基于双目视觉的三维结构表面变形测量研究

摘要

在汽车、重型机械、航空航天等领域中，大量采用各种新型复合材料和大型复杂工件，需要快速、方便、并适合现场使用的三维轮廓外形尺寸和变形应变检测方法。传统的三坐标测量设备（如三坐标机、激光跟踪仪等）和应变检测方法（如应变片、引伸计等），效率低、测量范围小，较难实现三维全场或全尺寸检测。随着数字图像相关法的发展，机器视觉测量方法的精度在测量方面达到亚像素级别，成本较低，操作环境要求低，能够快速实现全尺寸或应变场的测量。
　　本文通过研究三维数字图像相关法结合双目视觉技术，测量三维物体表面的位移场和应变场，以解决二维数字图像相关法无法测量物体表面的离面位移问题；由于三维数字图像相关法中还存在一些不足，通过本文的研究，可以进一步提高该方法的测量精度和速度。本文主要取得的研究成果有：
　　1)为解决三维数字图像相关法中缺少三维散斑图模型问题，研究基于反向映射法的三维散斑图的生成方法。该方法避免了实验中的因素干扰，如标定误差、相机自带畸变、环境误差等，验证初值估计、形函数、相关函数、三维重建以及三维应变计算精度。
　　2)在三维数字图像相关法的匹配环节中，针对现有的初值估计精度低和速度慢的问题，优化基于SIFT特征匹配，形函数和线性函数插值的初值估计方法，实现快速初值估计，在相关函数迭代计算时快速完成迭代。在三维重建时，左右相机图片匹配策略问题，分析两种立体匹配策略优劣，总结出其应用场景的适用性。
　　3)在三维应变场的计算中，现有的三维应变算法鲁棒性较差，应用改进的基于拟合平面的微分单元体最小二乘拟合应变计算方法进行全场的应变计算，取得较好的鲁棒性。
　　4)将上述3点内容进行了实验（全尺寸测量及变形测量）验证，结果表明上述算法正确、有效、可靠。
　　本文的研究成果提高了三维数字图像相关法的计算精度，并提供了三维数字图像相关法算法的验证手段，进一步完善了算法体系和应用范围。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章绪论

1.1课题背景及意义

1.2研究现状分析

1.3主要研究内容

第二章双目视觉理论研究

2.1双目视觉系统构成与成像模型

2.2双目相机标定

2.3立体匹配

2.4三维重建

2.5本章小结

第三章数字图像匹配技术研究

3.1三维数字图像仿真散斑图

3.2初值估计策略研究

3.3三维位移场粗大误差剔除策略研究

3.4三维重建匹配策略研究

3.5三维应变场计算

3.6本章小结

第四章三维结构表面变形应用研究

4.1双目视觉应变测量精度分析

4.2应用研究

4.3本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文