小视场双目视觉系统关键技术研究

摘要

为便于对工件进行现场手持测量，构建一种小视场双目视觉系统，该系统所用的摄像机视场较小，有效工作范围为200mm～400mm。为获得精度较高的测量结果，对该系统的关键技术进行了研究:双目视觉系统的结构、双目系统建模与标定、双目立体匹配、空间点三维重建和空间点的流动式测量。通过理论分析与实验验证，本文针对各关键技术提出的方法具有较高的稳定性、精度和实用价值。
　　本文的主要工作和创新点如下:
　　1、建立摄像机成像模型，分析了系统的结构设计原则并对本系统结构进行了设计。
　　2、实现了双目视觉系统的标定。针对六畸变模型，分析每个参数对图像的影响。提出一种标定优化方法，首先基于OpenCV的标定方法确定初始标定参数，进而利用直线法对六个畸变参数进行优化，最后使用优化后的畸变参数和OpenCV标定的主点，以反投影误差为目标函数，利用LM法进行其余参数优化。为提高标定精度和稳定性，推导出关于单应性矩阵的两个约束，确定如何选择标定姿态的三个性质，提出一种五姿态集标定方法。
　　3、进行双目立体匹配，提出一种基于图像相似几何特征的双目立体匹配算法。首先利用外极线几何约束算法获得不共外极线和共外极线的初始匹配点。根据左右图像正确的匹配点具有相似的几何位置关系，引出最大向量角和最大角度差准则。对于不共外极线的初始匹配点和共外极线的匹配点，分别利用基于更新策略的视差梯度约束与最大向量角准则相结合的误匹配剔除算法和最大角度差与最大向量角准则筛选正确的匹配点，然后进一步检验筛选的匹配点，有效降低了传统外极线约束匹配算法的误匹配率、漏匹配率。
　　4、流动式空间点测量，测量粘贴在工件上的标记点的三维坐标。在进行了特征点提取、双目系统标定、立体匹配后，对每次获取的空间点进行三维重建，获得该空间点在双目视觉系统下的坐标。首先建立基准坐标系，利用距离网络对系统各个位置下获得的空间点进行标记点匹配，进而可以通过手动添加新点的方法求解较准的转换矩阵，将空间点转换到基准坐标系下。在转换到基准坐标系后，更新已有的空间点坐标，并添加新的空间点。最后以平均距离为基准，用LM法对所有的空间点进行优化，提高了测量精度。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 引言

1．2 小视场双目视觉系统关键技术的研究现状

1．2．1 特征提取

1．2．2 双目系统建模与标定

1．2．3 双目立体匹配

1．2．4 空间点三维重建

1．2．5 流动式空间点测量

1．3 本文的选题依据及研究内容

2 小视场双目视觉系统结构设计

2．1 系统结构组成与摄像机成像原理

2．1．1 系统组成

2．1．2 摄像机成像模型

2．2 小视场双目视觉系统结构设计

3 小视场双目立体视觉系统模型的建立与标定

3．1 双目立体视觉系统模型建立

3．2 双目立体视觉标定优化方法

3．2．1 镜头畸变分析

3．2．2 基于OpenCV的参数标定

3．2．3 基于直线法的畸变优化

3．2．4 基于LM法的其他参数优化

3．3 双目立体视觉的标定姿态分析

3．3．1 理论依据

3．3．2 五姿态集标定法

3．3．3 实验结果与分析

4 双目立体匹配

4．1 基于外极线约束算法的初匹配

4．2 误匹配点的剔除

4．3 共外极线匹配点的筛选及检验

4．3．1 基于最大角度差和最大向量角准则的共外极线匹配点的筛选

4．3．2 基于顺序一致性约束和视差梯度约束的准匹配点检验

4．4 实验结果与分析

4．4．1 误匹配点的剔除实验

4．4．2 共外极线匹配点的筛选及检验实验

4．4．3 不同复杂程度被测物体的匹配实验

5 流动式空间点测量

5．1 标记点匹配

5．2 标记点的坐标转换

5．3 流动式空间点测量

5．3．1 基于LM法的标记点优化

5．3．2 基准坐标系的建立

5．3．3 流动式空间点测量过程

5．4 实验结果与分析

5．4．1 标记点的坐标转换实验分析

5．4．2 流动式测量工件实验分析

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历

科研成果