线结构光实物反求测量仪的研究与开发

论文摘要

三维数据测量技术在反求工程和产品快速检测等领域中有着广泛的应用。基于结构光的三维数据测量方法是目前三维数据测量研究领域中的热点研究方向,该方法在进行测量时不需要与待测物体相接触并且测量速度快、成本低、柔性好等突出优点,具有极大的社会需求和发展前景。本文分析了当前三维数据测量技术的现状,对基于结构光的三维数据测量方法进行了较为系统的研究,模仿人类双眼结构构建了线结构光双目三维视觉测量系统的数学模型,并且在此基础上设计了基于线结构光和双CCD的实物反求测量仪。本文主要研究内容如下:1.提出一种将立体视觉测量和激光扫描测量相结合的测量方法,建立了线结构光双目三维视觉测量系统的数学模型,详细分析了摄像机模型、坐标系变换、系统工作原理。2.在数学模型的理论上,设计了由激光器、CCD摄像机、图像采集卡、精密导轨和滚珠丝杠等元件构成的线结构光实物反求测量仪的硬件结构,实现了测头在X,Y,Z三个方向的移动,以及工作台的旋转,满足了测量需要。3.结合实物反求测量仪测量原理,分析对测量仪测量结果有影响的参数,选择适当的优化算法分别对测量仪的内外部参数、有效视区、旋转工作台轴心等进行标定,为实物反求测量仪的测量和图像数据处理提供依据。4.提出了对测量仪得到的深度图像进行特征信息提取的方法,采用灰度阈值法进行目标物体分割,并用数学形态学方法对二值图像进行缺陷修补,利用掏空内部点法得到目标轮廓,对区域分割后的特征信息细化并提取出图像所包含的特征点数据。最后介绍了将不同视角下测得的数据转换到同一空间坐标系下对物体的表面轮廓进行拼接拟合的方法。实验验证,本文的线结构光双目测量系统的数学模型能够快速准确的采集被测物体的数据信息,完成的CAD曲面的重构,结果可靠,为实物反求测量仪的制造提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 反求工程技术
• 1.2.1 反求工程中的立体视觉技术
• 1.2.2 反求工程中的结构光测量技术
• 1.3 国内外发展现状
• 1.4 课题来源及主要工作
• 第2章 测量仪数学模型的建立及测量原理
• 2.1 测量仪深度图像获取系统数学模型
• 2.1.1 模型中的坐标系
• 2.1.2 模型的测量原理
• 2.2 不同视角测量数据的回转拼接
• 2.2.1 回转拼接的基本思想
• 2.2.2 回转拼接法拼接理论的建立
• 2.3 测量仪工作流程
• 2.4 本章 小结
• 第3章 实物反求测量仪的结构设计
• 3.1 测量仪的硬件组成
• 3.2 元件的选择
• 3.2.1 CCD 摄像机及镜头的选择
• 3.2.2 激光器的选择
• 3.2.3 图像采集卡的选择
• 3.2.4 其他元件的选择
• 3.3 测量仪的结构设计
• 3.3.1 CCD 测头系统
• 3.3.2 机械结构
• 3.4 本章 小结
• 第4章 实物反求测量仪的标定
• 4.1 测量仪测头参数的标定
• 4.1.1 标定模型及算法
• 4.1.2 标定实验
• 4.1.3 标定程序
• 4.2 测量仪有效视区的标定
• 4.2.1 有效视区模型
• 4.2.2 有效视区参数的标定
• 4.2.3 实验验证
• 4.3 旋转台转轴的标定
• 4.4 本章 小结
• 第5章 图像特征信息的提取和物体空间坐标的求解
• 5.1 图像特征信息提取概述
• 5.2 图像特征信息提取算法实现
• 5.2.1 物体轮廓的识别
• 5.2.2 有效特征信息的提取
• 5.2.3 算法程序
• 5.3 空间坐标的求解
• 5.4 多视角数据的对齐拼接处理
• 5.4.1 多视角数据对齐
• 5.4.2 多视角数据拼接
• 5.5 本章 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢