基于结构光的大工件三维测量拼接方法的研究

【摘要】：基于结构光的三维测量技术广泛应用于工业检测、质量控制、逆向工程、快速测量等领域,具有非接触、快速、高精度、低成本、易普及、操作简单等优点。目前在航空航天、大型船舶、汽车车身、高速铁路等高精尖制造业加工环节均有广泛应用。随着工业的发展,大工件的三维形貌测量需求逐渐增加,测量精度要求不断提高,工件表面趋于复杂,工件体积趋于巨大。传统的基于结构光的单幅面测量已无法满足现代工业测量的需求,因此,基于结构光三维测量拼接方法的研究在获取大复杂工件表面三维信息方面具有重要意义。基于结构光三维测量系统采用相交轴系统,即投影仪倾斜投影,CCD相机垂直于参考面正接收。投影仪倾斜投射的编码条纹在参考面上出现条纹周期展宽现象,影响测量精度。在大视场测量中,CCD相机镜头产生畸变效应,视场边缘畸变明显将产生明显的畸变误差。受系统结构的影响,单目测量系统无法一次获取大工件的完整三维形貌,从而对三维视图进行拼接就势在必行。在拼接过程中,累计误差会严重影响三维重建结果的精度。针对三维测量的难点,本文的主要研究内容如下。相交轴测量系统在测量前需要对系统进行标定,包括垂直度标定、平行度标定、光心对准校正、相位-高度标定。建立基于条纹周期校正的时间相位展开法的数学模型,在投影仪平面形成一个逆展宽方向的周期不均匀的条纹图,投射到参考面上,正好在参考面上形成均匀条纹。建立时间相位展开法模型,克服由于工件复杂表面的不连续性造成的相位解包裹困难。分析CCD相机的针孔成像模型,采用张正友的平面模板法标定CCD相机的内外参数,然后在此基础上,建立基于牛顿迭代的CCD相机畸变校正模型,提高相机测量精度,为后续三维视图拼接奠定基础。在完成单幅三维视图测量后,采用柱坐标系下的三维图像拼接方法进行拼接,将工件三维视图的直角坐标系坐标转换为柱坐标系坐标,然后进行拼接。此方法的关键在于确定柱坐标系旋转轴心的坐标,在实际测量过程当中,由于标志点无法精确定位,导致旋转轴心坐标定位不准,拼接效果不佳。采用基于标志点拟合,标志点中垂线,标志点和旋转角度等三种旋转轴定位方法,进行三维视图拼接。本文分析了有序拼接和整体拼接两种拼接方法的优缺点,并解决了如何避免产生累计误差等问题。