（机械设计及理论专业论文）基于视觉的汽车覆盖件塑性主应变测定于可视化处理.pdf

北京i ：商人。学硕十学何论文 摘要 传统网格应变的测量以及对大量离散数据的处理的方法均采用手工进行，其 测量和计算的工作量很大，精度也难以保证。运用图像处理技术和计算机视觉测 量技术对变形网格进行测量不仅可以快速获得理想精度，而且将拓展网格应变分 析技术在汽车覆盖件冲压成形中的应用。 本文提出了基于视觉的汽车覆盖件塑性主应变测量与可视化处理系统的组 成，介绍了计算机视觉测量技术，并详细介绍了对网格的图像处理。本文还针对 视觉测量对网格的要求，研究了适合视觉测量的网格形态，并利用电化学蚀刻法 制作高精度网格。在对比了圆网格与方网格优缺点的基础上，提出利用方网格 三焦形节点法计算汽车覆盖件塑性主应变，并研究了基于线性孔瓶曲湎片的空闻 网格应变计算方法。利用v c + + 与o p e n g l 设计出应变分析与可视化软件，实现 了汽车覆盖件塑性主应变计算与可视纯，褥裂更壹观的三维应变场图。 关键字：视觉，汽车覆盖件，应变计算，可视化 瑟丁视觉的汽乍覆盖利：塑性土魔变测定与可视化处理 a bs t r a c t t h ec o n v e n t i o n a lm e a s u r e m e n to fd e f o r m e dg r i d sa n dt h ep r o c e s s i n gm e t h o d so f l a r g eq u a n t i t yo fs c a t t e r e dd a t aa r eb o t hm a d em a n u a l l y , w h i c ha l et i m e - c o n s u m i n ga n d i n a c c u r a t e 。i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa n dc o m p u t e rv i s i o nm e a s u r et e c h n i q u e s w h i c hc o l l e c tt h ed a t ao ft h ef o r m e dg r i d sc a nn o to n l yg e tr e a s o n a b l ea c c u r a c y , b u t a l s oe x p a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n i q u ei n t ot h ea u t o m o b i l ep a n e ld i e t h ea u t o m o b i l ep a n e ls t r a i n sm e a s u r e m e n ta n dt h ed i s p o s a lo fv i s u a l i z a t i o n b a s e do nv i s i o nm e a s u r e m e n ta r ep u tf o r w a r d i nt h i sa r t i c l e , c o m p u t e rv i s i o nm e a s u 糟 t e c h n i q u e sa n di m a g ep r o c e s s i n go fg r i d sa r ed i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y m o r e o v e r , a i ma t t h ed e m a n df o r t h ev i s i o nm e a s u r e m e n to fg r i d s ，t h e 西ds h a p ew h i c hf i t si nw i 氇t h e v i s i o nm e a s u r e m e n ti ss t u d i e s ，a n dt h em e t h o d so fe l e c t r o c h e m i s t r ye t c h i n ga r eu s e dt o p r o d u c e t h ea c c u r a t eg r i d so ns h e e tm e t a l a c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s ta b o u tc i r c l eg r i d s a n ds q u a r eg r i d s ，s q u a r eg r i d s - t r i a n g l en o d ec o m p u t et h es t r a i no fa u t o m o b i l ep a n e l s t r a i n a n dt h em e t h o do fs p a c ec o n s t r u c t i o n a lg r i d st h a ta l es u p p o s e dt ol i n e a rc o o i i s s u r f a c ei sd e r i v e dt o o v c + + a n do p e n g la l ea p p l i e dt od e s i g ns o f t w a r eo fs t r a i n c a l c u l a t i o na n dv i s u a l i z a t i o n , r e a l i z et h ea u t o m o b i l ep a n e ls t r a i n sm e a s 璎e m e n ta n d v i s u a l i z a t i o na n dg e tt h et h r e e - d i m e n s i o n a ls t r a i ns c e n e k e y w o r d s ：v i s i o n ，a u t o m o b i l ep a n e l ，s t r a i nc a l c u l a t i o n ，v i s u a l i z a t i o n 北京工商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明本声明的法律后果完全由本人承担 学位论文作者签名。皇型虹日期：) 叫p 年g 月 l 日 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京工商大学学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 学位论文电子版同意提交后，可于均当年口一年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生测览 学位敝储躲垃晕导师揣缸i 隰滞洲乡日 北京r ：商人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 重引言 汽车工业代表着一个国家制造业发展的水平。世界经济大国的经济发展无一 不与汽车工业有着极为密切的联系，汽车工韭魏前、二名郎是全球企监麴冠、 亚军很好地说明这一点。抛开遥远的欧美不谈，我们只需将眼光放在溅洲邻国， 曩本和韩藿都是主要在汽车和电子这两大工韭取得飞速发展矮，带动了整个嚣民 经济的腾飞。因此，汽军工业对国家的重要性可想而知。随着汽车产量的大幅度 提舞和保有量的相对露宠，导致竞争翔测，使得每辆汽车的利润大幅度下淆。翔 何在提高质量的前提下，在产品开发的每个环节上降低成本，成为汽车制造商 孜孜数求的晷檬。丽竞争的加剧，鲻更要求汽车翻造商要更快邈将高质量的新车 型推向市场。车身的设计翔生产是整车开发的关键，它在很大程度上决定了新车型 的开发阐期和成本。车身主要幽汽车覆盖件组成。 汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制 成的异形体表面和内部零件。如图1 - 1 所示【n ，轿率的车前板和车身、载重车的 车前扳裙驾驶室等都是出覆盖件和一般冲压俘构成浆。覆盖件组装嚣构成了率赛 或驾驶室的全部外部和内部形状，它既是外观装饰性零件，又是封闭薄壳状的受 力零 孛。覆盖件的毫造是汽车车身制造的关键环节。 按功能和部位分类，覆盖件可分为外部覆盖件、内部覆盏件和骨架类覆盖件 三类。辨韶覆盖件和骨架类覆盖件鳇箨观矮量有特殊要求，内部覆盖件的形状往 往更复杂。同般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表 瑟质量要求高等特点。覆盖俘的王艺设计、冲模结构设计翻冲模涮造互艺都具有 特殊性f 2 】。 一 图卜l 汽车部分车身外覆盖件 卜靛动机罩2 前 丰 中ff4 一脚蔫5 一行车精薷扳6 一肝泥于扳7 一后下ij 8 一阿1f j9 地板1 0 前篦f 板t 卜挡泥扳1 2 一时承l 时纵棠 汽砷覆盖件钉以f 特点：外形轮廓k 寸大，结构复杂；成彤往往兼有扎延、 胀形、翻边、弯曲等多种形式在成形过程中板料上各点的变形状态很复杂，应 力j 衄变很小均匀，蓐别很大；对尺、j 精度和外形质量均有很高耍求，特别足轿牟 外观曲面的光顺和光照敏果要做到无可挑剔。再加上汽年生产是大规模生产，使 得冲压加工成为汽车覆盖件的主要加工方式。如何提高汽车覆盖件的最| 十和生产 水平是促进汽车工业发展的关键。 1 2 汽车覆盖件成形性篚及相关理论 l2 l 成形性能的概念 成形极限分为总体成形极限利局部成形极限。总体成形极限反映扳割失稳前 菜蝗特定的总体尺寸可以达到的最大变化程度，且极限拉深系数、极限胀形高度 和极限翻边系数等均属于总体成形极限，它们常被用作工艺垃计参数优劣的评定 依据。局部成形极限反映板剌必稳前局部尺寸可达到的最大变化程度，如成形时 的局部极限应变即属局部成形极限。 i22 表示成形性能的主要方法 ( 1 ) 基本成形性能指标 基本成形性能指标是指提供材料对厚度、表面不敏感与变形过程无关的成形 北京：i ：商人学硕十学位论文 能力的综合信息。其主要指标有：屈服极限、屈强比、延伸率、应变硬 化指数、塑性应变比、凸耳参羧、嚣粒度、表嚣犍糙度、夹杂物帮偏 析、应变速率敏感系数。 ( 2 ) 模拟成形性能指标 测定或评价板料冲愿成形性能时，经常采用模拟试验方法。所谓模拟试验， 是指模拟菜一类实际戒形方式来成形夺尺寸试样豹板辩；申压试验。在定酶摸拟 试验中，可以将试样变形到这类成形方式允许的某种极限变形程度，然后把这种 撅限变形程疫作为这类成形方式对应翦冲压成形性能指标。模撅试验也只麓提供 有限和特定的信息，反映某一方赠成形特点的整体变形程度指标。常用的模拟成 形缝能试验方法有：胀形成形性能试验、扩孔成形性能试验、挝深藏形性 能试验、弯曲成形性能试验、“拉深胀形复合成形性能试验( 福井锥杯试 验) t 3 1 。随着计算祝数值模拟成形技术的发展，为了区鬟于数值模撅，模拟戒形又 称为物理成形模拟。 ( 3 ) 成形极限图 成形极限图( f o r m i n gl i m i td i a g r a m s ，缩写f l d ) 是6 8 年代中珊由 s t u a r t ，k e e l e r 和g 麓。g o o d w i n 等人提出的。在此之前，税料的各种成形性能 指标或成形极限大多以试样的某些总体尺寸变化到巢耱程度( 如发生破裂) 而确 定。这些总体成形性能指标或成形极限不能反映板料上某一局部危险区的变形 情况。f l d 是投料在不褥应变路径下豹筠部失稳极限应变酸稚磊工程应变) 或最和最( 真实应变) 构成的条带形区域或曲线，它全面反映了板料在单向和 双向挝应力作用下的局部成形极黼。f l d 的提出，为定性和定量研究板料的局 部成形性能提供了基础f 4 l 。 l 。2 3 成形性熊的塑性理论 进行汽车覆盖件戚形静变形规律和应变状态的研究，其依据就是薄板塑性 成形中的有关理论： ( 薹) 薄板成形主要是研究变形和应变状态，尤其是最大的极限应变状态。 ( 2 ) 薄板成形着重考虑变形过程的结果两非某一平衡状态。 3 基丁视觉的汽下覆盖什塑性士麻变测定与可视化处理 ( 3 ) 薄板成形性能主要指极限应变状态，并非屈服点的开始。 ( 4 ) 薄板成形时受力状态难以测定( 鼍# 稳态麴工 ，丽变形结果比较容易获 得，因此薄板成形主要研究应变状态而非应力状态。 ( 5 ) 薄板成形主要考虑局部应变程度。秘边系数，极限压延比等工艺综合 极限指标属于整体变形程度指标，对于变形不均的零件，某一局部变形程度可 麓濒于破裂丽其余部分却可麓摄少变形。 1 3 网格分析测量技术发展 网格分析法和成形极限溺的提出和应用在板料冲聪成形方面有着十分重要 的意义，它使板料冲压生产这门过去主要靠经验判断魄生产工艺有了定量分析 和计算的科学手段，数字和图表代替了以往的臆断和猜测，因而在生产中收到 ? 基大的经济效益。露前，弼格应变分析技术作为解决板料冲压戒形目题的一 个非常有效的工具已在金属板料成形生产实际中广泛应用。因此，本论文利用 网格分析法对汽车覆盖件塑性应变进行测定。 常规的测量和计算应变的方法是使用工程应变比例软尺或者工具显微镜来 测量蹲格变形磊尺寸，然螽再经过手工计算获得应交值。使用工程应交比铡软 尺的精度太差，而使用工具鼎微镜所能测量的 二件尺寸不能太大。在人王采集 和处理大攮离散数据弱过程巾，不可避免遗产生各种隧枫误差甚至坏点，扶露 对迸一步的应变分析产生很大的影响，最终导致分析结果的精度较低，而且手 互测量非常繁琐，属重复性劳动。特剐对于太面积的测量帮分析，工作量很大。 美国i t s 公司早期生产了专门用于测试网格变形的配有微处理器的6 7 3 型光学 黼格分折仪溺。戳上这些方法一次廷麓测量一个溺播，并置所测出来的数据一 般都是通过手工计算来得到应变值，再绘出成形极限圉，效率缎低。 随着计算机视觉测量技术豹发展，坐标网格法与现代计算机图像处理及视 觉测量技术的结合成为新的研究方向。文献 s j 提出了用图像网格技术分据板料 成形大应变的方法。文中将板料表面的方形网格近似为平面来处理：摄像机读 入鼷格图像后，用光标和数字纯仪标定出所需各点，然矮由所获褥坐标值确定 舷局部应变。另外，文中还介绍了取得方形网格应变主方向的方法，并结合成 4 北京l ：商人学硕十学位论文 形极限图对测得应变进行了具体分析【5 】。 在文献 6 中，针对印制有方形网格的盒形拉深件，提出了用双目视觉法测 得三维网格的应变分布。整个系统由摄像机、旋转盘、角度测量仪、监视器和 微机等组成。工件被置于一个可精确定位的转盘上，透过摄取不同旋转位置的 工件，得到不同视角下的两幅图像。测角仪还可确定摄像机的视角。图像经计 算机缨纯处理惹，提取出交点，褥图中相对交点匹配，由成像足何关系计算褥 各点空间坐标，然后各方格被分为两个小三角形，进行应变计算。 美国c a m s y s 公司推壅的a s a m e 自动癍变测量和分析系统，通过双摄像头 或数码相机的计算机视觉测量硬件系统，获得工件不同角度的两幅图片，然后 在计算机内经过图像处理、反求、三维重建获褥三维弼格蓝蕊，再通过计算获 得每个网格节点的应变值及材料的成形极限图【_ 7 1 。该系统在国内已有北京航空 航天大学、攀枝花钢铁公司、武汉钢铁公司、上海宝山钢铁公司用来进行钣金 件成形分析和冷轧钢板成形性能分析【s 】。 相比之下，国内开展这方面的研究比较晚，只是近几年的事。从该研究的理 论性和实用性都具有很大的研究价值【4 l ，因此开展基于视觉的汽车覆盖件塑性应 变测定与可视化处理具有重要的现实意义。 1 4 课题方案及主要工作 1 4 1 课题方案 汽车覆盖件塑性应变获得，需要先对计算机视觉测量所得的汽车覆盖件成形 件的数字图像进行处理，利用图像处理技术获得图像数据、特征点数据、空间点 数据，再利用计算机视觉技术获得特征点的空间三维数据，进行三维曲面重建， 计算凑特征点之间沿曲面上的距离，通过网格变形与应变之间的关系获 ! 导汽车覆 盖件成形的最大主应变、最小主应变、等效应变、厚度方向应变的大小以及方向， 放面褥到汽车覆盖待曲谣特征点( 羁格的中心点) 上的应交值，然嚣以三维等值 线图或彩色云图的方式显示出来汽车覆盖件的部分或全部的应变状态分布，并找 到濒临失效的特钲点，显示出它稍的应变值。 s 基丁i 视觉的汽下覆盖什塑性土麻变测定三j 可视化处理 1 4 2 论文主要工作 本课题源于北京市教育委员会科技发展计划匿上项目基于视觉的汽车覆盖 件塑性主应变测定与可视化( k m 2 0 0 6 1 0 0 11 0 0 9 ) 中的一部分。 1 、搜集资料，研究应变分析技术的应用现状，研究基于计算枫视觉测量的应 变分析可视化系统的结构及其相关技术； 2 、研究应交分析网格图案的制作方法，对传统的嬲格图案的制作方法的缺陷 进行改进，研究适合视觉测量的网格形态，寻求在金属薄板上快速制作高精度网 格的方法； 3 、分析汽车覆盖件变形时网格变形的特点，研究网格应变的计算方法，通过 对变形后的空闻网格点的研究找到适合表面应变的计算方法。主要内容有三维点 云数据的研究及其格式定义，三维曲面重建方法及曲面的描述，特征点之间沿曲 面上的距离的计算方法，特征点之闻豹距离与应变之闻的关系，不同应变值之闯 的关系及其计算方法等； 4 、研究三维网格应变计算以及可视化技术。主要内容有三维应变场的等值线 图和彩色云图的显示技术，成形极限图的生成，人机交互界面的生成等。 6 北京1 ：商人学硕十学位论文 第2 章基于视觉的汽车覆盖件塑性应变分析系统 2 。l 基于应变分析法的覆盖件塑性应变测定 2 1 1 应变分析方法的应用 应变分析方法的应用不仅可以得到汽车覆盖件的塑性圭应变还有以下几个 方面的指导意义： ( 1 ) 确定覆盖件的应变以及分布。 方形网格系统的最有价值的应用是覆盖件主应变分布的图形显示，它可显 示出覆盖件上每一点的最大应交大小及方向。通过网格曲面上表示的主应变是 突变还是缓变，可以确定应变峰值的准确位置。这就从力学角度为修砸覆盖件 模具问题提供了所必需的信息。从应变的分布可以看出产生应变峰值的主导因 素过大的毛料尺寸，过高的挝深筋或缺少润滑。 ( 2 ) 显示零件上任何一点的应变历史。 在覆盖件威形过程中成应变都在连续逑变化。为获缛应变历史，逶常可采 用成形一系列的冲压件的方法，每一件代表一个成形阶段。对每一次这样的“增 量冲压，都单独使用一块印有蹰格的扳料，从而可获得主应变历史的寞实记录。 2 1 。2 基于视觉的计算机辅助模具调试系统 冲压工艺及模具是汽车覆盖件生产过程中的关键，只有合理的冲压工艺和 高质量的模具是才能生产出高质量的汽车覆盖件。以往冲压工艺的设计主要是 凭借经验通过借鉴和类比已有零件的工艺来完成的【9 1 ，然后再根据具体实践的 情况进行调整，成功之后的细节数据和原始的设计资料并没有直接的联系，导 致对于冲压模具的设计始终没有有效的解决方案。 基于视觉测量应变分析的计算机辅助模具调试系统提供了一种新的方法以 方便解决冲压模具的设计问题，该系统通过计算机视觉处理技术来测量并计算 板料覆盖件的应交情况，根据覆盖件成形的应变分布状况和覆盖件成形性能之 间的关系由专家系统给出相应的解决成形缺陷的方法或措施，从而改进工艺或 7 纂丁视觉的汽车覆盖什塑性主膨变测定与可视化处理 模具结构。将测量数据与覆盖件原始三维数模相比较，确定覆盖件成形的精度， 并将合格工艺和结构的工件及摸具存入数据库中，作为以后覆盖件和模具设计 的参考样本。 2 2 基于视觉的覆盖侔应变测量与可视化系统 2 2 。l 系统组成 基于视觉的汽车覆盖件应变测量与可视化系统通过立体视觉测量出工件的 三维形状，计算应交筐及方向，显示并分析应变状态。根据该系统的要求，系 统功能流程如图2 - i 所示： 图2 - i 基于视觉的覆盖件应变测量与可视化系统 从上图可看出，该系统可分为如下三个模块来分别完成其功能： ( 1 ) 前处理( 图像预处理、特征提取) 前处理主要完成图像采集、图像预处理( 图像平滑处理、灰度修正、图像 8 北京i ：商人学硕十学位论文 锐化、几何校正等) 、图像特征点提取等工作，获得特征点在图像中的坐标。 ( 2 ) 立体视觉以及摄像机标定、立体匹配 双目匹配是立体视觉测量中核心的算法，它根据两幅图像中提取出来的特 征点坐标由射影几何还原出特征点的空间三维坐标数据。为了获得摄像机的有 关参数，需要预先进行标定工作。 ( 3 ) 后处理( 应变的计算、可视化处理、打印输出等) 后处理在本系统中根据空间网格点之间距离与表面应变之间的关系，计算 出覆盖件表面的应变，并用可视化技术直观地显示出各种应变值的分布，并根 据需要进行人机交互操作，实现显示输出、数据导出、打印输出等功能。 2 2 2 各种数据处理 前处理输入的数据就是图像文件，其输出就是图像的特征点坐标数据；双 目匹配求解环节，进行三维空间坐标还原，产生三维网格坐标数据；后处理接 收三维网格坐标数据，再计算应变值，进行可视化，并根据用户需要输出所需 要的各种数据、图表。 ( 1 ) 前处理的数据 由于图像本身是一种二维连续函数，图像的亮度是其位置的连续函数。然 而在计算机上对图像进行数值处理时，首先必须对其在空间和亮度上进行数字 化。摄像机对目标进行拍照并存储为图像文件就是图像采样和量化过程。通过 对二维图像进行均匀取样，就可以得到一幅离散化成m x n 样本的数字图像， 该数字图像是一个整数阵列，因而描述该数字图像最直观和最简便的形式就是 矩阵。 本系统采用v c + + 和o p e n g l 作为开发平台，虽然在前处理方面编程相对较 为复杂，但其运算速度较快，且v c + + 可以单独在w i n d o w s 运行，但其他软件如 m a t l a b 虽然在处理数据方面编程比较简便，但是它不能单独在w i n d o w s 运行， 必须的事先安装程序。 ( 2 ) 空间点的数据 通过双目匹配可以计算出特征点数据，它是特征点中心在图像平面上的坐 9 熬丁视觉的汽下覆盖彳，i ：塑性士成变测定! j 可视化处理 标表示，因此该数据同样采用矩阵表示。这些网格点是由原来e p , f j 有矩阵网格 的平匿板料变形聪来的，每个网格点周围有8 个网格点。在两幅图像同时采集 到有效网格点的情况下，有效区域内网格点没有遗漏，变形之后，其网格之间 的大致位爨关系不发生变化。前处理模块输出了每幅图像的特征点数据，其格 式为m xn 矩阵，中间求解模块将根据这些数据进行双目匹配、空问还原获得 网格点的空间三维数据。每个点都有x ，￥，z 三个坐标，m x1 1 个特征点则有三 个m x n 矩阵来表示x ，y ，z 坐标。这样，后处理模块根据空间网格点数据来计 算主应力大小、方向等结果并实现显示输出。各个模块透过以上数据格式进行 数据的输入输出，实现了各个模块之间的松耦合，方便了开发人员进行相互的 分工协作。 2 3 基于v c h 与o p e n g l 的后处理技术 2 3 1 后处理模块构成 本论文后面将主要研究后处理部分，邸网格应变的计算与可视化，质处理 模块的功能框图入图2 - 4 所示： 豳2 - 2 后处擐模块功能图 数据文件被v c + + 读取，并由v c + + 计算出每一个网格应变，各种应变场的显 1 0 北京i ：商人学硕斗j 学位论文 示由o p e n g l 实现，可以显示真实主应变及其方向、等效应变及其志向、应变场 可以以平滑阴影图、等值线图等方式显示。 2 3 2 基于v c 十+ 与o p e n g l 的后处理 v i s u a lc + 十是微软公司推出的v i s u a ls t u d i o 开发套件系列中的快速开发 工具之一，以面向对象的c + + 语言为核心，综合了微软公司开发了m f c 基本类 库，封装了几乎所有的w i n d o w s 应用程序接口( a p i ) 。利用m f c 类库可以很容 易开发出面向对象的w i n d o w s 应用程序，具有开发效率高、可靠性和可复用性 强等好处。 o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 实质上是一个开发图形程序库，是由美 国硅谷图像公司( s i l i c o n g r a p h i c si n c ，s g i ) 开发出的工作站专用、快速、 高质量的3 d 图形软件。o p e n g l 使用简便，效率高，具有强大的图形处理能力， 如图元造型、着色、光照、景深、阴影、混合、动徊、明暗处理、隐面消除、 反走样、纹理映射、图像处理、交互设计等，并可与各种编程语言紧密结合。 ： v is u a lc + 十和微软m f c 类库包含了强大的基于w i n d o w s 的应用框架，提供 了丰富的窑叠和事件驱动爱数，是一季孛非常实用的工作平台。因此o p e n g l 借助 于m f c ，可以发挥更大的优势。 同时论文审的基予褫觉的汽车覆盖伴塑性主应变测定与可视优系统需要大 量的数据处理和图形处理功能，因此决定利用提供了强大的面向对象理念的 诧+ + 并发工具和m f c 进行程序开发，图形平台则采用o p e n g l 图形软件包。 2 4 本章小结 本章介绍了应变分析方法的应用，在此基础上提出了基于视觉的汽车覆盖 件塑性主应变测定与可视化系统。并对系统各功能模块进行了分析。并着重分 析了后处理模块的功能及后处理研究的平台v c + + 与o p e n g l 软件。 基丁视觉的汽卞覆蔫f ，l ：塑性主膨变洲定与可视化处理 第3 章立体视觉关键技术 3 1 立体视觉 立体视觉是年轻的仍在发展的学科，不存在统一的理论，不同的研究群体 可能对于立体视觉会有不嗣的理解：如m a r r 定义立体视觉为“从场景的一嚆图 像中，推导出该场景精确的三维几何描述，并定量确定场景中物体的性质【l o 】”。 w e c h s l e r 认为视觉系统将多数视觉任务塑造为最小纯，并在强加j 偶然性的、 自然的约束条件下使用分布式计算得到解【1 1 1 。f i l o i m o n o s 认为立体视觉的任务 是理解活的生物体的视觉和使机器具有视觉能力啕。 3 1 1 双圈立体视觉技术 立体视觉技术是计算机视觉的一个重要分支一直是计算机视觉研究的重点 和热点之一。立体视觉测量系统是非接触式的，其工作原理是：从两个视点测 量目标的二维坐标，然后褥利用三角关系算出目标点的三维空间坐标。 一个完整的立体视觉系统可以划分为五个模块【b 1 ： ( 1 ) 图像获取( i m a g ea c q u i s i t i o n ) 立体图像的获取是立体视觉的物质基础，立体图缘一般常用双冒圈像，也 有许多方法采用多目图像，获取这些图像的视点可以在直线上，也可以在平面 上，或甚至呈立体分布。 ( 2 ) 摄像机标定( c a m e r am o d e l i n g ) 摄像机标定，其目的是建立有效的成像模型，并确定摄像机的内外部属性 参数，以便正确建立空间坐标系中物点与它在图像平面上像点之间的对应关系。 ( 3 ) 特征提取( f e a t u r ea c q u i s i t i o n ) 特征提取是为了得到匹配得以进行的图像特征，由于目前尚没有种普遍 适用的理论可运用于图像特征的提取，从而导致了立体视觉研究中匹配特征的 多样性。目前，常用的匹配特征主要有点状特征、线状特征和区域特锺等。一 般来讲，大尺度特征含有较丰富的图像信息，在图像中的数目较少，易于得到 1 2 北京。i ：商人学硕十学伉论文 快速的匹配，但它们的定位精度差，特征提取与描述困难。蔼小尺度特征数目 较多，其所含信息较少，因而在匹配时需要较强的约束准则和匹配策略，以克 服歧义匹配和提高运算效率。良好的匹配特征应具有可区分性、不变性、稳定 性、唯一性以及有效解决歧义匹配的能力。 ( 4 ) 立体匹配( i m a g em a t c h i n g ) 图像匹配，也有称立体匹配，是指根据对所选特征的计算，建立特征之间 的对应关系，将同一个空间物理点在不同图像中的映像点对应起来。因此，要 准确地对包含了如此之多不利因素地图像进行无歧义地匹配，显然是十分困难 地，至今这个问题还没有得到很好地解决。本装置是利用图像中的标定块和汽 车覆盖件的接触点来进行匹配。 ( 5 ) 深度确定( d e p t hd e t e r m i n a ti o n ) 当通过立体匹配得到视差图像之后，便可以确定深度图像，并恢复场景3 - d 信息。影响距离测量精度的因素主要有数字量化效应、摄像机标定误差、特征 检测与匹配定位精度等等。 3 1 2 双目立体视觉原理 双目立体视觉中需要用到两个摄像机，与单目视觉不同的是需要通过定标来 测量两个摄像枫之间的相对位置i t 4 1 ，如图3 - ! 所示。在定标中，可以通过单摄像 机标定方法分别得到两个摄像机各自的内外参数，如果外参数分别用墨，与恐， 乞表示，列墨，表示q 摄像机与越界坐标系之闻的相对位霉，置，岛表示岛摄 像机与世界坐标系的相对位置。对于任意一点p ，如果它在世爨坐标系、坐标 系与c 2 坐标系下的非齐次坐标分别为x w , x 小x c ：，则： 气l = r h + ( 3 1 ) 2 = 墨+ 乞 。(3-2) 将式( 3 1 ) 与( 3 - 2 ) 中的x ，消去后得到： 艺i = 墨r 一2 + f l r r 卅乞 ( 3 - 3 ) 1 3 基丁视觉的汽乍覆盖1 i ，i ：塑性主席变测定与可视化处理 因此，两个摄像机之间的几何关系可用以下r 和t 表示： r = r r t = - r i r f 2 p ( 3 4 ) ( 3 5 ) 图3 1双目视觉中两摄像机的几何关系 3 2 摄像机标定 摄像机的标定是为了确定摄像机的位置、属性参数和建立成像模型，以便 确定空间坐标系中物体点同它在图像平面上像点之间的对应关系。摄像机标定 问题就是计算摄像机的外部参数和内部参数。摄像机的外部参数表示摄像机的 位置和方位相对于一个世界坐标系的坐标：内部参数表示摄像机的光学本质特 性，包括图像中心点坐标、图像尺度因子、有效焦距长度和透镜的畸变失真系 数。目前常用的摄像机标定算法不需要特别的实验装置，其中大部分的方法都 是利用成像几何性质将需要标定的各个参数分解，然后分别计算。本文利用线 1 4 北京l ：商人学硕十学位论文 性摄像机模型进行标定。 3 。2 1 线性摄像机模型 线性摄像机模型是计算机视觉系统中使用的最简单的摄像机模型，也称为针 孔模型。空闻任何一点p 在图像上的成豫位置可以溺针孔模型近似表示，即饪何 点p 在图像上的位置p ，为光心0 与p 点的连线o p 于图像的交点，这种关系也 称为中心摄影或透视投影。如图3 2 所示，空间点p ( x ，y ，z ) 在摄像机坐标 系下的坐标为( 鼍，誓，乙) ，在图像上的投影位置( x ，y ) 为连线o p 和图像平面 的交点。因为0 ，p ，p 三点共线，应有o p = 五印，力为某个常熟，幽比例关系 可知它们有如下的透褫投影关系。 艇警尊z ：一x ：一y ：一 忙笼酬2 z 下乏一 用齐次坐标与矩阵表示上述透视投影关系： 料k 00 0 7 l oo l 01 o j x c e z 。 l x 。盘 乙 ( 3 。6 ) y ；盈 z c ( 3 7 ) 将式( 3 4 ) 和式( 3 5 ) 代入式( 3 7 ) ，得到以世界坐标系表示的p 点坐标与其 投影点p 的坐标( u ，v ) 的关系如下。 h 乙叶 善 o 0 毒 3 0 000 1 f 以 f 。习乏j ll x 。 l z 。 l = m l m 2 x ，= m x 静 ( 3 - 8 ) 其中，q = 么，哆絮乡乏，y 嚣s 7 ；哎和哆分别是u 轴和v 轴上的尺度因子； 7 是描述两图像坐标轴倾斜度的参数；m 为3 4 矩阵，称为投影矩阵；m ；完全 1 5 厂o o 1卜o，oii里 蜘 蛳， r 旷 1卜ooo， 0 o o魄厂啄0 q 0 o _-_。-，t-il，。l。t-l = 瑟丁视觉的汽1 i 覆盖f ，l ：钽性主成变测定与可视化处理 由口，口。，u 。，v o 决定，因此称这些参数为摄像机内部参数；m ：完全由摄像机相对 予世界坐标系的方位决定，称为摄像视外部参数，确定某一摄像枕内外参数的过 程成为摄像机标定。 x 奋 p ( 五，。 p ( x ，y ) ， 。，一一 ，一，+ ” ：纱 ，。7 y j 卅 一一 图3 - 2 摄像机坐标系与世赛坐标系 3 2 3 线性模型摄像机标定 摄像机标定一般需要在摄像机前放一个特制的标定参照物。然而描述三维空 闻坐标系与二维鬻像坐标系关系的方程一般说来是摄像机内部参数和外部参数的 非线性方程，如果忽略摄像机镜头的非线性畸变并且把透视变换矩阵中的元素作 为未知数，给定一组三维控制点和对应的图像点，就萄以利用线性方法求解透视 变换矩阵中的各个元素。 如图3 3 所示的特制的标定参照物，标定参照物上的每一个特征点( 物体上 每个小方框的顶点) 相对于世界坐标系的位置在制作时已经精确测定，世界坐标 系可选为参照物的物体坐标系，即把立方体的三个棱边分别选为x ，y ，z 轴， 并且作为世界坐标系x ，y ，z 。轴。 1 6 北京i ：商人学硕十学位论文 料鞋纠 x m 珐 z 衍 l ( 3 9 ) 其中，( l ，z 耐，1 ) 为空间第i 个点的坐标；( u j , v j ，1 ) 为第i 点的图像坐标系； m 。为投影矩阵m 的第i 彳亍第歹列元素，式( 3 9 ) 包含如下三个方程。 lz 二毪= ，| l l 盖0 + 镌2 】i + 俄1 3 z 埘+ 玛4 z 二麓= m 2 l j o 掰2 2 + 鸭3 z 训+ 磁2 4 ( 3 一l o ) 【乙= m 3 l k 十鸭2 k + 鸭3 瓦+ ， 将式( 3 1 0 ) 中的第一式除第三式，第二式除第三式分别消去乙后，可得如 下两个关于嘞褥线性方程： l x 衍+ 鸭2 k + ，1 1 3 z w - i - 4 - - u l x 埘鸭l q 匕m 3 2 - - u i z 埘鸭3 = l l j 鸭4( 3 1 1 ) 【镌l 如+ 强2 k + 鸭3 z 耐+ 翻矗一v i x 瓣m 3 l v , y w , m 3 2 一麓z 埘鸨35 鼍躅，4 上式表示，如果标定块上有露个已知点，并已知它们的空间坐标( ，k ，乙) ( 卢1 ，2 ，栉) 与它们的图像坐标系( 嘶，v ，1 ) ( 净1 嘲) ，则有2 n 个关于m 矩 阵元素的线性方程，如下所示： 1 7 基丁视觉的汽下覆盖f ，l ：塑性士戍变测定与可视化处理 ，”l l x 衍+ ，靠1 2 k 十埘1 3 z “十，竹1 4 辑鼍，f m 3 l 一坼k ，m 3 2 u i z ， 3 3 = u i m 3 4 ，他l 爿_ + m 2 2 圪十，靠2 3 z 。f + m 2 4 一v f 爿州m 3 l v , l f m 3 2 一v f z 耐m 3 3 。h ，1 3 4 礁l 托# + 礁2 k + 瑕3 z 。十玛4 一u i x , n m 3 l 一镌k 缟2 一强z 。m 3 3 2 u m 3 4 m 2 i x 蝴+ 珑2 2 瓦n + 搠2 3 z 洲十_ ，1 2 4 一“f x w 。，i 一蜥鸭2 一u i z m 弘3 端u n m 3 4 将式( 3 1 2 ) 写成矩阵形式如下所示。 扎1 z 纠1 000 0 一u i x , lm 】i ：- i 州i z 。1 00 0 0 k l巧lz w l 1 一m 。k l v l 匕lv i z 。, i l 乙10 0 0 0 k 飞一互娜 0000ky 嗍z 01 e 舸一k一z 。 ( 3 1 2 ) u l m 3 4 峰嘞 煅3 4 吃，4 ( 3 - 1 3 ) 由式( 3 1 3 ) 可见，m 矩阵乘以任意不为零的常数并不影响( l ，圪，z 叫) 与( u i v t ，1 ) 的关系。因此，在式( 3 一1 3 ) 中可以指定鸺4 = l ，从而得到关于m 矩 阵其他元素的2 嚣个线性方程，这些位置元素的个数为1 1 个，计1 1 维向量为m ， 将上式简写为： 、 k m = u ( 3 1 4 ) ” 由式( 3 1 4 ) 可见，k 为式( 2 。1 3 ) 左边2 n x1 1 矩阵；i f l l l 为未知数的1 1 维 囱量；u 为式( 3 。1 4 ) 右边的2 n 维向量：k ，u 为已知向量。当2 n 1 1 时，可 用最小二乘法求出上述线性方程的解为： m - ( k 彳必) - 墨苫u ( 3 _ 1 5 ) 1 8 御脚挪脚黜膨膨胁胂黜膨 北京j ：商人学硕卜学何论文 3 2 3 参考坐标系 双鼹视觉的基本原理是从两个视点观察同一景物，以获取在不同视觉下的感 知图像，通过三角测量原理计算图像象素问的视差，以获取景物的三维信息。为 了定量描述摄像机的成像过程及成像模型，首先熏要定义图像坐标系，成像平面 坐标系，摄像机坐标系和世界坐标系4 个参考坐标系。 ( 1 ) 图像坐标系( p i x e lc o o r d i n a t es y s t e m ) 摄像机采集的数字图像在计算机内可以存储为数组，数组中的每一个元素 ( 称为像素，p i x e l ) 的值瑟为图像点的亮度( 或称为灰度，蓉力彩色图像，到瑟 像的像素亮度将由红绿蓝三种颜色的亮度表示) 。在图像上定义直角坐标系u - v ， 每一像素的坐标( u ，v ) 分别是该像素在数组中蛉列数和行数。所以，( u ，v ) 是 以像素为单位的图像坐标系坐标。 ( 2 ) 成像平面坐标系( r e t i n a lc o o r d i n a t es y s t e m ) 由于图像坐标系只表示位于数字图像的列数和行数，并没有用物理单位表示 出该像素在图像中的物理位置，因而需要荐建立以物理单位( 例如厘米) 表示的 成像平面坐标系x y 。在x y 坐标系中，原点0 。定义在摄像机光轴和图像平面的 交点处，成为图像的主点( p r i n c i p a lp o i n t ) ，该点一般位于图像中心处，但由 于摄像机制作的原因，也会有些偏离。 以像素为单位的图像坐标系u - v 和以物理单位为单位量度的成像平面坐标系 x y 的关系如图3 4 所示。若0 l 在u v 坐标系幸的坐标为( u o ，v o ) ，每令像素 在x 轴和y 轴方向上的物理尺寸为d ；，d ，则两个坐标系的关系如下。其中s 表 示因摄像机成像平面坐标轴相互不正交引起的倾斜因子( 如果两坐标轴垂直时 s ：o ) 。 1 9 麟丁视觉的汽下覆盖1 i ，i = 塑性士成变测定0 可视化处理 阡 图3 4 图像坐标系和成像平面坐标系 x， 材2 了+ s y + d 。 。u 1 ，= y + v o ， i 强。 0 ，鲫 ” ool ( 3 ) 摄像机坐标系( c a m e r ac o o r d i n a t es y s t e m ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 1 9 ) 摄像机成像几何关系可由图3 - 3 表示，其中0 点称为摄像机光心，x 。轴和 y 。轴与成像平面坐标系的x 轴和y 轴平行，z 。轴为摄像机的光轴，和图像平面垂 直。 ( 4 ) 世界坐标系( w o r l dc o o r d i n a t es y s t e m ) 在环境中还需要选择一个参考坐标系来描述摄像机和物钵的位置，该坐标系 称为世界坐标系。世界坐标系和摄像机坐标系之间的关系可以用旋转矩阵r 和平 移向量t 来描述。因此，空间中一点p 在世界坐标系和摄像机坐标系下的齐次坐 标分别为( x ，y 。，z ，1 ) r 与( x 。，y 。，z 。，1 ) r ，则存在以下关系。其中， 2 0 或彭 藏彬； 飞 飞； ；|-s以o o o 北京i ：商人学硕十学传论文 r 为3 3j 下交单位矩阵；t 为三维平移向量；0 = ( 0 ，0 ，o ) r ；m l 为4 4 矩 阵。 x c 芝 z c l 。f 霆f 1 1 0 7 1j x 。 匕 z 。 l = m i x 。 匕 z 。 l ( 3 2 0 ) 3 2 4 三维重建 如果能得到物体表谣上所有点的三维坐标，则物体的形状与位置就是唯一确 定的，从而物体的三维模型就可以建立。猩有些情况下，不需要知道物体所有点 的坐标，只要翔道关键的凡个项点坐标就可以确定物体的形状和位置。假如p 为 物体上的任意一点，用g 和c 两个摄像机同时观察p 点，如图3 5 所示，则它在 c l 摄像机的图像点位于露点，在g 摄像机的图像点位于昱点，这样空间点p 既 位于q 暑的连线上，又位于q 冀的连线上，则两条线的交点就是点只这样就可 以确定p 点的空间坐标了。( 假定任意点p 在两个掇像机g 和q 上的图像点冀和 只已经从两个图像中分别检测出来，即片与为空间同一点尸的对应点) 。前面 已经计算出摄像机的参数矩阵鏊，下面就可以用它来计算空间点的三维坐标值了。 v ( x 。，匕，z ，) c 2 图3 5 双摄像祝观察夕点 假设现在摄像机q 和c 2 已经标定，它们的投影矩阵分别是m 。暑- i i m ：，由公式 2 l 基_ i ：视觉的汽午覆盖什塑性土麻变测定与可