基于线结构光视觉传感器的三维表面测量系统关键技术研究

摘要

随着图像工程技术与计算机视觉技术的进步，三维视觉测量技术已得到大量研究并被应用于逆向工程中，发挥了其在专业测量与检测和工程应用上的巨大优势。在总结现有视觉测量方法的特点及其测量系统特性的基础上，为了达到对曲面表面物体的完整性和较高精度测量要求，论文对基于线结构光视觉传感器的三维表面测量系统关键技术进行了研究，并有效地实现了曲面表面的完整性测量。
　　 论文的主要工作包括如下几个方面:
　　 (1)建立了线结构光三维表面视觉测量系统，以三坐标测量机作运动驱动及控制设备，有效地将测量机的高精度运动控制特性应用于三维表面扫描测量。提出了测量系统的数学模型并详细阐述了其工作过程，分析了系统的特点和精度性能影响因素。
　　 (2)对光条纹中心提取精度影响因素进行了对比分析并划分为四大类别。提出了将现有中心提取方法划分为几何中心方法和能量中心方法两大类并进行了深入研究。提出了基于GrabCut的光条纹中心提取方法，先分割出完整的纯光条后进行中心提取，极大的减少了计算过程中的数据运算量和冗余，同时提高了中心提取的精度。
　　 (3)对视觉测量系统的摄像机内参标定和视觉传感器结构参数标定进行了研究。提出了基于张正友2D靶标标定算法的摄像机标定改进方法，引入两类畸变因素和非线性全局优化处理并得到了精度更高的标定结果。对常规的视觉传感器结构参数标定方法进行了分析，结合线结构光测量的面面模型，完整实现了基于自由移动平面靶标的结构参数标定，并进行了实验及误差分析。
　　 (4)解决了光平面坐标到全局测量坐标的转换问题并给出了坐标转换矩阵。通过两个不同模型的应用实例实验，验证了论文提出的线结构光三维表面视觉测量系统的测量精度和数据的完整性，分析了系统的精度适用性特点和影响系统测量精度的误差来源。

目录

摘要

Content

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 三维视觉测量技术概述

1．1．2 视觉测量在逆向工程中的应用

1．2 线结构光视觉测量系统概述

1．2．1 线结构光视觉测量原理

1．2．2 视觉测量系统的研究现状

1．3 论文的组织结构与主要研究内容

第二章 线结构光三维表面视觉测量系统

2．1 测量系统框架布局和结构组成

2．1．1 系统框架布局

2．1．2 系统结构组成

2．2 测量系统的工作原理

2．2．1 测量系统的数学模型

2．2．2 测量系统的工作过程

2．3 测量系统的特点与性能分析

2．3．1 测量系统的特点

2．3．2 测量系统的性能分析

2．4 本章小结

第三章 线结构光条纹中心提取方法研究

3．1 光条纹中心提取精度的影响因素分析

3．2 几何中心法

3．2．1 利用边缘信息的提取方法

3．2．2 利用阈值信息的提取方法

3．2．3 利用细化技术的提取方法

3．3 能量中心法

3．3．1 利用灰度重心的提取方法

3．3．2 利用方向模板技术的提取方法

3．3．3 利用极大值点的提取方法

3．4 基于GrabCut的光条纹中心提取

3．4．1 GrabCut算法概述

3．4．2 中心提取中GrabCut的应用

3．4．3 提取算法的误差分析

3．5 本章小结

第四章 视觉测量系统的参数标定

4．1 摄像机内部参数标定

4．1．1 摄像机数学模型

4．1．2 摄像机参数标定方法

4．1．3 论文实现的摄像机标定算法

4．2 摄像机参数标定实验及结论

4．2．1 基于OpenCV的标定方法实现

4．2．2 标定实验及结果分析

4．3 线结构光视觉测量模型

4．4 视觉传感器结构参数标定

4．4．1 常规标定方法概述

4．4．2 论文实现的标定方法

4．5 视觉传感器结构参数标定实验及结论

4．5．1 参数标定实验

4．5．2 结果误差与分析

4．6 本章小结

第五章 视觉测量系统的应用实例

5．1 视觉测量系统的测量坐标转换

5．2 视觉测量系统的应用实例实验

5．3 视觉测量系统的误差分析

5．3．1 精度适用性分析

5．3．2 误差来源与分析

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢