（机械电子工程专业论文）大功率盘形激光焊熔池图像三维表面重构及特征分析.pdf

摘要 摘要 激光焊接是材料之间连接的一种重要工艺方法，并且具有连接材料使用少、焊 接速度快、焊接质量高的优点，已经在工业生产中得到广泛的应用。由于大功率盘 形激光焊接具有激光功率大、光束优良、焊接热影响区小、能够实现深熔焊以及材 料连接强度更好的优点，成为激光焊接领域的研究热点。在工业自动化要求越来越 高、材料连接质量要求越来越好的背景下，用机器视觉代替人眼来实时捕捉激光焊 接过程中熔池动态图像，然后分析熔池形态及其特征信息与焊接质量之间关系，建 立熔池形态及其特征信息与焊缝宽度之间的焊缝预测模型具有重要的研究价值和实 际意义。 基于单幅灰度图像的三维重建技术已被证明可有效地恢复物体表面特征，具有 设备简单，耗费低，三维重建速度快的优点。本文运用光源估计算法对光源倾角和 偏角进行估计，并且研究s f s 方法中的局部分析算法对熔池进行了有效地三维重建。 神经网络可用于建立特征量和目标量之间的预测模型。熔池阴影特征信息在一 定程度上能够反映熔池表面对应特征信息的变化。熔池阴影宽度的变化能够明显反 映熔池高度的变化。本文采用灰度化、自动阈值二值化、形态学方法处理熔池图像 得到熔池阴影特征信息，并建立了熔池阴影特征信息和焊缝宽度之间的b p 神经网络 预测模型。试验结果表明，该模型能够根据焊接过程中熔池阴影特征信息有效地预 测焊缝宽度。 关键词：大功率盘形激光焊；三维重建：阴影；熔池高度：b p 神经网络 广东_ r - , i k 大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rw e l d i n gi sa ni m p o r t a n tt e c h n i q u eo fb o n d i n gt e c h n i q u e sa m o n gd i f f e r e n t m e t e r i a l s ，w h i c hh a sa d v a n t a g e so fl e s s m a t e r i a l u s i n g ，h i g h s p e e dw e l d i n g ，g o o d w e l d i n gq u a l i t y i th a sb e e nu s e dp o p u l a r l yi nt h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n s b e c a u s eh i g h p o w e rd i s kl a s e rw e l d i n gh a v eo b v i o u sa d v a n t a g e so fh i g h e rp o w e rl a s e r ，b e t t e rl a s e r b e a m ，s m a l l e rh e a ta f f e c t e dz o n e ，d e e p e rf u s i o nw e l d i n ga n db e t t e rjo i n ts t r e n g t h ，i th a s b e e nar e s e a r c h i n gh o ts p o to fl a s e rw e l d i n g u n d e rt h eb a c k g r o u n do f h i g h e rd e m a n d si n t h ei n d u s t r ya u t o m a t i o na n djo i n t q u a l i t y , i tw i l lh a si m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u ea n d p r a c t i c es i g n i f i c a n c et oc a p t u r em o l t e np o o li m a g eo nt i m ed u r i n gl a s e rw e l d i n gu s i n g h i g hs p e e dc a m e r ai n s t e a do fh u m a ne y e s ，a n a l y s et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm o l t e np o o l s h a p ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c s ，b u l i dw e l dw i d t hp r e d i c t i o nm o d e lo fm o l t e np o o ls h a p e a n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa n dw e l dw i d t h s h a p ef r o ms h a d i n g ( s f s ) h a sb e e np r o v e dt or e a l i z e3 dr e c o n s t r u c t i o ne f f e c t i v e l y , w h i c hh a sa d v a n t a g e so fs i m p l ee q u i p m e n t ，l o wc o s t ，f a s tr e c o n s t r u c t i o n i nt h ep a p e r s l a n ta n dt i l ta r ee s t i m a t e d ，m o l t e np o o l sa r er e c o n s t r u c t e du s i n gl o c a la n a l y s i sm e t h o do f s f s n e u r a ln e t w o r kc a nb eu s e dt ob u i l dp r e d i c t i o nm o d e lb e t w e e nf e a t u r ei n p u t sa n d t a r g e t s m o l t e np o o ls h a d i n gc h a r a c t e r i s t i c sc a nr e f l e c tt h ec o r r e s p o n d i n gm o l t e np o o l i n f o r m a t i o nt os o m ee x t e n t t h ew i d t hv a r i a t i o no fs h a d i n gc a no b v i o u s l yr e f l e c tt h e h e i g h tv a r i a t i o no fw e l d i n gm o l t e np 0 0 1 m o l t e np o o lc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o nc a l lb e g o t t e nb yi m a g eg r a y i n g ，a u t o t h r e s h o l dg r a yb i n a r yp r o c e s s i n ga n dm o r p h o l o g i c p r o c e s s i n g b pn e u r a l n e t w o r kp r e d i c t i o nm o d e lc a nb eb u i l tb e t w e e n s h a d i n g c h a r a c t e r i s t i c so fm o l t e np o o la n dw e l dw i d t h t e s tr e s u l tp r o v e st h a tt h em o d e lc a l l e f f e c t i v e l yp r e d i c tt h ew e l dw i d t ha c c o r d i n gt ot h es h a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm o l t e n p 0 0 1 k e y w o r d s ：h i g hp o w e rd i s kl a s e rw e l d i n g ；3 dr e c o n s t r u c t i o n ；s h a d i n g ；m o l t e np o o l h e i g h t ；b pn e u r a ln e t w o r k i l 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2o v e r v i e wo fl a s e rw e l d i n g 1 1 2 1t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n dc l a s s i f i c a t i o no fl a s e rw e l d i n g 2 1 2 2f e a t u r e sa n da p p l i c a t i o n so fl a s e rw e l d i n g 4 1 ：；o v e r v i e wo f3 dr e c o n s t r u c t i o n 5 1 3 1b r i e fi n t r u d u c t i o no fc o m p u t e rv i s i o n 6 1 3 2c l a s s i f i c a t i o no f3 dr e c o n s r u c t i o n 7 1 4b a s i so fd i s s e r t a t i o n 9 1 4 1s u b j e c ts o u r c e 9 1 4 2b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h ed i s s e r t a t i o n 9 1 4 3r e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b o a r d 1 ( ) 1 5m a i nc o n t e n ta n do r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r eo ft h ed i s s e r t a t i o n 12 1 ! ；1m a i nc o n t e n t 1 ：1 1 5 2o r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r e 1 2 c h a p t e r2l a s e rw e l d i n gm o l t e np o o li m a g ec a p t u r i n gs y s t e m 13 2 1s y s t e mo v e r v i e w 13 2 2e q u i p m e n ts t r u c t u r e 1 3 2 2 1h i g h p o w e rd i s kl a s e re m i t t e r 1 3 2 2 2i n t e l l i g e n tw e l d i n gm o d u l e 1 4 2 2 3w e l d i n gr o b o t 15 2 2 4i m a g ec a p t u r i n gs y s t e m 15 2 3e x p e r i m e n t a ls e t u p 17 ：! 4s u m m a r y 2 0 c h a p t e r 3r e f l e c t a n c em o d l ea n di n t r o d u c t i o na n da n a l y s i so fs f s 21 v i ：；1r e f l e c t a n c em o d l e 2 l ：；1 1d i f l u s er e f l e c t i o n 2 l ：；1 ：! m i r r o rr e f l e c t i o n 2 2 ：；1 3p h o n er e f l e c t i o n 2 3 3 2a n a l y s i so fs f s 2 4 3 2 1m i n i m i z a t i o na p p r o a c h e s 2 4 3 2 2p r o p a g a t i o na p p r o a c h e s 2 5 3 2 3l o c a la p p r o a c h e s 2 6 3 2 4l i n e a ra p p r o a c h e s 2 6 3 3f e a t u r ea n a l y s i so fw e l d i n gm o l t e np o o ls u r f a c e 2 6 ：；4s u m m a r y 2 7 c h a p t e r4i n t r o d u c t i o no fs f sa l g o r i t h ma n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s 2 8 4 1i n t r o d u c t i o no fs f s 2 8 4 1 1e x p r e s s i o n so f3 ds u r f a c e 2 8 4 1 2e s t i m a t eo fi l l u m i n a n tt i l t 2 9 4 1 3e s t i m a t eo fi l l u m i n a n ts l a n t 31 4 1 4a l g o r i t h mo f3 dr e c o n s t r u c t i o n 3 2 4 2e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f3 dr e c o n s t r u c t i o n 3 5 4 2 1e s t i m a t er e s u l t so fi l l u m i n a n tl o c a t i o np a r a m e t e r s 3 5 4 2 23 dr e c o n s t r u c t i o no f w e l d i n gm o l t e np o o l s 3 6 4 3s u m m a r y 3 9 c h a p t e r5f e a t u r ee x t r a c t i o no fm o l t e np o o l ss h a d i n ga n dq u a l i t ya n a l y s i s 4 0 1 ；1b a s i ct h e o r yo fm o r p h o l o g y 4 0 1 ；1 1d i l a t i o n z ( ) ! ；1 2e r o s i o n 4 0 1 ；1 3o p e no p e r a t i o n 4 1 1 ；1 4c l o s eo p e r a t i o n 4 1 5 1 5e x t r a c to fs h a d i n ga r e a 4 1 5 2a n a l y s i so fw e l d i n gm o l t e np o o lh e i g h t 4 5 5 3c h o o s ea n de x t r a c to fs h a d i n gf e a t u r e so fm o l t e np o o l 4 9 v t t 广东工业大学硕士学位论文 5 3 1e x t r a c to fs h a d i n ga r e a 5 0 5 3 2e x t r a c to f m a x w i d t ho fs h a d i n g 5 0 5 3 3e x t r a c to f i l l u m i n a n tt i l t 5 1 5 4f e a t u r ea n a l y s i so f s h a d i n go f m o l t e np o o l 5 2 5 4 1e x t r a c to f w e l d i n gw i d t h 5 2 5 4 2f e a t u r ea n a l y s i su s i n gb pn e u r a ln e t w o r k 5 4 5 5s u m m a r y 6 1 c o n e l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 6 2 r e f e r e n c e s 6 3 p u b l i c a t i o n s 6 9 d e c l a r a t i o n 7 0 a c k n o w l e d g e m e n t 7 1 a p p e n d i x 7 2 a p p e n d i x1m a t l a bp r o g r a m f o ri l l u m i n a n tp a r a m e t e r se s t i m a t e 7 2 a p p e n d i x2m a t l a bp r o g r a mf o r3 dr e c o n s t r u c t i o n 7 4 a p p e n d i x 3m a t l a bp r o g r a mf o rs h a d i n g f e a t u r ee x t r a c t i o n 7 7 a p p e n d i x4m a t l a bp r o g r a mf o rw e l d i n gw i d t h e x t r a c t i o n ) 8 1 a p p e n d i x5m a t l a bp r o g r a mf o rw i d t hp r i d i c t i o no f b pn e u r a ln e t w o r kw e l d i n g8 2 v i i i 第一章绪言 1 1 引言 第一章绪言 焊接是制造业中不可缺少的基本制造技术之一，也是最经济、最有效的金属永 久连接方法，焊接对国民经济发展及国防建设均具有重要的意义。激光焊接技术作 为一种先进的焊接方法，与传统焊接相比，激光焊接具有高能量密度、焊接质量好、 可控性好、自动化程度高等优点，已经被广泛地应用在航空航天、汽车、船舶等制 造领域。随着激光焊接朝着大功率、自动化和智能化方向发展，对大功率盘形激光 焊接过程中能反映焊接质量和直接影响焊缝成形的熔池的研究就变得越来越重要。 智能化焊接的第一个发展重点是视觉系统，通过视觉系统实时采集焊接过程信息， 建立焊接过程的闭环控制系统，改善目前的程序控制的开环控制系统，提高焊接过 程的稳定性和过程控制的实时性，将成为一种发展趋势。利用高速摄像机采集激光 焊接过程熔池图像，计算机视觉和图像处理技术进行熔池三维重建和熔池信息提取 来实现熔池信息的三维可视化，通过建立熔池信息和焊缝信息之间的关系模型来实 现焊接质量的实时监测，迄今为止仍是国内外激光焊接自动控制领域的重要课题。 熔池信息三维可视化是利用机器视觉技术，根据熔池二维图像信息进行三维重 建，以此来更加形象和直观地显示熔池。研究熔池信息和焊缝信息之间关系模型的 建立是通过图像处理方法来获取熔池特征信息和焊缝特征信息，然后利用神经网络 技术建立两者之间的关系模型，根据熔池特征信息来预测焊缝高度和宽度信息的模 犁。 1 2 激光焊接概述 自从2 0 世纪6 0 年代第一台激光器问世以来，激光对于人类的社会生活产生了 广泛而深刻的影响，不仅被广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域，而且在现代 工业、农业、医学、商业、通讯、测量、军事乃至人们的日程生活等各个方面都得 到了广泛的应用。激光因此也被誉为“万能加工工具 和“未来制造系统的共同加 广东工业大学硕士学住论文 工手段 ，成为2 l 世纪最具发展潜力的加工技术之一。激光焊接是一种高能量密度 的激光束作焊接热源，通过激光与材料( 包括金属与非金属) 的相互作用，对材料 连接部位进行局部加热熔化，经冷却凝固后形成牢固的永久性连接接头的技术。激 光焊接技术是目前诸多激光加工技术中应用最多的一种技术手段，在航空航天、汽 车、船舶等制造领域已获得大量应用。与传统的焊接技术相比，激光焊接具有显著 的优质、高效的特点，并在焊接某些高强度、高性能特殊材料方面表现出极大的优 越性，这为其在工业制造领域中的获得更为广泛的应用提供了技术基础【l 】。 1 2 1 激光焊基本原理及分类 激光( l a s e r ) 是英文l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no fr a d i a t i o n 的 缩写，意为“通过受激辐射实现光的放大 。它是利用原子或分子受激辐射，使工作 物质受激而产生的一种单色性高、方向性强、亮度高的光束【2 1 。激光具有高强度、 高方向性、高单色性、高相干性等特点，可以在极小的立体角、极短的时间内作用 到工件上，形成极高的温度。经光学系统聚焦，可在被照射材料表面上形成岬量 级的极小光斑，获得高达1 0 8 1 0 1 0 w c m 2 甚至更高的功率密度，因此激光在打孔、 焊接、切割、雕刻、热处理等各种加工中得到广泛应用。 通俗地讲，激光焊接是将具有足够功率密度的激光照射到具有材料共熔性的两 个被焊零件的表面，通过材料表面吸收光能并转化成热能使焊接部位温度快速升高 至熔点，并熔化成液体，在随后的冷却凝固过程中实现两个被焊零件之间的连接。 两个被焊零件可以是同种材料，也可以是异种材料。 激光焊接常用的激光源是气体c 0 2 激光器和固体y a g 激光器，其最大输出功 率目前分别已超过3 0 k w 和6 k w 。近年来高功率半导体激光器和光纤激光器的发展 也非常快，其中半导体激光器因电光转换效率高、运行成本低而受到用户的青睐， 其最大输出功率己与目前的y a g ( 钇铝石榴石，y t t r i u ma l u m i n u mg a r n e t ) 激光器相 当。而光纤激光的效率和光束质量均优于y a g 激光，且设备体积小，维护简单， 目前的最大输出功率已达1 6 k w , 已成为激光焊接中最有应用前景的激光源之一。按 激光器输出功率的大小和工作状态，激光器的工作的方式有连续输出方式和脉冲输 出方式，被聚焦的激光束照射到焊接工件表面的功率密度一般在1 0 4 1 0 7w c m 2 。本 文试验装置所用到的盘形激光器是y a g 激光器的一种，它为了改善y a g 晶体的冷 却条件，避免棒状y a g 晶体由于存在从棒芯至表面的温度梯度而引起的热透镜效 2 第一章绪言 应，进一步提高光束质量来开发的新型激光器，它是把y a g 晶体做成盘状，工作 过程采用l d 对晶体盘面进行泵浦，而冷却介质也对整个盘面进行冷却，使整个盘 面的温度保持均匀，从而大大提高了光束质量。激光焊接的机制随着功率密度的不 同而发生相应的改变，通常可分为激光热传导焊接和激光深熔焊接j 。 ( 1 ) 激光热传导焊接 当激光的入射功率密度较低( 1 0 41 0 5w c m 2 量级) 时，工件吸收的能量不足以 使金属产生汽化，只发生熔化。此时金属的熔化是通过对激光辐射的吸收及热量传 导进行的，被焊工件结合部位的金属因升温达到熔点而熔化成液体，然后很快凝固， 连接在一起形成焊接接头。这种焊接机制成为激光热传导焊接。 激光焊接过程中激光与材料的相互作用时间为m s 级，激光直接穿透的材料深 度为“m 级。激光与金属之间的相互作用主要是金属对光的反射、吸收。热传导型 激光焊接时，材料吸收激光能量后局部温度迅速升高，产生的热量通过扩散向材料 内部传播，使内部温度逐渐升高，热量传播的速度和规律符合材料热力学的热传导 理论。热量传播的时间和深度与激光焊接工艺参数，如激光器输出功率、激光入射 功率密度、激光脉冲宽度、脉冲能量、重复频率等有关。激光热传导焊接时由于没 有蒸汽压力作用，也不产生非线性效应和小孔效应，所以其熔深一般较浅。 ( 2 ) 激光深熔焊接 当激光的入射功率密度极高达到1 0 7w e m 2 以上数量级时，入射激光可以在极 短的时间内使加热区的金属汽化，从而在液态熔池中形成一个d , - 孑l ，也称之为匙孔。 光束可以直接进入小孔内部，通过4 , - 孑l 的传热，获得较大的焊接熔深。质量极好的 光束甚至可以在4 x 1 0 6w c m 2 的功率密度下就形成小孔，这主要取决于激光束的功 率密度分布情况。小孔现象发生在材料熔化和汽化的临界点，气态金属产生的蒸汽 压力很高，足以克服液态金属的表面张力并把熔融的金属吹向四周而形成小孔。随 着金属蒸汽的逸出，在工件上方及小孔内部形成等离子体，较厚的等离子体会对入 射激光产生一定的屏蔽作用。由于激光在小孔内的多重反射，d , ：r l 几乎可以吸收全 部的激光能量，再经过内壁以热传导的方式通过熔融金属传到周围固态金属中去。 当激光束相对于焊件移动时，d , - 孑l 的中心也随之移动，并处于相对稳定状态。液态 金属在小孔后方流动，逐渐凝固形成焊缝，这种焊接机制成为激光深熔焊，也称为 d , ：f l 焊，其机制与电子束焊接的机理相近，是激光焊接中最常用的焊接模式。本文 中使用的是激光深熔焊。 广东r - a k 大学硕士学位论文 激光深熔焊形成焊缝的过程与热传导型的激光焊接明显不同。在热传导型激光 焊接时激光能量只被金属表面吸收，然后通过热传导向材料内部扩散。激光深熔焊 接依靠小孔效应，使激光束的光能传向材料深部，激光功率足够大时，小孔深度加 大，焊缝窄而深，其深宽比可达到1 2 ：1 。 激光深熔焊的熔深与速度成反比，欲使焊接熔深加大，就必须选用大功率激光 器。为获得高质量的焊接效果，需要足够高的激光功率，常用k w 级以上的连续c 0 2 激光器进行焊接；但当激光模式为极好的基模时，光束聚焦后能够获得很高的功率 密度和理想的分布，即使是几百w 的c 0 2 激光器也能产生d , - ? l 效应。一般来讲， 根据板材的厚度选择功率适当大些的激光源，会得到更好的深熔焊效果。 1 2 2 激光焊特点及应用 随着高功率激光器的出现，激光焊接作为一种重要的激光加工技术已经在焊接 制造领域尤其是汽车制造领域，替代一些传统的焊接方法而得到了广泛的应用。例 如，项盖与侧面车身的电阻点焊已逐渐被激光焊接所代替，工件连接之间的接合面 宽度可以减少，降低了板材使用量，也提高了车体的刚度；零部件激光焊接速度快， 且不需焊后热处理，焊接部位几乎没有变形。目前，激光焊接零部件已被广泛采用， 常见于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等。在某些特种材料或关键部件的焊接中， 激光焊接甚至成为一种无法替代的首选方法。激光焊接目前在航空航天、造船和钢 铁等生产领域的应用研究也得到了很大的发展。激光焊接技术的迅速发展和应用， 与激光焊接本身所具有的独特优点是分不开的，概括说来，激光焊接主要有以下几 个方面的优点【1 】： ( 1 ) 激光能量密度高，穿透力大，焊接移动速度快，热输入量小，因此焊缝 深宽比大，热影响区小，工件收缩和变形较小。 ( 2 ) 与电弧焊相比，激光束挺度好，光斑稳定，激光焊接过程中参数稳定， 焊接具有连续性和可重复性。 ( 3 ) 与电子束焊相比，虽然都属于高能柬焊接，但激光焊接可以在大气中进 行，不必在真空中进行，不受电磁干扰，工艺简便，性能良好。 ( 4 ) 与不连续电阻点焊相比，激光焊刚度增加的同时焊缝尺寸减少，具有较 高的静载强度和疲劳强度，且激光焊道窄，表面质量好，焊缝强度高。 ( 5 ) 激光焊接属于非接触式加工，焊接速度通常比其他焊接工艺快，生产效 4 第一章绪言 率高，无噪声。 ( 6 ) 用激光不但可焊接金属，也可焊接工程塑料乃至人体组织，还可焊接以 往传统焊接方法难以焊接的高熔点材料及其工件，或实现某些异种材料的焊接。 ( 7 ) 激光的空间和时间控制性好，激光束易于导向和聚焦，其能量、功率、 光束的移动速度及光斑大小等都可以调节和控制，因此可与机器人、计算机、数控 机床、自动检测等技术和设备相结合，实现各种灵活的自动控制，特别是对于准确 定位的焊缝较易于实现自动化焊接。 ( 8 ) 激光束可以通过分束或光束切换装置进行分束或分时控制，实现一机多 用，即用一台激光器完成多个工位的焊接，甚至完成诸如打孔、切割等不同功能的 激光加工，从而提高激光器的利用效率。 ( 9 ) 对于y a g 激光灯等频谱范围可透过玻璃的激光束，可通过光导纤维对激 光束进行导向控制，柔性大，灵活方便，使激光束能够焊接其他焊接方法难以达到 的位置，也可以透过透明体表面在工件内部进行焊接。 ( 1 0 ) 激光焊缝在某些情况下可减少后处理工序，而且激光焊缝的强度往往高 于母材的强度，这是由于焊缝中的非金属杂质元素及氧化物对激光的吸收率一般大 于金属，所以在某些条件下激光可以对焊缝金属中的有害杂质如磷、硫等通过汽化 蒸发使焊缝得到净化。 但另一方面，激光焊接也存在着某些缺点，如： ( 1 ) 由于激光焊接过程中的快速加热和冷却作用，焊接淬硬性材料易形成硬 脆接头。 ( 2 ) 激光焊接中合金元素的蒸发会导致焊缝出现气孔和咬边，对于多元微量 合金化材料焊缝中微量合金元素的烧损有可能使焊缝性能变差。 ( 3 ) 高功率条件下，等离子体的大量形成会影响激光的吸收和焊缝成形。 ( 4 ) 对于某些高反射材料，因激光吸收率低，激光焊接的难度相对较高。 ( 5 ) 相对于其他焊接工艺，激光能源转换效率低，设备昂贵，焊接成本较高。 ( 6 ) 对工件的装配、夹持及激光束的精确调整要求相对较高。 1 3 三维重构概述 在人类及各种动物获得的外界信息中，视觉信息占有绝大部分。人类获得的视 广东y - 业大学硕士学位论文 觉信息除了物体的色彩之外，更重要的是通过眼睛看到的图像信息感受物体的大小、 形状、距离。三维立体电影、三维建模技术的出现也说明人们对三维信息可视化的 要求越来越高。基于图像的三维重构作为计算机视觉的重要部分，已经成为国内外 计算机视觉研究工作者的研究热点和难点。 1 3 1 计算机视觉简介 视觉是人类最重要的感知手段之一。视觉信息是人类从自然界获得信息的主要 来源，约占人类由外界获得的信息总量的8 0 【3 1 。视觉不仅是对光信号的感受，它 还包括对视觉信息的获取、传输、存储与理解的全过程。计算机视觉是一门研究如 何使机器“看 的科学，是指用摄像机和电脑代替人眼对目标进行识别、跟踪和测 量等机器视觉，并进一步做图像处理，用电脑处理成更适合人眼观察或传送给仪器 检测的图像。计算机视觉研究目标是使计算机具有通过二维图像感知物体的三维特 征信息的能力，综合了多门学科，其中包括计算机科学和工程、信号处理、物理学、 应用数学和统计学、神经生理学和认知科学等【4 】。 计算机视觉起源于摄影测量学和统计模型识别。6 0 年代，r o b e r t s 通过从数字 图像中提取多面体的三维结构来描述物体的形状和它们的空间关系，他的研究开创 了以理解三维场景为目的的计算机研究。上世纪7 0 年代，美国麻省理工学院人工智 能实验室的d a v i dm a r r 教授提出了全新的计算机视觉理论【5 】，其理论的核心是从图 像恢复物体的三维形状，并从视觉的计算理论出发，将系统的视觉过程分为三个级 别：初级视觉，中级视觉，高级视觉。初级视觉是用点、线、面等基本几何特征对 图像进行表示：中级视觉是恢复包含部分深度信息在内的物体可见部分的轮廓、法 线、深度图等；高级视觉是在物体坐标系下完全表示、识别物体三维信息的过程【6 】。 计算机视觉的三个表象层次如图1 1 所示。计算机视觉的经典问题包括目标识别、 运动监测及跟踪、三维重建和图像恢复技术r 丌。其中三维重建技术是计算机视觉、 人工智能、虚拟现实等前沿领域的热点和难点，也是人类在基础研究和应用研究中 面临的重大挑战之一。 6 第一章绪言 1 3 2 三维重构分类 图1 1 视觉系统的三个表象层次【5 】 f i g u r e1 1t h r e er e p r e s e n t a t i o n so fv i s i o ns y s t e m 构建和表示物体表面的三维模型是进行三维重构的关键。通过三维重构软件如 p r o e 、3 d s m a x 、s o l i d w o r k s 进行三维重建必须要通过查手册或者测量掌握物体的 尺寸信息后才能进行三维重构，但这种方法耗时耗力，不利于工业自动化程度的提 高。 除了传统的三维重建方法之外，自动化的三维重建方法可以分为接触式和非接 触式三维重建。通过三坐标测量机进行三维重建方法是一种接触式的三维重建方法， 是通过三坐标测量机来获得物体的三维空间位置数据，进而进行物体的三维重建。 该方法的优点是测量精度高，缺点是设备昂贵，重建速度慢，难以实现在线的检测， 对于一些形态变化中的物体、软质或者易划伤的物体不易采用该方法。非接触式的 三维重建方法又根据成像方式的不同分为不同的三维重建方法。c t 和m 刚是基于 断层数据的三维重构技术，它是利用间隔切片扫描，形成序列且成比例的若干二维 图像，将这些序列图像按比例放大，再按原间隔距离组合起来，就能实现三维空间 的重构，c t 和m 砌的优点是三维重构精度高，适用于医学检测领域，缺点是设备 价格昂贵，外形尺寸大，不适用于工业现场。利用时间速度测距技术将激光或者其 它可见光构成结构光投射到被测物体上，通过测量光从目标物体出发到返回传感器 的时间来估计距离得到被测物几何信息【8 j 。激光扫描的优点是物象几何关系非常明 确，三维重构速度快，精度较高，缺点是确定单目、双目或多目图像中的对应点时 比较困难而且容易产生误差传递，而且不适用于重建处于变化中的物体。还有利用 7 广东工业大学硕士学位论文 二维图像中的三维信息进行三维重建物体三维重建的技术，通称为“基于x 的三维 重建”技术，如图1 2 所示。 基于x 的三维重建r 孝学? 哗 光度立体 运动 轮廓 蔷嚣 图卜2 三维形貌恢复分类 f i g u r e1 - 2c l a s s i f i c a t i o no f3 一ds h a p er e c o n s t r u c t i o n 从二维图像恢复三维信息的技术在计算机视觉中可以总结为：s h a p ef r o mx 技 术。其中x 可以是：运动( m o t i o n ) 【9 1 ，光度立体( s t e r e o ) 【10 1 ，轮廓( c o n t o u r ) ，纹 理( t e x t u r e ) ，阴影( s h a d i n g ) 。下面分别介绍以上技术及其优缺点。 ( 1 ) 从运动恢复三维形状。当相机和物体之前有一定速度的相对运动时，相 机将拍摄一系列连续的图片，成为像流( i m a g ef l o w ) 或者光流( o p t i c a lf l o w ) ，利 用光流可以求解物体的运动方向以及表面朝向。其优点是可以对运动中的具有一定 形状的物体进行三维重建，但缺点是光流通常很稀疏，特征提取和精确匹配比较困 难 1 。 ( 2 ) 光度立体三维重建。光度立体技术就是在光源可控的环境下得到不同光 源下对物体表面同一视点的图像，从而恢复物体表面三维信息的技术【1 2 】。该技术的 优点是可以获得多幅不同光照下的图像，比较容易计算物体表面的向量场，而且不 受物体表面反射系统的影响。缺点是需要改变光照条件，硬件设计复杂。 ( 3 ) 基于纹理的三维重建。基于纹理的三维重建是通过分析因投影变形或者 透视收缩变形引起的纹理变形来反向求取物体表面法向和深度信息来进行三维重 建。其优点是重建的速度和精度都比较高，可以从单幅图像中重建出物体的三维模 型，对光照和噪声都不敏感，鲁棒性就好。缺点是其只适用于于具有规则纹理的物 体，通用性较低，很大程度限制了它的实际应用【1 3 j 。 8 第一章绪言 ( 4 ) 基于轮廓的三维重建。它是通过多个角度物体的轮廓图像得到物体的三 维模型。轮廓法可以分为基于体素、基于视壳和基于锥素三种方法。这种方法的优 点是重构效率高，计算复杂度较低。缺点是对输入信息的要求非常苛刻，需要精确 的摄像机内外参数标定和图像轮廓信息，无法对物体表面的空洞和凹陷部分进行重 建。所以轮廓重建法通常应用于对模型细节精度要求不是很高的三维重建中。 ( 5 ) 明暗恢复形状法。这种方法是通过分析图像中的灰度变化信息来恢复物 体表面的法向信息的三维重建技术。该方法的优点是只需要单幅图像，重构速度快， 不需要复杂的特征点匹配和摄像机标定。缺点是真实的反射模型建立比较困难，需 要人为添加一些约束条件。 1 4 选题依据 1 4 1 课题来源 研究课题来源于广东工业大学机电工程学院高向东教授主持的国家自然科学 基金，广东省自然科学基金和高等学校博士学科点专项科研基金项目。 1 4 2