基于双目视觉的智能三坐标测量机零件位姿识别技术研究

摘要

三坐标测量机是现代制造业中的精密测量设备之一，其检测过程的自动化和智能化将会给三坐标测量机带来广阔的运用空间，使其能够更好的适应制造业快速发展的需求，因此实现并改进三坐标测量机的智能化和自动化是新一代三坐标测量机的主要发展趋向。零件位姿自动识别功能是智能三坐标测量机的关键技术之一，也是实现智能检测的前提。通过利用视觉系统对被测零件进行成像从而确定零件的放置方式、位置和姿态，是实现零件位姿自动识别最为重要的方法之一。
　　 本论文是国家科学自然项目（复杂零件的测量信息生成与获取机制及其智能三坐标测量关键技术研究，项目编号:51075119）的子课题，主要工作包括以下几个方面:
　　 1)利用三坐标测量机能高精度平移的特性建立了单摄像机立体视觉系统。明确识别系统的主要任务以及选用此系统模型进行零件位姿识别的原理及优点。
　　 2)摄像机标定。摄像机标定是视觉检测系统研究的重点问题之一。研究了单摄像机立体视觉标定方法，此标定过程只需对摄像机的内外参数标定一次，简化了标定过程，降低了标定工作量。
　　 3)图像处理。对摄像机采集到的图像进行滤波，二值化，边缘检测等操作，最终提取零件完整边缘轮廓。
　　 4)基于组合不变矩的BP神经网络零件模式识别。采用组合不变矩特征，包括HU矩、仿射不变矩、归一化转动惯量，并用主成分分析法进行特征选择，用BP神经网络对零件放置方式进行识别。
　　 5)立体匹配。提出了一种基于边缘图像质心平移的立体匹配方法，在进行立体匹配时，先提取零件图像的边缘质心坐标，然后利用两幅边缘图像质心的偏移距离作为约束条件寻找对应的特征匹配点，完成平行双目视觉立体匹配。
　　 6)零件位姿识别。利用立体视觉三维重建获得的信息与零件CAD模型中的信息，通过求解两坐标系之间的转换关系，最终实现了零件在CMM中放置位置和方向的自动识别功能。
　　 论文在零件位姿识别系统结构，摄像机标定、图像处理、零件模式识别、立体匹配和零件位姿计算方面进行了理论分析和实验研究，提出了一些新的方法。这些工作为使系统如何进一步提高精度、简化位姿识别过程奠定了一定的基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题提出的背景和意义

1．1．1 课题提出的背景

1．1．2 课题研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 机器视觉的应用

1．2．2 国内外研究现状

1．3 课题主要研究工作

第2章 零件位姿自动识别系统

2．1 零件位姿自动识别系统结构

2．1．1 零件位姿自动识别系统功能

2．1．2 视觉系统的组成与安装

2．2 零件位姿自动识别系统原理和过程

2．3 单摄像机双目视觉系统模型

2．3．1 双目视觉系统模型的构建

2．3．2 立体视觉测量原理

2．3．3 基于单摄像机的立体视觉系统模型

2．4 本章小结

第3章 摄像机标定

3．1 摄像机成像模型

3．2 摄像机标定方法

3．2．1 传统摄像机标定法

3．2．2 自标定方法

3．2．3 张正友标定法

3．3 摄像机标定试验

3．3．1 摄像机内参标定

3．3．2 摄像机外参标定

3．3．3 摄像机标定结果及误差分析

3．4 本章小结

第4章 零件位姿识别中的图像处理

4．1 数字图像与Matlab图像处理工具箱

4．1．1 数字图像概念

4．1．2 MATLAB图像处理工具箱

4．2 零件图像预处理

4．2．1 图像灰度化

4．2．2 图像滤波

4．2．3 图像二值化

4．3 图像边缘检测

4．4 干扰图像信息的去除

4．4．1 连通域

4．4．2 零件图像分割

4．5 多余边缘线的消除

4．6 本章小结

第5章 基于组合不变矩和神经网络的零件图像识别

5．1 图像识别技术

5．1．1 图像识别技术的发展

5．1．2 图像识别系统组成

5．2 图像特征不变量提取

5．2．1 Hu不变矩

5．2．2 仿射不变矩

5．2．3 归一化转动惯量

5．2．4 组合不变矩

5．3 特征降维

5．3．1 维度灾难

5．3．2 主成分分析

5．4 基于神经网络的零件图像识别

5．4．1 BP神经网络

5．4．2 BP神经网络在零件识别中的应用

5．5 实验与分析

5．5．1 图像处理

5．5．2 组合不变矩的降维

5．5．3 识别结果分析

5．6 本章小结

第6章 基于零件图像质心的立体匹配

6．1 立体匹配基本理论

6．1．1 立体匹配算法

6．1．2 立体视觉中的匹配约束

6．2 图像特征点的提取

6．2．1 角点的定义

6．2．2 角点检测算法

6．3 基于质心平移的立体匹配

6．3．1 立体匹配原理

6．3．2 立体视觉匹配过程

6．3．3 立体匹配实验

6．4 本章小结

第7章 零件位姿识别方法及程序设计

7．1 位姿测量定义与应用

7．2 零件位姿参数求解

7．2．1 坐标系之间相对位姿关系的描述

7．2．2 特征点的三维重建

7．2．3 零件CAD几何信息的获取

7．2．4 位姿参数的求解

7．3 零件位姿识别实验

7．4 零件位姿识别系统界面

7．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢