（精密仪器及机械专业论文）基于结构光测量技术的反求系统关键技术的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

堡玺鎏堡三查兰三兰堡圭兰堡篁兰 基于结构光测量技术的反求系统关键技术的研究 摘要 反求工程能够快速吸收先进技术，提瘫新产黯的开发速度，快速测爨技 术楚其中的关键环节，也是后续工作的基础。三三维视镦测量技术具有非接 触、速度快、柔性好等突出优点，在现代制造业中有若麓要的威用前景。但 是锈觉溺薰技术嘏存在蓍稽度、遮度方嚣静蠲题，还不簸完全豢足反求王程 的需要，为此本文对基予结构光测量技术的两个摄像机平行放簧进行三维视 凳测量豹穷法进行了瀑入系统熬爨论窝试验骚突。 1 在对比各种三维视觉测量技术后，提出一种将畿体视觉测量和激光 扫描测量期结合的测量方法帮基于线结构光测量技术的双曩三缎视觉测爨方 法，详细分析了摄像机模穗、坐标系交换、系统工作原理后给出了系统数学 模型。 2 凌数学模疆基磴上，硪潮了由c c d 摄像视、黼像采集卡、精密导 轨和计算机等硬件以及相应的软件构成的结构光三维测擞系统的实验装鼹。 3 。瓣强像鲶理戆算法迸嚣了深入磷究，使蠲v c + + 6 。0 、m a t l a b 6 。1 耧穿 设计语言编制了配合结构光三维视觉测量系统使用的图像处理程序，完成对 鼹采集图像豹预姥理。 4 采用一种基于己知点距离对系统进行标定的方法对系统结构参数进 行快速、糕确地橼定，利用标定结果进行大量实体测擞实验，得到预期结 栗，势对系统瓣溺萤精度避幸亍了详细遥分析。 通过实际测擞结果的分析表明，测量数据正确反映了被测物体的三维外 形，系统靛戆稳定，结栗褥靠，宠筏了预定豹磅究器标。对蓬蠹鹣三维测量 技术研究撼有一定学术价值和现实意义。 关键词：反求工程；结构光；视觉测量；c c d 摄像机 篁玺堡矍三奎耋王耋堡老耋堡篓圣 s t u d yo nk e y t e c h n i q u e so fr e v e r s e e n g i n e e r i n gb a s e do ns t r u c t u r e d l i g h tm e a s u r e t e c h n i q u e a b s t r a c t r e v e r s ee n g i n e e r i n gc a na b s o r bt h ea d v a n c e dt e c h n i q u ea n di n c r e a s et h e d e v e l o p m e n ts p e e do fp r o d u c tq u i c k l y q u i c km e a s u r i n gt e c h n i q u ei st h ek e y l i n k o fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n di t st h ef o u n d a t i o no fs u b s e q u e n tw o r k t h et e c h n i q u e 。f3 dv i s i o nm e a s u r e sa d v a n t a g ei su n t o u c h e d ，q u i c k ，f l e x i b l ee t c + i th a s i m p o r t a n tf o r e g r o u n di nm o d e m 俄a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y b u tt h e r ei sp r o b l e m s y e ti nt h e3 dv i s i o nm e a s u r et e c h n i q u e ，s u c ha sa c c u r a c ya n ds p e e d ，s oi t s t i l l c a l l ts a t i s f yt h ed e m a n do fr e v e r s ec a g i n e e r i n gc o m p l e t e l y ，t h e r e f o r et h i sp a p e r c a r r i e do nt h er e s e a r c ho fak i n do f3 dv i s i o nm e a s u r em e t h o db a s e do n s t r u c t u r e - l i g h tu s i n gt w op a r a l l e lc a m e r a si nt h e o r i e sa n de x p e r i m e n t ，c o m b i n i n g t h en e e do ft h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yc l o s e l y 联撼lo fa 1 1 a f t e rc o m p a r i n gw i t hv a r i o u sk i n d so f3 dv i s i o nm e a s u r i n g t e c h n i q u e ，t h i st e x tp u tf o r w a r do n ek i n do fm e a s u r i n gm e t h o dc o m b i n e dt h r e e - d i m e n s i o n a lv i s i o na n dl a s e rs c a n n i n gm e a s u r e m e n tm e t h o d t o g e t h e r t o m e a s u r e ，a f t e ra n a l y z e dt h ec a m e r am o d e l ，v a r y i n g ，s y s t e m a t i co p e r a t i o n p r i n e i p i eo fs y s t e mo fc o o r d i n a t e si nd e t a i l ，t h i sp a p e rd e r i v e do u tt h es y s t e m a t i c m a t h e m a | i c sm o d e l 。 s e c o n d l y , o nt h e b a s i so fm a t h e m a t i c s m o d e l ，c o o p e r a t i n g w i t ht h e c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e ，a u t h o rd e v e l o p e dm e a s u r i n gs y s t e mb ye c dc a m e r a ， c a r d ，a c c u r a t eg u i d ea n dc o m p u t e r , e t c t h i r d ，h a v ec a r r i e do nf u r t h e ri n v e s t i g a t i o no na l g o r i t h mo fp a t t e r np r o c e s s ， u s i n gv c4 + 6 0 ，m a t l a b 6 1p r o g r a m m i n gl a n g u a g eh a sw o r k e do u tt h ep a t t e r n p r o c e s ss o f t w a r e t h a t c o o p e r a t e d w i t ht h eo n l yt h r e e - d i m e n s i o n a lv i s i o n m e a s u r i n gs y s t e mo ft h es t r u c t u r et ou s e ，f i n i s h e dt h ep r e t r e a t m e n to ft h ep i c t u r e g a t h e r e d 鳖玺篓矍兰奎兰三耋慧老兰竺篓耋 f i n a l l y , t h i st e x ta d o p tak i n do fm e t h o db a s e do na l r e a d yk n o w i n gd i s t a n c e p o i n t s ，u t i l i z et h i sm e t h o d t oc a l i b r a t et h es t r u c t u r ep a r a m e t e ro ft h es y s t e mf a s t ， a c c u r a t e l ya n du t i l i z et h er e s u l tt oc a r r yo nal a r g en u m b e ro fe n t i t ym e a s u r i n g e x p e r i m e n t s ，r e c e i v et h ea n t i c i p a t e dr e s u l t ，a tl a s tt h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r i n g s y s t e mh a sb e e na n a l y z e di nd e t a i l a n a l y s i so nt h er e s u l td a t as h o w sh a tt h em e a s u r e m e n ts y s t e ma c h i e v e sa r a t h e rh i g hs p e e da n da c c u r a c yw i t hs t r o n gs t a b i l i t y ，r e a c h e st h ee x p e c t e dt a r g e t i tw i l lp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f3 dm e a s u r e m e n ti no u rc o u n t r yw i t hc e r t a i n t e c h n i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d sf e v 蝌ee n g i n e e r i n g ；s t t u c t u r 毫l i g h t ；v i s i o nm e a s u r i n g ；c c dc 燃e r a 1 1 1 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着全球市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之 一。制造业要满足日益增长变化的用户需求，其制造技术必须要有较强的快速 反应性和柔性，能够以小批量甚至单件生产适应市场需求。快速原型制造 r p m ( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r e ) 技术和反求工程r s ( r c v c e s ce n g i n e e r i n g ) 技 术就是在这样的背景下应运而生【”。 然而对于一些复杂的样件，如果采用传统数据采集方法对实物进行测量、 建模是非常困难的，需要花费很长的时问，失去了快速制造响应的意义。就目 前现有的r p m 系统一般都采用在成熟。牺( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 系统中建立 c a d 模型，而对于复杂实体很难或者根本无法建立其模型，这给r p m 的数据来 源带来了不小的限制，也正好与r p m 善于制造复杂三维实体的优势相矛盾。利 用反求技术则可以解决这一问题，它能根据多种数据来源f 三维数据测量、像 片、c t 等) 重构出几何模型，因此，研究与r p m 技术相匹配的反求工程r e 技术 具有重要的理论意义和实用价值。 r e 技术作为消化吸收先进技术的一种手段，在2 0 世纪9 0 年代初开始引起 各冒工业界和学术界的高度重视。由于国外起步早，具有代表性的反求软件如 s d r c 公司的i m a g e w a r es u r f a c e r ，r a i n d r o pg e o m a o c 公司的g e o m a o c 等软件相 继出现，这标志着对r e 技术的研究已经取得了很大的成效。由于各公司的核 心技术都采取保密措施，使得r e 技术各模块实现方法各具特色和优势，但这 种技术的相互保密也制约着反求软件的进一步发展。然而，作为一项有着广阔 应用前景的技术，其发展的趋势是不可逆转的。因此，为了使r e 技术更好地 服务于r p m 技术以及其他工业设计、生产，对其关键技术作深入的研究势在必 行 2 1 1 3 。 1 2 反求工程撬述 传绕的工业产品开发均是按照严谨的磺竞开发漉程，从确定功缝与援格的 预期指标开始，构思产品的组件，然后进行各个缀件的设计、制造以及检验， 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 再经过组装、整机检验、性能测试等程序来完成。每个组件都有原始的设计图 纸，目前己广泛使用c a d 来对此设计图纸存档。这些所记录的档案均属公司的 智能财产，一般通称机密( 1 【i l o w h o w ) 。这种开发模式称为预定模式( p r e s c f i p t i v e m o d e l ) ，此类开发工程亦通称为顺向工程 4 1 ( f o r w a r de n g i n e e r i n g ) 。对每一组件 来说，其顺向工程的流程如图1 1 所示： 图1 - 1 传统设计过程 f i g + 1 - 1p r o c e s so ft r a d i t i o n a ld e s i g n 掰谓静反求王程是一种戳先遴产品的实物、样俘、软件( 函样、程净、技 术文件等) 绒影像( 图像、照片) 作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工 臻学、耪瓣学魏蠢关专韭懿滚进撼系统分辑帮璎究、攘索掌握其笑键援零，送 而开发出闷类的爨为先进的产品，是针对消化吸收先进技术采取的一系列分析 方法和应髑技术黪缝会f “。广义的反求工穗包括形炊反求、工艺爱求和毒孝辩反 求等诸多方面，怒一个复杂的系统工程。妇前，豳于产品实物是最容易获得的 研究对象，因此大多数有关反求工程技术的研究都集中谯几何形状方面，这种 获实物稀侔获取产菇豹数学模黧，并翻造得到新产晶的相关技术已成为 c d c a m 系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。 反求童程浚纛懿囤1 - 2 褒示。在这一懑义下，爱求王程胃定义隽它楚毽括 实物转化为c a d 模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的 总称。 图1 - 2 反求一料 f i g 。1 2r e v e r s ee n g i n e e r i n g 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 在制造领域内反求工程有广泛的应用背景【5 】。其主要用途简述如下： 1 产品仿制：对于一些先进设备或者零件，在缺少工程图纸和其c a d 模 型情况下，可利用反求工程技术重构其c a d 文件并生产出同类产品。 ，2 新产品的开发和产品的改型设计：目前对于一些复杂曲面零件的设 计，通常首先使用粘土或泡沫模型，然后设计师再进行创作修改，定型后通过 运用反求工程技术将其转换为c a d 模型，对其进行放大、缩小等处理，进而用 于制作和加工。 3 在医学方面常用于人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造等。 4 在r p m 的应用中，反求工程最主要表现为通过反求工程，可以方便地 对快速原型制造的原型产品进行快速、准确地测量，找出产品的设计不足并重 新设计，经过反复多次迭代可以使产品日臻完善。 1 3 国内、外反求工程研究、发展及应用的状况 1 3 1 研究现状简介 科技翡进步、信息时代的到来以及消费需求的目趋个往他寻致市场的快速 多变。只肖具备对市场迅速响应能力的企业才能生存发展，快速成形、反求工 鬟在僖悫嚣联网支持下露残了一套抉速确应裁逄瓣系统援零，冒苏太大撬裔企 业加快产晶开发、迅速响成市场的能力。 r e 冬r p 技拳其毒广泛戆盛援领域淘瘦弱徐蓬，毽器上圭癸先进羔魏国 家的政府部门、企业、高等院校、研究机构纷纷投入巨资对r e 与r p 技术进 行研究秀发和推广应用。他们无不站在2 l 世纪世界巷l 造妲全球竞争的战旗裹 度来对待这一技术。在9 0 年代中期，国内一些犬企业如新飞、海尔、科龙等 先厢引进了快速成型设备。目前r e 与r p 技术融经广泛廒用于机械、汽车、 靛空靛天、耱靛、家瘸耄嚣、轻王、工照设计、溪疗、建筑、工蕊品铡于挈潋及 儿廉玩具等领域，并且随糟这一技术的不断发展和完善，旗应用范围将会不断 掘广。 目前豳外不同种类的r e 测蠹设备己进入我国市场，如英国3 d s c a n n e r 公 裁豹激光掇描测量仪、美灏“l a s e rd e s i g n “s u r v e y o r l 2 0 0 囊体激搬扫描系统、 德阐g o m 公司的a t o s 测量仪等。这些测量设锯功能较完善，假价格相当昂 贵。 夔著我国经济的稳步发袋，社会主义市场经济体稍静逐澎完善，疆及 w t o 的加入，企波将面临空前激烈的国内、国际市场竞争。在机械、汽车、 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 家用电器、轻工等行业中产品寿命周期越来越短，更新换代越来越快，因此要 求整个设计开发和生产制造系统都要缩短周期。我国制造业在国际市场上的竞 争能力仍然较差，其主要原因之一就是对市场快速反应能力差，交货期长。因 此，r e 技术的研究与应用引起我国政府、企业、高校的高度重视。我国华中 科技大学、天津大学、西安交通大学、清华大学等众多高校近年来也加强了对 r e 测量设备的研发。 1 3 2 反求工程测量方法简介 反求工程涮纛( 即对被测实体轮廓信恿进行数字化) 怒r e 技术的第一步。 测燕方法的好坏壹接影响刻对被测实体进行描述的精确、完整程度，进而影响 驽霪构豹c a d 益西、实俸模垄豹成藿，荠激终影响戮抉速成形涮造出来羽产晶 是褥能真实地反映原始的实体模型f 6 1 。因此，它是整个r e 技术的基础。 嚣蔻袋霜瓣聪测量方法主要窍蕊秘，分裂为接簸式浏璧法、菲接皴浅测 量法，如闵1 3 所承。下面对目前存在的一始具体的三维测嫩方法进行介绍。 图1 - 3 测量方法的分类 f i g 1 - 3c l a s s i f i c a t i o no f m e a s u r i n g m e t h o d 1 3 3 接触式测量法 。3 。3 。 蹩耘测量壤法嫩稼溅豢爨( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，餐霉先 c m m ) ，又称为三难标测擞机。宅是以精密机械为基础，综合应用光学、电子 技术、计算机技术等先进技术鲍测量仪器，主要叙括区个掷分：坐标测量褫枧 体、数据处理及控制系统、测头、铡量及控制软件。在测照时，将被测零件放 入其容许的测量空间内，并测得零件几何型面上务测点的三维坐栎值，通过计 舅郄可褥戮镀测零彳孛的且德形状戮及褶关尺寸。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目前坐标测量机在国内外的应用已经相当普遍，世界上生产坐标测量机的 厂商超过5 0 家，品种规格已达3 0 0 种以上，全世界拥有2 万台以上，我国也 拥有4 0 0 台以上1 7 。 坐标测量机主要用于： 1 对三维复杂零件的尺寸、形状和相互位置进行高精度测量： 2 实物模型数字化，例如对于机翼的实验模型、汽车车身实验模型的测 量： 3 。在线质量控制。 坐标溯量税的优点在于测量精度离、效率裔、通焉健好，怒现代科学研 究、工业擞产必不可少的精密测爨仪器。按照坐橼测量机的测量精度可以分为 诗爨鍪 褰鬃产型两种。嚣爨鍪坐糖测量橇一般救鸯毒藿瀣条释豹诗譬室蠹，矮 予精密测擞，其测蜃分辨率晟高可达0 i g m ，空间任意方向的测缴不确定度为 5 謦m m 以下；生产型坐掭测量援一般敦在艇产车阕翅于生产过程中鲍检测，其 测激分辨率最高可遮0 私m ，空间任意方向的测量不确定发为5 弘m m 以下。 i 3 3 。2 平叁高度尺法乎台高度尺法利用平台平蕊作为水平基凇，通过对工 串的谲平产生工彳串上的永平基准平面，并使之与平台平面平行。利惩平台高度 尺在每一个测位测量工件上的特征点相对于平台乎面的高度差，并可以将其换 算爨| 穗辩予工终承平基准学覆瓣离发差，逶遘不凝交抉测键竞残瓣整令王佟主 所有特征点的测量。 平台巍疫尺法敕原理漶楚壹溅，螫在生产瑗场被广泛健蘑。奖不足之楚在 予对工件水平基准平面的调整比较困难，测量时需要的人员多、势动强度丈、 周期长，瓤且人为因素对测量结果的影响比较大嗍。例如用高精发尺尖对准被 浏特征点的过程会因入丽髯，丽鼓受蓟操作人员缀验和工作状态的影桷，另外 该方法只能进行高度方向上一个维度尺寸的测量，难以适陵实际擞产中对工件 矮薰捡验豹要求，掰浚平螽高度足洼是一耱精瘦麓、彀率低貔溺豢方法，不能 满足科研、生产的需要1 9 1 n 1 。 1 3 叠毒摹攘魅式测量法 常用的非接触式测量法有投影光栅法、激光三角形法和极线约束法等。 。3 。4 。l 懿子经练菠法墩子经终纹法是诗葵挺辕韵光学涮囊方法，其基准秀 光学视线，故无挠度、变形等问题。且所需工艺装备少，i 飘过计算机对测艇数 据避雩j ；处遐，因露具有准勰、通用、灵活方便以及操作筒擎、量程大等优点， 在工件( 如飞机装酴型架) 的特征点三维坐标测量中被广泛使用锋1 1 瓠。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 较为常用的是双经纬仪法，其测量误差由基准尺长度误差、标定误差、两 经纬仪的测角误差、人眼的瞄准读数误差等组成。测量精度与两经纬仪之间的 距离及其相对于被测对像的位置有关，测量前应根据被测对像的尺寸大小、测 量精度要求以及现场条件设计出两经纬仪相对于被测对像的最佳测量布局，这 就给实际使用带来了一定的困难，降低了测量效率。 另外在实际测量中，有时由于被测对像的尺寸较大，使视线受到阻碍以及 测量空间的限制等原因，使得两台经纬仪一次架设后不可能同时瞄准到全部被 测点，即有些测点处于“盲区”而无法被瞄准与测量。因而在测量时需多次改变 两台经纬仪的架设位置，同时则需要多次标定并设计出最佳测量布局，这就大 大降低了测量效率嗍1 9 】。为了克服“盲区”问题并提高测量效率，有时需要采用 多经纬仪( 四台或八台) 全方位测量法，但同时也带来成本提高、占用过多空间 的问题。 1 3 4 2 雷达测距法激光雷达测距系统利用光速在空气中传播速度为常数的 原理，由测距器主动向被测物体发射激光脉冲或经过调制的激光束信号( 调制 方法包括幅度调制和频率调制两种) ，光束遇到被测物体反射回来并被探测器 所接收。距离信息的获取是通过测量激光脉冲在测距器与物体表面之间的飞行 时间，经过调制的返回信号的相位移动，反射光强度或反射率( 回波能量与光 源能量之比，是描述物体固有性质的重要参数) 等参数来获得。这种方法具有 以下优点i l l l l l 2 】： l 。对糨体的淡露性旗不期限铡； 2 可测得绝对距离； 3 不需要拍摄图像并作图像处理，因此被测距离的获得与灰度图像无 关。 该方法的不足之处是成本较高，使用激光会造成环境公害。 。3 毒3 蕤皋蕞锭潮距法奠尔条绞按本利震麴翻寮褰频等阗距条绞翡标足竞 栅与指示，匕栅相重藏，并凰二者之间有一个很小夹角时相对运动形成低频莫尔 条纹的原璎。剥羽奠尔条纹技术进簿测距怒基予被溅深度识会于坡测甥体液嚣 所调制的条纹相位信息中，从中可以解调出被测表面轮廓、形状的原理。该方 法适合于物体的轮廓、形状测量，其主要镪括以下几种方法。 1 双光檑葵尔条绞测距系统该系统辩要一剽精密酌疆配光橱，投射龙栅 放鼹在光投射器前，摄像机光栅放鼹在摄像机前，光投射器和摄像机相对深度 方囱蘩毒一个夹角。巍授瓣嚣发舞戆授蘩怒懿辐覆被授射毙攘瑟璃翎，然螽投 射被测物体上。被测物体的表面轮廓调制了投射光的相位，摄像机通过摄像机 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 光栅将会拍摄到相应的莫尔条纹。而摄像机光栅相当于对投射光栅的幅度调制 进行了解调，摄像机所拍摄到的莫尔条纹包含了表面轮廓高度信息，利用三角 法即可求得被测深度。该方法的关键在于对光投射器和摄像机的准确标定以及 对莫尔条纹图像的自动分析m l 。 2 单光栅莫尔条纹测距系统单光栅莫尔条纹测距系统去掉了摄像机光 栅，而只保留投射光栅。根据投射光栅放置位置的不同，又可以分为以下两种 形式。 ( 1 ) 对于相对比较平坦的物体表面：在这种情况下，可以把投射光栅贴近物 瑟效萋，物体表蔼逶过竞撩进 亍照赞，并攀j 用摄像祝拍豢溺影莫尔条绞豳像。 这种方法除了不需耍一副精密的匹配光栅之外与双光栅莫尔条纹测距系统的基 本骧理是鞠弱匏。& m a u v o i s i n 缝合干涉方法窝戮影葵承条绞较拳，采矮莲予 相位移动的方法和f i 可方法，在2 0 r a m 范围内的测量误差小于0 0 1 m m 1 4 j 。 ( 2 ) 对于一般的物体袭露：此时投射光援与物薅距离较运，巍投射器将周 期往的光栅像投影副物体袭面上，劂投影光栅像的位相受到物体袭面轮廊的调 制而成为变形光栅像，用掇像机直接拍摄被测物谳的投影光栅像，同时对平蕊 秘饽接摄投影光撩像作为参考蚕豫。最嚣国计算税解调密变形光栅像的往籀虢 可以提取出被测物体的高度轮廓。 按照瓣调方法浆不弱，又霉分必鞋下各秘溺爱方法l 辑l ：铡黧莫零等蹇线 法、傅立叶变换轮廓法、步进移相法、空间相位搽测法等。江毅等利用傅立叶 交羧轮廓滋( f r p ) 雯现对物体表嚣轮癣鲍测爨，最大测量巍度失l m ，溅量糖度 倪于0 3 ，重复散精度优干0 1 。相对予其它投影光栅条纹强度进行分析并 得到被还原的相位，该方法不需要较均匀的光栅豳像，根使还原嶷接由条纹分 耩实现，荚测量准确度主甏莜藏予条绞中心位置酌定位耪凄。由予采用发散照 明，故可测量较大物体，但对光栅条纹的分析较为复杂。陈文艺等采用交叉光 辘投影毙撵系统，瓣7 0 m m ( 长) x t 0 m 瓤窝) 6 0 m m ( 蹇) 标准平瑟翁蹇度遴幸孑溺 量，测量平均值为5 9 7 5 m m ，均方误差为0 2 3 2 m m l l ”。 1 3 。4 + 4 黻踩式激光手涉仪测距夔国冒裳标准局的k 。l a u 等磺剿了自动蹑踩 式激光干涉仪测躐系统，用于对机器人手腕上被测点的空闸位置滋行测量，该 系统有三种构成形式： 1 自动鼹踩式零光束五维激光干涉溯距系统( 5 d l t i s ) 该系统可以测璧被 测目标的弧个空间自由度参数( x y z 三维空间坐标加上两个角度参数1 。系统由 诗磐橇、矮携式鼹黥萃元鞠曩标擎元辑缝簸。便携式鞭踪攀元出一路激竞干涉 仪系统、两轴伺服控制的跟踪转镜及其角魔编码器和一个三角支架所组成。目 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 标单元安装在机器人的手腕上，由两轴伺服控制的部分反射镜及其角度编码器 和两个光电二极管( 安装在反射镜的背面，用来感知入射光的方向和位景，并 通过4 个a d 转换器将信号输入计算机以便对反射镜进行伺服控制1 所组成。 跟踪伺服控制系统要准确控制跟踪转镜的方向，使跟踪单元所发出的激光束准 确发射到目标反射镜的中心位置，同时目标伺服控制系统要准确控制目标反射 镜使之垂直于入射光束并将其反射回初始发射处。测量系统所测得的是目标反 射镜与跟踪转镜之间径向距离的变化量。为了获得二者之间的绝对距离，需要 进行二者之间初始绝对距离的标定。在验证实验中1 1 6 1 ”，采用h p 5 5 0 1 a 准单 光束平面反射镜干涉系统，并将目标反射镜固定在手动坐标测量机上。该系统 在1 5 x 1 5 x 1 5 m 空间范围内测量重复性优于1 陬m ，在2 x 2 x 2 m 3 空间范围内 预计长度测量精度为+ 4 q 【l m ，预计角度测量精度优于1 ”。 2 自动跟踪戏单光束三维激光干涉测距系统( 3 d l t i s ) 该系绫仅测量被测 目标点的期曙三维空闻坐标值，采用猫眼反射镜代替伺服控制的发射镜，这样 覆测量系统更嬲缀济、实溺脚l 。在验证实辍中采粥双颓擎光束干涉系统，其测 量糟度与5 - d l t i s 基本相同。 3 鑫动鼹踩式双蠢寨三缝激光干涉测距系统( t w o s t a t i o n 3 - d l t i s ) 该系 统在形式上类似于两个3 - d l t i s 的组合，即采用两套独立的光路f 司服跟踪控制 系绞去跟踪共圈豹曩标点，莠基予三建法鞭 于涉技术戆溅量纛爨。该系绫戆 优点在于可以进行绝对距离的测徽，同时避免了采用成本较高的激光干涉测量 系统1 1 9 1 。缺点是嚣要对两个跟踪转镜之间的绝对距离进鼋予精确标宠，同时由于 体积较大，易受静界环穗溺素韵干扰和影晌阿。l b b r o w n 在魏熬础上滋行扩 展，采用了自动跟踪式六光束激光干涉测距系统，测量机器人手脓上被测点六 令鑫由痍豹坐标。o s a m u n a k a m u r a 等繇翻鹣震予称定三缭工俸台螽馨强光泰激竞 千涉仪系统将角锻反射镜阑定在工作台上，通过四个激光：f 涉仪所测得的距离 傣惠诗算爨楚镶援镜舞点麴三维黛标，在1 0 0 x 1 0 0 x 1 0 q u m 3 匏蔻爨内鹣测譬壤 度为o 5 6 a m 。 1 3 。4 。5 光搬投射法由予光搬投射技术怒光学三维测墨巾最常嗣鲍、最寅发 震前途的技术，嗣j 毙该技零的研究也成为研究燕点与发展方向1 2 ”。 1 条纹图形处理技术的发展光栅投射法研究热点榘中于变频条纹投射 按零的研究，英爨戆是实糯绝对像耱静鑫确求解，解决鼓宥台酚躐不连邋区域 的复杂面形测量中的去包裹问题。 2 与其它空润编璐接本的缀合毙撵授瓣技零实嚣羔是一耪经摆编褥方 式，常见的编码方法包括二维网格图案编码、二进制编码、位相编码、随机图 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 案编码以及各种颜色编码等。与其它方式相比，位相编码的优点在于可实现较 高的测量分辨率【2 2 】。其不足之处在于：采用相移技术时需要采集多幅图像，不 易实现实时测量。h u a n g 等采用了位相编码，并结合以颜色编码克服了此缺 点。首先，分别以红、绿、蓝三基色形成互有相移的余弦条纹图像，合成后投 射于物面。经图像传感器接收后，三基色经各自通道分离，并据此以相移算法 隶解位相。位相编码的另一限制是需要用位相去包裹操作。通常，减小光栅节 距是提高测量精度的最有效方法之一，但同时也会使去包裹操作变得异常困 难。为此，s o n s n i 等采用了二进制编码与位相编码相结合的技术。一系列空间 频率逐次倍增的二值( 黑白) 条纹被依次投射于物面之上。其间，物面上任意点 位于黑白条纹的状态可利用阈值方法确定，分别记为0 与1 ，逐次排列后可形 成该点二进制编码。在条纹到达某一高频( 条纹宽度减小到一定宽度，阏值判 断困难) 时，采用位相编码与相移算法来提高测量分辨率，并使位相去包裹的 操作在较小的区域内进行。因此位相编码与其它编码法相结合，可以取长补 短，从而产生新的技术。 3 。光栅投影设备光栅投射技术中，早期的榕准设置怒利用投影机将余弦 光裰授射予秘蟊，经是柔镶较差，难敦实现可交灵敏度，须稽劲枫械机构实现 相移，精魔可靠性较低。数字投影设备通避编程实现了非机械精确相移以及可 交灵酸度，劳霹实糯叁逶纛测量，经吴有一定j 线性。：勾获褥标熬余弦条绞， 也可用干涉仪作为光栅投影设备，如剪切干涉仪、光纤干涉仪等，并且可以以 戴实现翅移窝光掇戆可变窆阙频率。 三维传感与计擐是一个仍在迅速发展的科学研究领域。近年来取得较大进 展的技术遥翘括：像平匿定位系统、干涉计量、髓道显微镶技术秘结构光编鼹 等。这黧技术的深度分辨率大约覆盖了兢夫尺淡三维形貌测量剿微观结构研 究的广泛成用和研究领域辫l 。 逶过砖上述测爨方法特点秘分辑，搿叛看出慕惩 i 接皴毙学方法来溯霪物 体寝面轮廓形状，具有灵敏度高、速度快、获取数据多等特点，谯三维测蹙中 正强蘸受狲重视翻广泛应翅。 本课题将对种基于绫结构光测量技术的双目视觉钡4 量技术进行研究， 为今后我国r e 技术的发展抒下良好的基础。 1 4 本文主要研究工作 r e 按求是包旗壤密撬城、c a d 、计算瓿、控裁技术、激光秘耢瓣辩学等 诸多学科的综合科举，因_ 丽它的研究内容魑广泛而复杂的，分工1 妲是十分细致 堕堡鎏翌三奎兰三兰堡圭兰堡垒兰 的。论文主要研究工作的内容有： 1 以三角测量法为理论基础对立体视觉计算模型、摄像机模型、成像模 型、坐标系间的变换等内容进行理论分析，对基于结构光测量技术的三维视觉 测量系统的结构和工作原理进行分析，在此基础上建立该三维视觉测量系统的 数学模型，得出像屏幕坐标与世界坐标的变换关系； 2 根据数学模型和系统设计指标，研制一套由c c d 摄像机、图像采集 卡、精密导轨和计算机等硬件组成的基于结构光测量技术的三维视觉测量系统 的实验装置； 3 对基于线结构光的三维视觉测量系统所采集的b m p 格式图像进行降 噪、阈值选择、二值化、特征提取以及坐标提取等算法的研究，使用 v c + + 6 0 、m a t l a b 6 1 程序设计语言编制配合结构光三维视觉测量系统使用的图 像处理程序； 4 对三维视觉测量系统的标定算法进行分析，采用一种基于已知点距离 进行标定的方法对该三维视觉测量系统进行标定，标定计算后，进行实物测量 实验，将测量所得点云数据进行了三维显示，最后在测量实验基础上对误差， 理论精度，工、y 、z 方向的测量精度与测点位置的关系进行分析，验证本文方 法的可行性和本文系统的准确度。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章系统工作原理及数学模型 2 1 系统组成 针对现有视觉测量方法精度差，对光滑、无明显特征的表面区域不易测量 等问题，本文提出了一种基于结构光测量技术的双目立体视觉测量方法：将用 于三维测量的两个摄像机平行放置，在两摄像机的中间放置一激光器，激光器 发出垂直摄像机视平面的平面结构光，平面结构光照射到被测物体的表面上， 形成一条明亮的光线，光线在两摄像机中成像，三维测量时，则我们可以利用 光线这一明显特征非常方便地实现对左、右摄像机所拍摄图像的匹配，图2 - 1 为本文所设计的“线结构光双目三维视觉测量系统”的测量原理。 鬻2 - 1 线臻糖党联弱三维程凳测量系统约经戒 f i g2 - 13 dv i s i o nm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nt h r e a dc o n s l r a c t i o nl i g h t 系统囱两个激光器和朗个摄鬣机组成，每激光器分剐与两个掇像机相对应 形成一个予系统。熬个测摄系统由两个完全一致的予系统构成，邀两个子系统 程空润上辩称努谍，两令激光器鬏滋煞赢形乎霭煮筵瑟。落采矮这祥的系统对 物体进行三维测量时，两激光器发出激光对被测实体两侧进行扫描，四台摄像 撬袋集被溅实镩袭褥漫反瓣图像辩爱，穆搅频售号簸入到瓣缘采集毒，蹦檬采 巢卡对输入的视频信号进行刖d 转换后将数字信号送入计算机，计算机运行图 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 像处理软件，对图像进行滤波、二值化、细化、匹配等处理，根据系统数学模 型，即能获取物体一个完整截面的三维信息。若物体按一定步长、沿固定方向 做直线运动，而该系统重复上述过程，则可得到物体表面轮廓的三维坐标值。 2 2 摄像机模型与坐标系 摄像机模型是三维空间中的物体到像平面的投影关系，基于结构光 的三维视觉测量系统应能从摄像机获取的图像信息出发，计算三维环境 物体的位置、形状等几何信息。图像上每一点的亮度反映了空间物体表 面某点反射光的强度，而该点在图像上的位置则与空间物体表面相应点 的几何位置有关。这些位置的相互关系由摄像机成像模型所决定。 基于线结构光的双目立体视觉测量系统中的摄像机模型和涉及到的 坐标系及其转换关系的确定，是各模块处理和计算的依据，同时由此完 成了计算机视觉从表达到算法以及硬件实现的理论过程，为后期的研究 奠定基础。 2 2 1 摄像规模型 摄像机模型怒三维空间中的物体到像平面的投影关系，最简单的模 型为线性模型，躐称为针孔模型( p i n h o l em o d e l ) 。图2 - 2 所示为线性模型 静示意图。 圈2 - 2 针孔模楚 f i g , 2 - 2p i n - h o l em o d e l 图中平面纳像平面，o 为针孔位置( 光学中心) 。趾的点p ( z ，y ) 是 三维空蚓中点p ( 嚣只幻在视平恧上的投影。f 是光学系统的焦距。取 d 作为空间三维坐标系的原点，光轴方向为荔翔，像平面与先轴垂赢， 而且像平俩的x 、y 轴与三维空间的x ，y 轴平行。根据投影关系，在线性 辏撵中，赛润点p 与像平黼上静像点p 存在馥下关系： 二二莩f x 弘玲 茗_ 善+ 屯0 l y ) y * y7 + d ，( x ，y ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 其孛，氛，y ) 兔赉夺魏线往模螯诗算密来懿像赢鳖标豹理憨毽， “，y ) 慰实际像点的坐标，磊妨西是j # 线性畸变值，它与像点在图像中 的位置有关，如下式： 黔- k 篓黑器p 2 荽：2 栅2 p l x y 卜) + 婴s 端，博 2 y 积2 + y 2 ) + (辫2 + y 2 ) +2 弘2 + y 2 ) p 式中放或磊的第一项称为径向畸变，第二项稼为离心畸变，第三项称 为薄棱镜精交，式审豹k l ，嘉2 ，p l ，p 2 ，s l ，s 2 称秀菲线性萄交参数。一般 情况下，径向畸变已经能够充分描述非线性畸变，因此，非线性畸变往 经哭考瘩经囱噫交。另终，对予霆形透镜，经彝錾线魏噫交参鼗摇瓣。 即简化上两式为： j x 。j ( 1 + h 2 ( 2 - 5 ) p 。y ( 1 + k r 2 ) 式中r 2 2 妙2 。该式表明，并方向与y 方向的畸变襁对值( & i x ，园y ) 与径自半缀豹平方称歪魄，都在疆像边缘娃豹酶变较太。 一般的摄像机成像系统是透镜成像，由予物距远大于焦距。以至于 豫鞭与焦距翅当，因憩，哥鑫恕透裁戏像模型透戳穗稻线瞧模型我替 2 9 1 。 2 。2 2 坐耘系变换 立体视觉系统中，物体从三维空帕j 到计算机显示，成像菇系复杂 变换涉及獬几个不圆的坐标系，其中有： i 世界坐标系w ( x ，y ，z 1 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 客观世界的绝对坐标系，也是一个假想的固定参考坐标系，一般采用三维 直角坐标系o - x y z 。 2 摄像机坐标系( x o ，y c ，z o ) 以摄像机为中心的三维坐标系，其原点定义在摄像机光心位置，z 轴为摄 像机的光轴，z 轴、y 轴分别与摄像机的成像平面平行，与像平面的距离为焦 距为，。 3 。图像平面黧标系秘，力 定义强成像平面上的二维坐标系，其源点定义为光轴与像平掰的交点，x 毒蠡、y 辘分羽与摄露撬坐耘系茗毒蠡、y 辘睾孬。 4 计算机图像坐标系m ，订 在计算机内部豹二维数字图像坐标系，坐标赈点选在阕像蛇发上角，水平 轴m 轴) 向左为正，垂直轴和轴) 向下为正。 在以上四个坐标系中，计算机图像坐标系的度量单位为像素，而其他三个 璧标系淘为物理长度孳位随米等) 。 通用摄像机模越除了鬻考虑以上几个嫩标系的嶷换关系外，还必须考虑两 个因素鳓；是对予褰耱发立终横髓系统，鍪颓考虑摄像凝镜头瓣麓变，麸露 在像平面上的成像位置会岛理想情况有所偏移；二是计算机中使用的图像嫩标 蕈链是存馕爨中离数像素的个数，所以对像平瑟上的坐标逐霭取熬转换。 从客观场景到数字图像的成像变换由以下4 步组成，如图2 - 3 所示： 图2 - 3 从客观场景到数字图像的成像嶷换模型 f i g 2 - 3t r a n s f e rf r o mo b j e c tt od i g i ti m a g e ( 1 ) 从世赛坐标系潮瞪，y ，z ) 至摄像机三维坐栎w o ( x 。，疑t 岔螅变换( 考虑 刚体景物) ： 即即 弘6 ， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 其中r 和丁分别是3 x 3 旋转矩阵和l x 3 平移矢量 r = kl t 】r 纠 c o s t , c o s os i n g , c o s 0 一s i n 0 1 r = 卜s i n 妒c o s i p + c o s t ps i n p c o s t p c o s l p + s i n t ps i n o s i n q ， c o s o s i n q ，i i s i n t ps i n + c o s t ps i n c o s t ps i n q ，+ s i m ps i n o s i n 9 ，c o s o c o s 妒i 式中西，0 ，l f ，分别表示以坐标原点为中心，绕z ，y ，毒轴转动的偏航、俯 仰和滚动角。 ( 2 ) 从摄像机三维坐标系( 砭，y c ，z c ) 到理想图像平面坐标系io ，) ，) 的变换 是： y x = ，挚( 2 7 ) 厶c y y = ，子( 2 - 8 ) 正c ( 3 ) 从无畸变像平面坐标l ( x ，y ) 到受镜头径向畸变影响而偏移的实际像平面 坐标，。( 一，_ ) ，) 的变换是： z ；x ( 1 + 向r 2 ) ( 2 9 ) y - y o + 打2 )( 2 1 0 ) ( 4 ) 从实际图像平面坐标系到计算机图像坐标系w ( u ，v 1 的变换如图2 - 4 所 示。在像平面坐标系中，其单位采用物理单位( 如毫米) 。但是在计算机中，每 幅数字图像存储为m 数组，m 行列的图像中的每一个元素r 称为象素， p i x e i ) 的数值即是图像点的亮度( 或称灰度) 。在图像上定义直角坐标系m ，v ) ， 每一象素的坐标0 ，v ) 分别