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基于数字散斑相关方法的视觉变形测量技术研究

陈华  
【摘要】: 随着制造业的快速发展,材料或结构件在各种载荷作用下的三维变形及形貌测量的研究在材料测试、强度试验、质量控制、逆向工程等领域具有十分重要的意义。近年来,视觉测量的方法由于其非接触性、高灵敏度、高测量精度、高自动化而日益受到人们的重视。数字散斑相关方法是一种全场、非接触的光测方法,是应用计算机视觉技术的一种图像测量方法,已经被作为一种变形测量的有效手段应用于实验力学、各种工程方面及其他科研领域。但这种光学测量方法只能测量平面物体的面内位移,为了满足对平面或曲面物体表面的三维变形测量的迫切要求,将二维数字散斑相关方法拓展到三维数字散斑相关变形测量是非常必要的。 课题“基于数字散斑相关方法的视觉变形测量技术研究”是在对二维数字散斑相关方法研究的基础上,将双目立体视觉测量技术引入到二维数字散斑相关方法中,实现了三维变形全场、非接触测量。对于此变形测量研究,需要重点解决二维相关搜索精度和速度问题、三维相关立体视觉匹配问题、双摄像机参数精确校准等关键技术问题。 在二维数字散斑相关方法研究中,对一些关键技术进行了深入的研究,为了提高搜索速度和计算精度,确定了主峰尖锐、计算简便的相关系数公式;在分析已有相关计算方法的基础上,提出了自适应遗传算法用于二维相关搜索,获得面内变形信息;确定了亚像素估计方法;用数学方法生成模拟的数字散斑图像,对提出的自适应遗传算法进行验证,实验结果表明所提出的方法收敛速度快,计算精度高。 在三维数字散斑相关方法的研究中,将立体视觉测量技术引入到数字散斑相关方法中。研究了空间三维坐标求解方法。为了解决立体视觉中最主要的匹配问题,本文提出了一种用于数字散斑相关方法的立体视觉匹配方法,该方法利用立体视觉外极线约束与数字散斑图像点子区灰度相关性结合的判别准则,可以实现两个摄像机摄取图像的同名点的快速、准确匹配。完成立体匹配后,根据变形前后同一点的三维坐标,进一步计算获得三维变形量。 对于保证系统测量精度的重要环节之一的摄像机参数校准,论文提出了一种基于三维空间标准数据点与改进两步法的摄像机参数校准方法。采用三坐标测量机测头上的红外LED作为特征点,随坐标机的运动给出精确三维空间标准数据点;采用近光轴畸变小的图像点和相应的空间点进行线性估计求得参数的初始值;然后利用所有的空间点,以空间点到对应反投射线距离最小作为优化目标进行非线性估计。该校准方法克服了立体校准模板加工和校准都比较困难、平面模板校准方法自身精度低的缺点,由于对校准空间点到对应反投射线距离进行了优化,从而保证了空间距离误差的最小,提高了校准精度。此外,线性和非线性估计相结合的校准过程保证了像机参数能够快速、有效地收敛到全局最优解。 对被测目标实际变形测量的总体测试实验证明系统原理正确,算法可靠,具有较高的精度,能够满足一定精度要求的变形测量需求,具有很好的实用性。


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