三坐标机与立体视觉的系统集成与信息融合的关键技术研究

论文摘要

在逆向工程中,自由曲线曲面的测量一直以来是逆向工程的重要组成部分,受到众多学者的关注。计算机视觉与三坐标机是反求工程中不同的两种测量手段的代表,他们各具有自己的优缺点。作为非接触式测量的代表,计算机立体视觉测量具有速度快、灵活、采样范围广、有利于整体形状信息的获取等优点,可以方便地提取物体的边界轮廓与特征信息,其缺点是测量精度较差;三坐标机作为接触测量的设备之一,其优点是测量精度高,适应性强,鲁棒性能优越,但作为逐点测量的设备,是在人为制定的测量规则指导下,对产品原型进行测量获取三维坐标数据,实现产品表面的数字化,其测量效率低,测量过程过分依赖于测量者的经验,特别是在未知产品几何数值模型的前提下,难以保证测点分布的合理性。基于线结构光-立体视觉与三坐标机信息集成技术的集成式测量以其测量精度高、速度快、智能化程度高而成为一种很有前途的测量方法,特别是如能实现二者信息的融合,将势必大大提高集成系统的测量速度和精度。本文就线结构光-立体视觉与三坐标机系统集成与信息融合的一些关键性技术展开了研究,其主要内容包括:1)主动轮廓提取技术。主动轮廓（又称为蛇形轮廓）为计算机立体视觉提供了获取线激光器扫描曲线在摄像机图像中曲线轮廓的方法。线结构光测量数据在每条扫描线内测量点排列密集、杂乱,且测量点之间没有明显的拓扑关系,无法直接应用于CAD系统中建模。主动轮廓提取的曲线则为测量点之间建立了拓扑关系。2) B样条最佳逼近。以差分法提取的主动轮廓包含了大量的曲线数据,不利于数据的保存与结果后处理。利用B样条曲线去逼近轮廓曲线,大大减少了轮廓曲线的数据存储量,且使得曲线变得更为光滑,也给曲线的后处理带来了方便。3) B样条曲线变形（修改）技术。基于物理模型的B样条曲线变形是在尽量维持曲线整体轮廓特征的基础上产生的。它不像其它局部变形技术那样会产生局部的“肿块”,从而影响了曲线的整体轮廓特征。基于物理模型的B样条曲线变形在力学上类似于一根曲杆在外力作用下产生整体变形,其数学模型上就好像在原有曲线的基础上,加上了一条光滑的误差拟合曲线。本文将此技术应用于线结构光-立体视觉与三坐标机信息的融合,实现利用三标机测量的精确数据去修正立体视觉测量的曲线,从而提高视觉测量的精度,减少利用三坐标测量机测量的数据量,提高了测量效率与测量精度。4)摄像机的标定。摄像机的标定建立了三维数据点与摄像机像点之间的对应关系,是实现立体视觉系统最为重要的一环。利用三坐标机的测头实现摄像机的标定为立体视觉测量系统和三坐标机的集成建立了数据点坐标间的关系,实现了立体视觉测量的世界坐标系与三坐标机的世界坐标系相统一。5)测头半径补偿。测头半径补偿问题是三坐标机测量中的一个关键问题,影响着三坐标机的测量精度。在已知截面轮廓线的情况下,可以计算出测头接触工件的法线方向,并由此可以计算出测头接触工件的位置,解决了测头的半径补偿问题,并同时实现了测头半径向一个平面内补偿问题。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出及意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 本文研究的研究目的和研究内容
• 2 主动轮廓技术的理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 蛇形轮廓理论基础
• 2.2.1 蛇形轮廓数学模型
• 2.2.2 图形轮廓与外力
• 2.2.3 主动轮廓的数值解法
• 2.3 主动轮廓实验与分析
• 2.3.1 两种力模型力场分析
• 2.3.2 主动轮廓实验及分析
• 2.4 主动轮廓外力模型的改进
• 2.4.1 改进的主动轮廓外力模型-膨胀GVF 模型
• 2.4.2 进一步改进的主动轮廓模型—惯性主动轮廓
• 2.5 本章小结
• 3 样条曲线的基本理论与自适应 B-样条曲线拟合
• 3.1 引言
• 3.2 曲线的基本理论
• 3.2.1 曲线的参数表示
• 3.2.2 曲线的导矢
• 3.2.3 数据点的参数化
• 3.3 B-样条曲线
• 3.3.1 B-样条曲线的定义
• 3.3.2 B-样条基函数的递推定义
• 3.3.3 B-样条曲线的局部性质
• 3.3.4 重节点对B-样条曲线的影响
• 3.3.5 B-样条曲线节点的插入
• 3.4 3 次均匀B-样条曲线
• 3.4.1 均匀B-样条曲线方程
• 3.4.2 准均匀B-样条曲线
• 3.4.3 3 次准均匀B-样条的边界性质
• 3.5 3 次准均匀B-样条曲线的拟合
• 3.5.1 3 次准均匀B-样条曲线的插值
• 3.5.2 3 次准均匀B-样条曲线的逼近
• 3.6 本章小结
• 4 基于物理模型的 B 样条曲线变形技术
• 4.1 引言
• 4.2 基于物理模型的B 样条曲线变形原理
• 4.2.1 曲线的内能
• 4.2.2 弹性势能
• 4.2.3 有限元方程
• 4.2.4 数值模拟实验
• 4.2.5 讨论
• 4.3 改进的B 样条曲线修改方法
• 4.3.1 传统的曲线内能
• 4.3.2 传统的曲线内能特性分析
• 4.3.3 改进的曲线内能
• 4.3.4 曲线的外能--几何约束条件的处理
• 4.3.5 曲线的总能
• 4.3.6 变形曲线求解-B 样条有限元法
• 4.3.7 参数选择与数值实验
• 4.4 本章小结
• 5 摄像机标定
• 5.1 引言
• 5.2 针孔模型摄像机定标
• 5.2.1 坐标系
• 5.2.2 坐标系间的转化
• 5.2.3 摄像机线性模型的标定
• 5.3 非线性模型摄像机的标定
• 5.3.1 几何畸变
• 5.3.2 非线性摄像机模型参数标定
• 5.3.3 非线性摄像机模型反向非线性参数确定
• 5.4 实验
• 5.4.1 正向模型标定实验
• 5.4.2 摄像机反向模型标定实验
• 5.5 本章小结
• 6 三坐标机与立体视觉的系统集成与信息融合的实验
• 6.1 引言
• 6.2 测量方式简介
• 6.2.1 接触式测量设备
• 6.2.2 非接触式测量设备
• 6.3 三坐标测量机简介
• 6.3.1 三坐标测量机的组成和结构
• 6.3.2 三坐标测量机机型分类
• 6.3.3 测量软件
• 6.4 三坐标机与立体视觉的集成与数据融合
• 6.4.1 线结构光-视觉测量基本原理
• 6.4.2 集成测量系统构成
• 6.4.3 基于三坐标测量机探头的摄像机标定
• 6.4.4 测量系统的集成与数据融合的必要性
• 6.4.5 坐标测量机测头半径的补偿
• 6.4.6 集成系统的数据融合
• 6.5 实验
• 6.5.1 实验对象
• 6.5.2 实验过程
• 6.5.3 结论
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 主要创新
• 7.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者读博期间发表论文
• B. 作者读博期间参与课题