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基于工业摄影和机器视觉的三维形貌与变形测量关键技术研究

肖振中  
【摘要】:三维形貌与变形测量在产品质量控制、逆向设计、材料与工程结构测试、生物医学、文物保护等众多领域中的需求日益增加。过去传统的测量内容和测量方法已经不能满足需要,物体的三维尺寸、表面形貌和运动变形数据的获取成为测量领域的研究热点和前沿课题。本文针对目前光学三维形貌与变形测量研究中存在的不足,采用理论分析和实验研究相结合的研究方法,综合机械工程、光学电子、计算机视觉、数字图像处理和摄影测量学等多个学科对三维形貌与变形测量关键技术进行了系统、深入的研究。主要研究内容和研究成果如下: (1)讨论了光学三维形貌与变形测量技术原理和优缺点,对研究现状和发展趋势进行了系统的分析。研究了工业摄影测量和机器视觉中坐标转换、摄影几何约束、空间交汇和三维重建的基本理论。为本文的研究工作提供基本的理论依据。 (2)机器视觉系统参数标定是三维测量技术中的关键问题之一,其标定精度直接决定后续三维重建的精度。为进一步提高视觉系统测量精度,提出了一种基于工业摄影测量的相机柔性标定方法,给出了相机成像模型和十参数镜头畸变模型,并进行了相机标定实验及重投影误差分析。该方法使用不同尺寸的标定板和标定十字架,无需标定物世界坐标,可以对不同视场单个或者多个相机进行标定。标定参数初始值由摄影测量中相对定向和直接线性变换方法得到,然后使用捆绑调整算法整体优化物方坐标及相机内外参数。实验结果表明,标定重投影误差小于0.05像素,标准尺(221.001±0.003mm)平均测量误差0.03mm,与传统方法相比,标定精度有较大提高。 (3)系统地研究了单相机、双相机和多相机的高精度三维重建方法,推导了在不同情况下的三维重建方程。提出了基于外插多频相移的双目面结构光测量方法,并进行了精度实验验证和误差分析。基于外插多频相移的相位展开算法,相位展开过程主要依赖不同频率正弦光栅图像的相位主值,对被测物体表面颜色不敏感,无需表面处理,计算过程更稳定,且可对每种频率的相移均进行相位展开,后续三维重建时使用多个连续的相位值进行平均计算,提高了三维重建的精度。 (4)针对大型结构件变形,提出了一种基于工业摄影测量的三维静态变形测量方法。该方法可以方便地获得大型结构件在不同载荷条件下的整体位移场信息。研究了同名点匹配和搜索算法,改进了坐标配准算法,提高了坐标配准的效率,并实现了静态变形测量数据中变形点的匹配,从而计算出实际的位移变形场。提出了一种相关拼合的算法,通过使用相关点进行坐标配准和相同变形点匹配,提高了相同变形点匹配的效率。 (5)针对全场位移和应变测量,结合双目立体视觉,提出了一种基于数字图像相关的三维应变测量方法。研究了数字图像相关方法的基本原理,涉及的关键技术包括相关系数、相关搜索、相关区域校正和位移场数据的平滑等。通过引入盒滤波思想,改进了整像素相关搜索算法,提高了匹配效率,对影响测量精度的因素进行了分析并提出了散斑图像光照不均匀的校正方法。 在上述理论与技术的基础上,将研制的双目面扫描系统、静态变形测量系统、动态变形测量系统在大型飞机全尺寸形貌测量、汽车钣金件、电力塔架真型试验、薄板焊接变形试验、材料拉伸试验中进行了应用和实验,并取得了良好的效果。


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