基于小视场标定拼接的大尺寸测量方法研究

摘要

大型工件的空间尺寸测量技术对大型设备制造业具有重要意义。在航天航空、车辆、造船等领域，由于传统的测量方法实时性较低，成本高，操作复杂，越来越无法满足当前的测量需求。大尺寸视觉测量因为具有非接触、高精度、高实时性等优点，已经成为工业制造及装配领域一种极具潜力的测量方法。但目前大尺寸视觉测量还存在许多问题，难以达到高精度，鲁棒性及实时性的完美结合。
　　本文以大尺寸工件的高精度视觉测量为研究对象，从摄像机标定方法、图像匹配、畸变校正等方面展开研究，并最终实现了大型折弯机刀具的高精度测量。
　　论文的主要研究内容如下:
　　1)深入研究了现用的摄像机标定方法，提出基于畸变校正后再标定的方法。该方法首先利用标定靶计算出畸变系数，据此对原始图片进行校正，再根据校正后的标定靶图像进行摄像机内外参数标定。运用该方法可以有效的提高标定精度，从而减少因畸变引起的图像质量对标定精度的影响，提高测量精度。
　　2)研究了SIFT算法的不同尺度特征生成及其匹配原理，提出一种改进的SIFT算法，通过适当扩大对比领域，可提高有效特征点的搜索效率，剔除伪匹配点;通过双向匹配方式，进一步减少伪匹配点，提高匹配精度。实验表明，改进的SIFT能够在保证匹配速度的情况下提高匹配精度。
　　3)针对大视场标定问题，提出了一种有效可行的基于小视场标定拼接的大视场标定方法，该方法利用张正友平面标定方法，对各个子视场进行标定，获取各个子视场的标定靶姿位，进而对大尺寸工件的各个位段姿位进行标定。解决了一般大尺寸标定靶难制作及其大尺寸标定方法难的问题。有效简化了大尺寸标定方法，并且获得了高精度的标定结果。
　　4)研究了一些视觉测量影响较大的硬件设备，并且搭建了基于小视场标定拼接的大尺寸视觉测量系统，利用本文所提出的各项技术，对大型折弯机刀具进行了测量，测量精度不低于0.040％，实验表明，本文提出的基于小视场标定拼接的大尺寸测量方法，能够保证大尺寸工件的高精度测量，且理论上不受被测工件尺寸的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 大尺寸测量系统的发展国内外现状

1．2．1 三坐标测量机

1．2．2 三坐标测量臂

1．2．3 激光跟踪仪

1．2．4 经纬仪

1．2．5 全站仪

1．2．6 室内GPS测量系统

1．2．7 数字近景摄影测量系统

1．2．8 视觉测量系统

1．3 大尺寸视觉测量的国内外研究现状

1．4 课题的主要研究内容

第二章 摄像机模型

2．1 摄像机成像原理

2．2 摄像机内外参数标定原理

2．2．1 线性摄像机模型

2．2．2 非线性摄像机模型

2．3 张正友标定方法

2．3．1 摄像机标定方法概述

2．3．2 张正友标定方法

2．4 双摄像机位置的标定

2．5 双目立体视觉原理

2．6 实验及其结果分析

2．6．1 实验步骤

2．6．2 实验结果及分析

2．7 本章小结

第三章 SIFT匹配算法及其改进

3．1 SIFT算法

3．1．1 尺度空间的生成

3．1．2 尺度空间极值点的检测

3．1．3 精确定位极值点

3．1．4 分配关键点的主方向

3．1．5 关键点描述子的形成

3．1．6 特征匹配

3．2 SIFT算法的改进

3．3 实验及其结果分析

3．3 本章小结

第四章 基于小视场标定拼接的大视场标定

4．1 概述

4．2 全局标定

4．3 基于小视场拼接的大视场摄像机标定原理

4．4 基于小视场拼接的大视场摄像机标定实验

4．4．1 基于小视场拼接的大视场摄像机标定系统组成与标定步骤

4．4．2 实验结果

4．4．3 实验结果分析

4．5 本章小结

第五章 基于小视场标定拼接的大尺寸测量

5．1 系统构建及测量对象

5．1．1 光源

5．1．2 工业摄像机

5．1．3 工业镜头

5．1．4 图像采集卡

5．1．5 高精度电动平移台

5．1．6 工控机

5．1．7 三脚架

5．1．8 测量对象

5．2 基于小视场拼接标定的大尺寸测量实验

5．2．1 实验步骤

5．2．2 实验结果

5．2．3 精度分析

5．3 本章小结

第六章 总结及展望

6．1 总结

6．2 展望

附录A

附录B

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果