重建精度。实验中分析了马鞍形曲面件,波浪形曲面件,球形件以及 碟形件的三维测量,给出了精度误差,并且分析了误差产生的原因。 在板类件测量中得出结论如下: 1.构造了基于计算机视觉的三维测量系统,包括硬件组成和软件组成。 在分析传统摄像机标定方法的基础上,综合考虑了影响摄像机标定精度的各 种因素,提出了基于分步算法的计算机视觉摄像系统 V 形标定方法。通过 V I WP=79 吉林大学硕士研究生学位论文 形标定模板提供了不同高度的控制点,增加了摄像机线性标定的稳定性;并 将线性标定结果作为初值,提出了带有摄像机径向畸变的成像模型,提高了 摄像机的标定精度。 2.根据小波变换多尺度特性,提出了基于小波变换的条纹图像降噪方法, 去除了含噪条纹图像的噪声。在此基础上提出了基于小波变换的板类件边缘 信息提取方法并用 B 样条进行边缘拟合。根据多尺度小波变换精确检出目标 轮廓边缘,利用局部区域搜索法能够精确提取小波变换得到的边缘离散点, 同时有效去除伪边缘离散点,最后用三次均匀 B 样条曲线拟合的轮廓线光滑、 定位精确,有效去除小波变换得到的边缘轮廓线的不规则锯齿和毛刺,该方 法可以增强图像分割对噪声干扰的鲁棒性,可以达到很好的边缘信息提取效 果。 3.提出了从板类件网格中精确检出网格线的技术。首先利用小波变换检 出网格线边缘,然后采用数学形态学方法将网格曲线离散点分成水平和垂直 方向的离散点,利用无监督聚类方法,将边缘点按条纹实际分布情况分成不 同点群,再采用 B-样条将同一点群的边缘点拟合成参数曲线。并通过迭代算 法对直接影响 B-样条参数曲线拟合精度的数据点的参数进行修正,以获得定 位准确的条纹边缘曲线,为基于计算机视觉的板类零件三维测量系统提高准 确的立体基元。 4.给出了基于 B 样条空间的网格曲线三维重建方法。本文将网格边缘 B-样条曲线作为基元,以计算机视觉几何不变量为基础,借助遗传算法对条 纹 B-样条曲线的进行了整体匹配,并将 B-样条曲面拟合与误差修正结合,仅 用很少的迭代次数就大大提高了三维重建精度,恢复出物体可视表面的完整 三维信息,并通过实验证明了该算法的快速性、可行性和合理性。 5.给出了基于计算机视觉板类件三维测量系统的测量精度考证方法、误 差产生的原因及提高精度的途径以及工程应用实例。 6.用 Visual C++编制了相应的图像处理软件,并将板类件三维测量系统 的测量结果与三坐标测量仪的测量结果进行对比,验证了系统的测量效果。 对马鞍型曲面件、碟形件、波浪形件以及球形件等工件的测量结果表明,一 次测量绝对精度基本控制在 0.10mm 左右,该方法具有速度快、可操作性强、 易于维护等优点。 最后,根据目前该领域的研究情况,提出该领域的研究展望,为该领域 的进一步研究和发展提供了有益的思路。   
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TP274.4

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【引证文献】
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【同被引文献】
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1 任永政;基于计算机视觉的板材成形件三维测量[D];吉林大学;2004年
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