基于計算機視覺的大型復雜曲面三維光學測量關鍵技術研究.pdf

1、隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展，許多行業(yè)的產品大量采用了大型復雜曲面工件。工業(yè)界在加工控制和質量檢測方面都迫切需要能用于大型復雜曲面機械系統(tǒng)工作現場高精度、速度快、方便、經濟的三維表面形貌和變形的測量方法和設備。通過提升計算機視覺和三維光學測量系統(tǒng)的效率和性能來高效快速地獲取高精度的大型復雜曲面點云數據有著重要的研究意義和實用價值。
　　本文以大型復雜曲面自動化精密檢測為應用目標，系統(tǒng)地構建了的全局特征點測量系統(tǒng)和數字結構光投影曲面片測

2、量系統(tǒng)。將骨架點全局攝影測量和結構光法、立體視覺進行有效融合，實現了全局特征點測量、數字結構光投影曲面片測量以及基于全局特征點的曲面片拼接融合。本文具體研究包括攝像機建模與自標定，全局特征點提取、特征點三維信息獲取，基于數字投影與數字相移的圖像獲取、相位圖去包裹、曲面片稠密點三維測量及平差優(yōu)化等關鍵技術。同時本文還對特殊光學表面，如高動態(tài)范圍及紅熱鍛件表面的直接測量的關鍵技術進行研究。論文采用理論分析與實驗研究相結合的方法，對基于計算機

3、視覺信息的大型復雜曲面高精度便攜式三維測量中的關鍵技術進行了系統(tǒng)的研究。
　　本文首先介紹了攝像機線性和非線性模型，分析比較了多種經典的攝像機自標定方法。針對目前的分層自標定方法誤差較大的問題，采用了基于多視圖重建的因子分解方法來實現分層自標定的射影重建。這樣就在射影重建中能有效地利用所有圖像的信息，使得相機自標定具有較高的精度。
　　本文研究了全局坐標系下三維骨架點獲取算法原理，并在理論上分析了傳統(tǒng)雙視圖重建絕對定向過程中

4、產生的誤差累積原因，提出基于公共視圖構建雙視圖來減少坐標轉換次數，達到控制大型物體三維空間點重建累積誤差的方法。該方法構建了基于公共視圖圖像組的優(yōu)質圖像網絡，每組圖像采用公共視圖與多個視圖組建雙視圖，完成相機的定向和三維點的計算，同時采用基線閾值篩選法去除了效果差的圖像組合給重建精度帶來的負面影響。針對多公共視圖組在相機定向中本質矩陣五點算法求解存在誤解的問題，提出使用反投影殘差之和的約束來排除誤解。實驗證明，該方法有效的抑制誤差的累積

5、現象，尤其是大型物體測量的圖像序列較長時可以使得重建精度更高，魯棒性更強。
　　本文系統(tǒng)的研究了基于數字相移條紋投影曲面三維測量方法，并著重研究多頻外差相位去包裹算法能夠對平滑曲面和表面不連續(xù)復雜面型的物體進行可靠的測量。
　　本文還對高動態(tài)范圍物面，尤其是強反射物面和高對比度物面的免噴涂的測量方法進行了深入研究。提出采用多曝光時間采集圖像、高動態(tài)范圍圖像融合以及單雙目重建數據融合等技術相結合高質量地獲取可測的空間點，使相機

6、的感光范圍和場景的亮度范圍相一致。實驗驗證了該方法既能夠保持具有雙目的高精度、高穩(wěn)健性的特點，同時對于某些雙目視覺無法測量的區(qū)域也能夠通過單目視覺加以補償，獲得完整的三維形貌。
　　本文對結構光的立體視覺方法在線快速測量大型鍛件所存在的問題進行了系統(tǒng)的研究。針對紅熱態(tài)高溫條件下結構光條紋難以獲取的問題，采用物理和數字濾光相結合的辦法克服熱態(tài)表面輻射的影響，采用多頻相移技術以顯著提升抗噪能力；提出了大型鍛件多個結構光投影的光學測量頭