形貌测量中的特征匹配及光学特征投射技术研究

摘要

大锻件作为重大设备的关键部件，在国家的工业振兴过程中扮演着重要角色。随着电力、造船、化工和冶金等行业的发展，大锻件的需求量日益增加。在大锻件的加工与锻造过程中，其尺寸形状的精确测量对于提高锻造质量与效率，降低材料加工余量，都有着十分重要的理论意义和实用价值。针对大型锻件尺寸大，制造过程中伴随着高温、高压、强震动的特点，在国家科技重大专项“大型高温锻件热态在位检测技术”项目的支持下，开展了摄影测量相关技术的研究。在摄影测量中，为实现测量往往需要在物体表面人为地设置可视测量特征，因此有效的特征投射技术至关重要。同时在测量过程中密集测量特征的快速、准确匹配也是个关键问题。
　　 本文主要开展了两方面的研究工作：针对大型锻件热态在位测量应用，基于532nm绿色激光光源，开展了点阵结构光及网格结构光光学投射器的设计技术研究；针对摄影测量中密集测量特征图像，结合单应性映射矩阵与极线约束，研究了测量特征的快速、准确匹配技术。主要完成的工作有：⑴根据大型锻件热态在位测量的特点，确定了基于532nm绿色激光光源和能衍射出等间距、等光强点的达曼光栅来构建点阵及网格结构光投射器的方案。⑵在充分了解二元光学器件达曼光栅的原理及其衍射特性的基础上，根据光栅优化方程的特点，研究选取了合适的优化算法。⑶编写实现了遗传优化算法，并根据光栅优化方程解的精度和个数研究了进化调整策略，提出了一种新的结合遗传算法与模拟退火算法的并行组合模拟退火算法，改进了优化结果。⑷针对实际应用中环境光的变化及被测对象光反射特性的差异，设计了光强自适应调节装置，以保证测量图像具有良好的对比度。⑸对几种常用的匹配约束方法进行了分析，结合单应性映射矩阵与极线约束实现了密集点阵的快速、准确匹配。⑹设计了相关实验，对上述研究内容进行了实验验证。