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机器视觉测量方法及曲面重构技术研究

赵萍  
【摘要】:逆向工程作为消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术,已成为先进设计制造领域研究的热点,具有良好的应用前景和应用价值。本文针对具有特殊曲面的农机具在研制过程中存在的问题,围绕逆向工程关键技术——数字化测量、点云数据处理及曲面重构,以机器视觉测量方法和曲面构建相关技术为重点展开研究,旨在为国内、外产品技术吸收、消化及创新设计提供更为完善的方法,为新型农业机械的研制提供理论基础,主要研究内容如下: ①对逆向工程中的数字化测量、点云数据处理及曲面重构等关键技术进行了阐述,总结了国内外研究现状、成果及存在问题,说明了逆向工程关键技术研究及探索其在农业领域应用的必要性,进而提出本文的研究内容与方法。 ②对三维数字化测量进行了研究。针对目前测量设备普遍存在边界数据误差大及不完整的问题,结合结构光测量法和双目立体视觉测量法的优点提出了基于视觉的复合式测量方法及测量方案,利用结构光测量法实现被测物体表面的测量,双目立体视觉测量法实现边界数据的提取;采用理论和试验相结合的方法,研究了双目视觉系统结构参数对测量精度的影响,在此研究结果的指导下,搭建了复合式测量系统并分析、计算了其测量范围。 ③研究了双目视觉测量中摄像机标定方法。阐述了摄像机成像模型,采用对比分析和试验的方法,总结了常用摄像机标定方法的优缺点;针对张式标定方法中标定模板基准点识别误差大的问题,提出了一种新的标定方法,对比试验表明:该方法精度高、受噪声影响小、对应点匹配方便。 ④研究了双目立体视觉测量中边界提取算法。通过试验对比分析了常用图像边缘检测算法及其特点,针对本研究提取被测对象边界轮廓的目的,采用数学形态学方法实现了图像边缘检测与连接,加强了边界的还原真实性,通过孔洞填充,避免了内部结构对边界轮廓的影响;提出了极线约束下,边界角点特征与区域匹配相结合的双目视觉立体匹配方法,该方法提高了匹配速度,降低了误匹配概率;根据双目视觉视差原理实现了被测物体边界轮廓三维数据点的获取,针对具体实例,采用试验方法,验证了所提算法的可行性。 ⑤对点云数据处理进行了研究。研究了基于三基准点的多视点云拼接方法,采用了人机交互模式下重叠区域数据统一,提高了运算速度,并通过试验进行了拼接误差分析;研究了数据滤波平滑方法,采用试验对比方法,分析了各种滤波方法的优缺点,提出了基于中值和均值的滤波方法,通过具体数据点实例验证了该方法的可行性及效果;研究了点云数据精简方法,采用基于颜色特征的曲率计算,实现了点云精简,达到了曲率大处数据密集,曲率小处数据稀疏的非均匀精简。 ⑥研究了基于点云的曲面重构理论与方法。研究了基于点云的曲面片直接拟合方法、基于曲线拟合的造型方法及曲面模型质量评价方法,给出了曲线、曲面光顺性的直观体现;结合具体实例,在Imageware软件中实现了其曲面重构和模型质量评价。 ⑦以犁体曲面及免耕播种破茬用倾斜波纹圆盘刀为实际样件,利用本研究搭建的测量系统及相关方法;实现了犁体曲面由样件一点云数据一曲面模型的全过程,并以其为对象,通过对比试验验证了本研究测量系统及相关方法的精度及可行性。针对倾斜波纹圆盘刀,采用逼近拟合、基于颜色特征曲率计算等方法,实现了结构参数反求,在此基础上,完成了参数化建模。


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