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《华中科技大学》 2009年
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便携式光笔三维坐标测量技术与系统研究

秦大辉  
【摘要】:现有测量装备大致分三类,一是以三坐标测量机和关节臂为代表的接触式测量装备,其特点为精度高、柔性低,难以满足现场测量的需求;二是以结构光测量技术为代表的光学非接触式测量装备,其特点是速度快、无法进行单点测量且有断光干扰;三是以光笔测量机为代表的视觉坐标测量装备,其特点为无线、无臂、无断光干扰、柔性高、探针直接采点,可以实现随时随地测量。因此,光笔能够在现场测量光线难以到达的工件内腔曲面、深孔等特征,为零件装配的定位和零件的工装检测提供一种新方法。目前,光笔视觉测量技术在工业界具有非常大的需求,但是被挪威迈卓诺公司垄断,价格昂贵,技术保密。因此,本文对光笔测量技术中的关键技术进行系统研究,以研制出具有自主知识产权的光笔测量系统。 硬件的合理选择和正确使用能够提升系统的性能。本文针对组成光笔视觉坐标测量系统的硬件特性进行了深入的研究,包括CCD的特性和误差源,镜头的特性和误差源,标志点材质对定位精度的影响,CCD摄像机不同的接口对精度和性能的影响等。最后构建了实验样机。 光笔图像滤波处理是降低图像噪音的有效途径。通过对光笔图像的背景特点和对不同类型滤波器特性的深入研究,选取了具有线性和旋转对称性的高斯平滑滤波器,该滤波器能够显著的降低噪声水平,同时还能够控制标志点图案边缘位置的准确性。 光笔图像中标志点区域分割是实现标志点追踪的重要一步。在对不同的阈值分割技术进行系统的研究的基础上,选取数学形态学中的顶帽变换算法,该算法能够有效的补偿图像背景光的不均匀性,实现目标区域的准确分割。并通过研究标志点区域的特点,提出了一种综合形状和面积判别准则,实现了对光笔标志点区域的准确识别与提取。 光笔图像圆形标志点中心位置的精确求解是保证标志点精确定位的关键技术。在系统的研究各种中心位置获取算法的基础上,提出了一种利用梯度幅值作为权重因子的最小二乘拟合算法来求取标志点椭圆中心,并通过严格的实验证明了拟合算法的稳定性和准确性。 相机的准确标定是保证视觉测量的精度的前提。通过研究标定板不同的材质和不同的图案对标定过程和精度的影响,设计了一种具有圆形图案的平面标定板,实现了标定板图案椭圆靶标准确的自动编码技术,提高了标定过程的自动化程度。在微软研究院张正友博士提出的标定算法基础上,对镜头三阶径向畸变和二阶切向畸变系数进行了准确的标定,从而进一步提高了摄像机的标定精度。) 光笔结构参数标定是光笔测量系统能够进行三维坐标测量的关键。采用光束法平差原理进行光笔标志点的三维坐标的精确求取,并提出了基于单点多姿态的光笔测头自标定算法,实现了对光笔结构参数的完整标定。最后通过实验验证了标定算法的准确性。 测量数据的真实感显示对直观地观察测量结果具有重要意义。提出基于反射光的三维点云真实感显示算法。该算法利用微切平面法矢来近似三维数据点在测量曲面处的法矢,通过OpenGL为每个点添加法矢并定义光源和材质,得到具有反射光的三维点云真实感显示效果。 以上研究成果构成了一套完整的光笔视觉坐标测量技术,在此基础上开发出了一套光笔视觉坐标测量系统,并通过具体的应用案例证实了本文的所提出的理论与技术是切实可行的。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP274

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【参考文献】
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【同被引文献】
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