基于准自然标志的绝对平面位移测量方法研究

摘要

随着三坐标测量机的发展，三坐标测量机在测量领域获得了广泛的应用[1]。传统三坐标测量机通过三套正交的线性运动系统和线性位移传感器来测量空间点的坐标。因而传统三坐标测量机系统复杂、价格昂贵，在中小企业难以普及。针对上述问题，我们提出了一种虚拟坐标的三坐标测量机。它利用数字图象技术直接测得测头在XY平面内的位移，利用线性位移传感器测得测头在Z方向的线性位移。本文主要研究利用数字图象技术测量平面绝对位移的方法。
　　 本文针对平面绝对位移测量对参考标志的要求，分析了人工标志和自然标志有其自身的优缺点。由于自然标志图案具有特征不明显，而明显的图案特征重复率又较高，不便于识别的特点，而人工标志制作繁琐，难度较大，并且在不适合微位移测量。因此针对这两种图案的缺点，本文提出了一种基于准自然标志的二维平面绝对位移测量方法。准自然标志就是在人造台面上设计了大小不一的圆形图案，对圆形图案进行识别，使用圆心点作为标志点，不同长度的圆形半径作为匹配标志。实验结果表明，准自然标志具有花纹简单，匹配容易，精度高，大小位移测量都适合的优点，能够满足平面绝对位移测量对参考标志的要求。针对平面位移测量标定过程比较烦琐，提出了一种自标定的平面位移测量方法。该方法可以在测量的同时，利用计算出的摄象机位姿对进入摄像机视野的参考标志的位置自动进行标定，从而避免了初次使用平面绝对位移测量时对测量平面的人工标定过程。实验表明，该方法具有无需事先标定，任意带有准自然标志图案的工作台可立即投入使用的优点。针对霍夫变换计算量大，无法满足实时性要求的问题，提出了一种快速霍夫变换。该方法通过在圆形轮廓上等间距抽取取样点，然后用最小二乘求以取样点为端点的弦的垂直平分线的交点，即可得到圆心坐标。该坐标与圆边缘上的点间距离即为半径。此种方法不仅继承了传统Hough变化计算精度高的优点，而且计算量小，耗费时间短，能够保证实时要求。针对位移计算中对摄像机内部参数的要求和摄像机畸变对测量精度的影响，本文研究了摄象机的标定和畸变矫正方法。使用标定网格，在拍摄网格图片的中心处，随机取十二个点，利用这些点的像素坐标和图像物理坐标以及摄像机初始位姿，带入到坐标变换公式中，求出摄像机参数--等效焦距fx和fy。随后，再在标定网格上取一定数量点的理想坐标值和实际坐标值，由这些坐标点计算摄像机畸变参数，再由参数计算点的畸变量，从而进行摄像机镜头的畸变校正，实验后得到了接近理想的像素值。对上述算法使用光学影像测量仪进行了实验。先由摄像机获取圆形编码标志图像，然后通过测量软件对圆形编码标志进行识别和定位，用摄像机当前位姿和定位好的编码标志坐标得出编码标志的全局坐标，最后再以编码标志全局坐标和新定位的坐标计算摄像机的新位姿，从而得出摄像机的绝对位移量。然后通过实验验证算法的可靠性与稳定性。本文实验结果达到了预期的目的。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 图像测量技术概述

1.1.2 三坐标测量机的发展状况

1.1.3 数字图象处理技术在平面(二维)位移测量的应用

1.2 选题的应用价值和意义

1.3 课题来源

1.4 本论文的主要研究内容及其结构组织

1.5 主要技术指标

1.6本章小结

2 位移测量系统的测量原理

2.1 当前数字图像处理技术进行测量的发展

2.2 本课题组以前的研究成果及问题

2.2.1 基于自然标志的测量

2.2.2 基于人工标志的平面位移测量

2.3 本课题图像测量系统的构成和工作原理

2.3.1 图像测量系统构成

2.3.2 测量原理

2.3.3 测量方法

2.4 本章小结

3 基于准自然标志的绝对平面位移测量

3.1 准自然标志的表达与检测

3.2 准自然标志应满足的要求

3.3 基于准自然标志的绝对位移测量

3.3.1 图像预处理

3.3.2 边缘检测

3.3.3 边缘提取

3.4 特征点提取算法

3.5 绝对平面位移计算

3.6 本章小结

4 绝对位移测量实验

4.1 实验装置

4.1.1 实验装置

4.1.2 实验过程描述

4.2 摄像机标定

4.2.1 摄像机标定原理

4.2.2 本课题的摄像机标定

4.3 计算摄像机参数

4.4 实验数据

4.5 实验分析

4.6 本章小结

5 结论

5.1 主要结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

附录