（机械设计及理论专业论文）实物快速反求过程中数据采集技术研究.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d yo nd a t a a c q u i s i t i o n t e c h n o l o g yi n3dr e v e r s e e ng i n e e r i n g c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r - a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： 、 u n i v e r s i t y ： 一 、 s o n gl i a n g j u n t a ng u a n g y u m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y m a r c h ，2 0 0 7 h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 、 k 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文实物快速反求过程中数据采 集技术研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 同期：姊3 月o h 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 实物快速反求过程中数据采集技术研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密回 不保密口 ( 请在以上相应方框内打4 ) ，在2 - 年解密后适用授权书。 储繇康诞召腓母乡月o 同 翩样：孳彬 嗍州吲邮 ， 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 反求技术概述1 1 1 1 反求工程简介。：1 1 1 2 反求工程中的测量技术1 1 1 3 快速反求技术现状3 1 2 反求工程测量方法简介4 1 - 2 1 接触式测量法5 1 2 2 非接触式测量法6 1 3 选题的意义和本文的主要工作1 0 第2 章数据采集装置设计及其参数标定1 2 2 1 建立单线结构光深度图像获取系统的数学模型。1 2 2 1 1 系统硬件组成1 2 2 1 2 深度图像获取系统数学模型1 3 2 2 数据采集装置设计1 9 2 2 1c c d 摄像机的选择1 9 2 2 2 激光器的选择2 1 2 2 3 摄像机支架设计2 2 2 2 4 图像采集卡的选择。2 3 2 2 5 控制装置的选择2 4 2 3 有效视区选取2 4 2 3 1 摄像机参数概述2 4 2 3 2 理论计算m 2 5 2 3 3 测量实验2 6 2 3 4 图像数据处理过程2 7 2 4 数据采集系统内外部参数标定算法研究2 9 2 4 1 标定模型。2 9 2 4 2 标定实现3 0 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 2 4 3m a t l a b 标定程序3 2 2 5 本章小结3 3 第3 章图像特征信息提取算法3 4 3 1 图像特征信息提取算法描述。3 4 3 1 1 图像特征信息提取算法概述3 4 3 1 2 图像特征信息提取流程3 5 3 2 图像特征信息提取算法实现。3 6 3 2 1 平滑处理3 7 3 2 2 减运算提取被测物体图像。：4 0 3 2 3 图像域值变换4 0 3 2 4 识别被测物体图像边缘。4 1 3 2 5 像采集区域分割。4 2 3 2 6 采集图像处理4 2 3 2 7 二值图像的细化。4 3 3 3 算法程序4 4 3 4 本章小结。4 6 第4 章采集数据处理4 7 4 1 试验设计。4 7 4 1 1 试验设备4 7 4 1 2 试验准备4 7 4 1 3 测量方法h 4 8 4 2 数据处理4 8 4 2 1 数据预处理4 8 4 2 2 多视数据对齐。5 0 4 2 - 3 多视角数据拼接5 3 4 2 4 面向快速原型一s t l 文件5 5 4 3 本章小结。5 9 结论6 0 参考文献6 1 攻读学位期间发表的学术论文6 5 到l 谢6 6 、 1 1 反求技术概述 1 1 1 反求工程简介 第1 章绪论 反求工程 ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，简称r e ) ，也称为逆向工程、反向工程 等，是一种吸收新技术的途径。所谓反求，就是与传统的产品实现由设计到制 造产品的流程相反，它的操作对象首先就是产品或者实物模型，经过对实物的 测量、并对测量所得的数据进行处理而得到进一步的应用。最初，日本应用反 求工程对竞争对手的产品进行改进，以便避开艰苦的原型设计阶段。所谓再设 计过程，就是通过观察和测试某种产品，对其进行初始化，然后，拆开产 品，逐一分析单个零件的组成、功能，装配公差和制造过程。进行这些处理的 目的，就是要完全理解产品的制造过程，并以这种理解为基础，生产出更好的 产品n 1 。 技术创新是继承和创新相结合，它是在前人的基础上进行创新，以现有的产 品为参照目标，确定出新目标乜1 。反求工程是增强技术创新能力的重要手段， 它不仅仅是一种“拷贝”的过程，他还可以在原基础上进行改进、创新，其实 任何新产品的问世不管是创新、改进还是仿制都蕴涵着对已有科学技术的继 承、应用和借鉴。 另外，反求工程还有它特殊的应用领域。尽管计算机辅助设计技术发展迅 速，各种商业软件的功能日益强大，但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设 计需要，还存在许多使用粘土或泡沫模型代替c a d 设计的情况，最终需要运 用逆向工程将这些实物模型转换为c a d 模型d 1 。 总之，反求工程大大缩短了产品的开发周期，提高了生产率，增强了经济 竞争能力。据统计，世界各国7 0 以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握新 技术的一种手段可是产品研制和制造周期缩短4 0 9 0 h 5 6 1 。 1 1 2 反求工程中的测量技术 物体三维轮廓数据的准确获取是整个反求工程的关键所在。随着传感技 术、控制技术、制造技术等相关技术的发展，出现了各种各样的样件表面三维 数据获取方法。总体上，这些数字化方法可分为接触式和非接触式两种。接触 式测量有点位触发式和连续扫描式两种。非接触式包括超声波法、电磁法和光 学测量方法。 触发式的表面测头测量精度高但测量速度慢，一般只适用于零件的表面形 状检测，或需要数据较少的表面数字化的场合；装有连续扫描测头的连续式数 字化方法是较适合于生产车间环境的数字化方法，而且能保证较短的扫描时间 和最佳的测量精度，但易损伤被测表面，而且不能对软件材料和超薄形物体进 行测量，对复杂曲面的精细部分或接触测头不可及的地方测量不到h 1 。总之， 接触式的方法对物体表面的颜色和光照没有要求，物体边界的测量相对精确， 测量精度高，但缺点是测量速度慢，效率低；不能对软质材料和超薄形物体进 行测量，对细微部分测量精度也受到影响，应有范围受到限制；始终需要人工 干预，不可能实现全自动测量；由于测头的半径而存在三维补偿问题，而且接 触测头获取的只是关键特征点，不能反映整个零件的形状，特别是对自由曲面 形状的物体，需要大量的数据点。 非接触式速度快，可实现对细微部分的扫描，但相对c m m 它的精度较 低。在国内目前的应用看，逆向工程中数据的获取手段主要是依靠c m m ，但 是速度和效率在现代科技和生产中的地位日益增长，加上非接触式测量通过合 理改变传感器的设计结构可以克服接触式测量的缺陷，所以非接触式的应用和 发展非常迅速埔1 。线结构光法和c d d 图像分析法的非接触测量方法的测量效 率高，不易损伤测头，不存在测量力，适合测量软件表面，但测量精度低，测 点散乱，增加了对测量结果进行建模的难度阳1 。激光扫描法成本低、速度高、 易于操作，而且与c n c 机床兼容。激光扫描测量可以在短时间内获取大量的 数据点，输入到c a d 系统与其相结合，可以快速获取曲面的信息点。而且如 果激光束与被测表面垂直时，其测量精度可以超过接触测头的测量精度n 训。常 用的几种三维数据获取方法从速度与精度的关系和可靠性与结构简单程度的关 系做出的关联图( 见图1 - 1 ) 。 速度 可靠性 图1 1 几种三维数据获取方法的比较 f i g 1 1c o m p a r i s i o n o fs e v e r a lm e t h o d sa b o u t3 一dd a t ag e t t i n g 1 1 3 快速反求技术现状 快速原型制造是2 0 世纪8 0 年代后期国际上出现的新技术。它起源于日 本，很快发展到美国和西欧，是近2 0 年来制造技术领域的一次重大突破。近 年来，激光快速成型的反求技术迅速兴起，目前的快速成型系统均可配置反求 设备，进行反求工程。这一新技术的出现引发了制造技术思维方式和生产方式 的变革，受到各国政府、企业界和学术界的高度重视。世界上主要先进工业国 家的政府部门、企业、高等院校、研究机构纷纷投入巨资对逆向工程技术进行 研究开发和推广应用。他们无不站在2 1 世纪世界制造业全球竞争的战略高度 来对待这一技术。在9 0 年代中期，国内一些大企业如新飞、海尔、科龙等先 后引进了快速成型设备。目前逆向工程技术已经广泛应用于机械、汽车、航空 航天、船舶、家用电器、轻工、工业设计、医疗、建筑、工艺品制作以及儿童 玩具等领域，并且随着这一技术的不断发展和完善，其应用范围将会不断拓 广。 目前，国外在面向快速成型的反求工程领域已经取得了一定的进展。美国 不仅是r p 技术的开创者，也是开展面向快速成型制造的反求工程研究最早的 国家，相关技术已在航空、汽车等领域得到应用。美国已经开始基于工业c t 的反求技术与r p 技术的集成研究。针对激光测量、图像信息的反求工程研究 美国波音公司率 低了成本，也大 大增强了全球竞争力。美国开发了c t 可视化转化成i g e s 格式的软件，日本 开发了基于m r i 和c t 的重构三维实体软件。英，法等国能将扫描数据在数控 设备上复制。 在国内，周利民重点研究了自由曲面快速测量系统得实现技术，并用r p 工艺反求了先进工业部件原型。张畅明确了反求工程在快速制造中的意义。王 建国提出了基于r p r p m 的快速反馈设计思想。此外，清华大学进行了图像， c t 反求，西安交通大学进行了c t 反求，并开发出激光扫描测量原型系统一 套；北京隆源公司则利用激光三角形法和自动断层扫描仪实现反求工程。而国 内其它一些研究则主要是针对具体的零件进行反求，或是曲面，实体的重建方 面的研究。 从目前反求工程的发展水平来看，还不能完全适应快速成型技术的要求。 无论是测量方法，还是数据处理技术，都有待于提高和发展。上述对于反求工 程的研究存在三方面的问题：一是都遵循原有的反求模式，即实物一三维数据 一三维实体重构一切片分层一快速成型，在这一模式中三维实体重构是整个反 求系统的瓶颈，复杂型体的重构是非常困难的，经常会出现错误或重构的三维 实体不唯一，同时在三维数据测量、三维实体重构、切片分层过程中会使误差 放大，二是没有突破现有的几种实体三维数据测量方式，三是反求设备及软件 的价格太高，几乎和快速成型机的价格相同。 现今国外不同种类的反求测量设备己进入我国市场，如英国3 d s c a n n e r 公司的激光扫描测量仪、美国“l a s e rd e s i g n s u r v e y o r l 2 0 0 立体激光扫描系 统、德国g o m 公司的a t o s 测量仪等。这些测量设备功能较完善，但价格相 当昂贵。国内的反求测量设备不断在市场上涌现，如逆向工程国际领先技术一 一天远o k i o 光栅式三维扫描仪( 抄数机) 、上海数造3 d s s 、深圳市鑫磊镭瑞 精密仪器有限公司、上海俊维测量科技有限公司、深圳市特得维技术有限公 司、广州精密测量仪器有限公司等。这些测量设备功能完善，达到国外先进测 量设备同等水平，价格便宜，具有良好市场前景。 1 2 反求工程测量方法简介 反求工程测量( 即对被测实体轮廓信息进行数字化) 是r e 技术的第一步。 测量方法的好坏直接影响到对被测实体进行描述的精确、完整程度，进而影响 产 测 图1 - 2 测量方法的分类 f i g 1 - 2c l a s s i f i c a t i o no fm e a s u r i n gm e t h o d 1 2 1 接触式测量法 1 2 1 1 坐标测量机法坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) ， 又称为三坐标测量机。它是以精密机械为基础，综合应用光学、电子技术、计 算机技术等先进技术的测量仪器，主要包括四个部分：坐标测量机机体、数据 处理及控制系统、测头、测量及控制软件。在测量时，将被测零件放入其容许 的测量空间内，并测得零件几何型面上各测点的三维坐标值，通过计算即可得 到被测零件的几何形状以及相关尺寸。 目前坐标测量机在国内外的应用已经相当普遍，世界上生产坐标测量机的 厂商超过5 0 家，品种规格已达3 0 0 种以上，全世界拥有2 万台以上，我国也 拥有4 0 0 台以上n 引。坐标测量机主要用于如下几方面 1 对三维复杂零件的尺寸、形状和相互位置进行高精度测量； 2 实物模型数字化，例如对于机翼、汽车车身实验模型的测量； 3 在线质量控制。 坐标测量机的优点在于测量精度高、效率高、通用性好，是现代科学研 究、工业生产必不可少的精密测量仪器。按照坐标测量机的测量精度可以分为 计量型和生产型两种。计量型坐标测量机一般放在有恒温条件的计量室内，用 于精密测量，其测量分辨率最高可达0 m m ，空问任意方向的测量不确定度为 检测，其 以下。 过对工件 的调平产生工件上的水平基准平面，并使之与平台平面平行。利用平台高度尺 在每一个测位测量工件上的特征点相对于平台平面的高度差，并可以将其换算 到相对于工件水平基准平面的高度差，通过不断变换测位完成对整个工件上所 有特征点的测量。 平台高度尺法的原理清楚直观，曾在生产现场被广泛使用。其不足之处在 于对工件水平基准平面的调整比较困难，测量时需要的人员多、劳动强度大、 周期长，而且人为因素对测量结果的影响比较大，。例如用高精度尺尖对准被 测特征点的过程会因人而异，而且受到操作人员经验和工作状态的影响，另外 该方法只能进行高度方向上一个维度尺寸的测量，难以适应实际生产中对工件 质量检验的要求。所以平台高度尺法是一种精度差、效率低的测量方法，不能 满足科研、生产的需要n 5 1 n 6 1 。 1 2 2 非接触式测量法 常用的非接触式测量法有投影光栅法、激光三角形法和极线约束法等。 1 2 2 1 电子经纬仪法电子经纬仪法是计算机辅助光学测量方法，其基准为光 学视线，故无挠度、变形等问题。且所需工艺装备少，通过计算机对测量数据 进行处理，因而具有准确、通用、灵活方便以及操作简单、量程大等优点，在 工件( 如飞机装配型架) 的特征点三维坐标测量中被广泛使用。 较为常用的是双经纬仪法，其测量误差由基准尺长度误差、标定误差、两 经纬仪的测角误差、人眼的瞄准读数误差等组成。测量精度与两经纬仪之间的 距离及其相对于被测对像的位置有关，测量前应根据被测对像的尺寸大小、测 量精度要求以及现场条件设计出两经纬仪相对于被测对像的最佳测量布局，这 就给实际使用带来了一定的困难，降低了测量效率。 另外在实际测量中，有时由于被测对像的尺寸较大，使视线受到阻碍以及 测量空间的限制等原因，使得两台经纬仪一次架设后不可能同时瞄准到全部被 测点，即有些测点处于“盲区”而无法被瞄准与测量。因而在测量时需多次改 变两台经纬仪的架设位置，同时则需要多次标定并设计出最佳测量布局，这就 大大降低了测量效率。为了克服“盲区 问题并提高测量效率，有时需要采用 多经纬仪( 四台或八台) 全方位测量法，但同时也带来成本提高、占用过多空间 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 的问题。 1 2 2 2 雷达测距法激光雷达测距系统利用光速在空气中传播速度为常数的原 理，由测距器主动向被测物体发射激光脉冲或经过调制的激光束信号( 调制方 法包括幅度调制和频率调制两种) ，光束遇到被测物体反射回来并被探测器所 接收。距离信息的获取是通过测量激光脉冲在测距器与物体表面之间的飞行时 间，经过调制的返回信号的相位移动，反射光强度或反射率( 回波能量与光源 能量之比，是描述物体固有性质的重要参数) 等参数来获得n 7 m 舯。这种方法具 有以下优点 1 对物体的表面性质不加限制； 2 可测得绝对距离； 3 不需要拍摄图像并作图像处理，因此被测距离与灰度图像无关。 该方法的不足之处是成本较高，使用激光会造成环境公害。 1 2 2 3 莫尔条纹测距法莫尔条纹技术利用刻划有高频等间距条纹的标尺光栅 与指示光栅相重叠，并且二者之间有一个很小夹角时相对运动形成低频莫尔条 纹的原理。利用莫尔条纹技术进行测距是基于被测深度包含于被测物体表面所 调制的条纹相位信息中，从中可以解调出被测表面轮廓、形状的原理。该方法 适合于物体的轮廓、形状测量，其主要包括以下几种方法 1 双光栅莫尔条纹测距系统该系统需要一副精密的匹配光栅，投射光栅 放置在光投射器前，摄像机光栅放置在摄像机前，光投射器和摄像机相对深度 方向都有一个夹角。光投射器发出的投射光的幅度被投射光栅所调制，然后投 射被测物体上。被测物体的表面轮廓调制了投射光的相位，摄像机通过摄像机 光栅将会拍摄到相应的莫尔条纹。而摄像机光栅相当于对投射光栅的幅度调制 进行了解调，摄像机所拍摄到的莫尔条纹包含了表面轮廓高度信息，利用三角 法即可求得被测深度。该方法的关键在于对光投射器和摄像机的准确标定以及 对莫尔条纹图像的自动分析n 训。 2 单光栅莫尔条纹测距系统单光栅莫尔条纹测距系统去掉了摄像机光 栅，而只保留投射光栅。根据投射光栅放置位置的不同，又可以分为以下两种 形式。 对于相对比较平坦的物体表面，可以把投射光栅贴近物面放置，物体表面 通过光栅进行照明，并利用摄像机拍摄阴影莫尔条纹图像。这种方法除了不需 要一副精密的匹配光栅之外与双光栅莫尔条纹测距系统的基本原理是相同的。 g t m a u v o i s i n 结合干涉方法和阴影莫尔条纹技术，采用基于相位移动的方法和 f f t 方法，在2 0 m m 范围内的测量误差小于0 0 1 m m 心0 1 。 将周期性 的光栅像投影到物体表面上，则投影光栅像的位相受到物体表面轮廓的调制而 成为变形光栅像，用摄像机直接拍摄被测物面的投影光栅像，同时对平面物体 拍摄投影光栅像作为参考图像。最后由计算机解调出变形光栅像的位相就可以 提取出被测物体的高度轮廓。 按照解调方法的不同，又可分为以下各种测量方法：例如莫尔等高线法、 傅立叶变换轮廓法、步进移相法、空间相位探测法等。江毅等利用傅立叶变换 轮廓法( n 甲) 实现对物体表面轮廓的测量，最大测量高度为1 m ，测量精度优于 0 3 ，重复性精度优于0 1 。相对于其它投影光栅条纹强度进行分析并得到 被还原的相位，该方法不需要较均匀的光栅图像，相位还原直接由条纹分析实 现，其测量准确度主要依赖于条纹中心位置的定位精度。由于采用发散照明， 故可测量较大物体，但对光栅条纹的分析较为复杂。陈文艺等采用交叉光轴投 影光栅系统，对7 0 m m ( 长) x 7 0 m m ( 宽) x 6 0 m m ( 高) 标准平面的高度进行测量，测 量平均值为5 9 7 5 m m ，均方误差为0 2 3 2 m m 心。 1 2 2 4 跟踪式激光干涉仪测距美国国家标准局的k l a u 等研制了自动跟踪式 激光干涉仪测距系统，用于对机器人手腕上被测点的空间位置进行测量，该系 统有三种构成形式： 1 自动跟踪式单光束五维激光干涉测距系统( 5 d l t i s ) 。该系统可以测量 被测目标的五个空间自由度参数伍圪三维空间坐标加上两个角度参数) 。系统 由计算机、便携式跟踪单元和目标单元所组成。便携式跟踪单元由一路激光干 涉仪系统、两轴伺服控制的跟踪转镜及其角度编码器和一个三角支架所组成。 目标单元安装在机器人的手腕上，由两轴伺服控制的部分反射镜及其角度编码 器和两个光电二极管( 安装在反射镜的背面，用来感知入射光的方向和位置， 并通过4 个a d 转换器将信号输入计算机以便对反射镜进行伺服控制) 所组 成。跟踪伺服控制系统要准确控制跟踪转镜的方向，使跟踪单元所发出的激光 束准确发射到目标反射镜的中心位置，同时目标伺服控制系统要准确控制目标 反射镜使之垂直于入射光束并将其反射回初始发射处。测量系统所测得的是目 标反射镜与跟踪转镜之间径向距离的变化量。为了获得二者之间的绝对距离， 需要进行二者之间初始绝对距离的标定。在验证实验中，采用h p 5 5 0 1 a 准单 光束平面反射镜干涉系统，并将目标反射镜固定在手动坐标测量机上幢2 儿2 3 1 。该 系统在1 5 x 1 5 x 1 5 m 空间内测量重复性优于1 吮m ，在2 x 2 x 2 m 范围内预计长 度测量精度为_ _ _ 4 0 t m ，预计角度测量精度优于l ”。 2 自动跟踪式单光束三维激光干涉测距系统0 d l t i s ) 。该系统仅测量被 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 测目标点的x y z 三维空间坐标值， 这样使测量系统更加经济、实用1 。 其测量精度与5 d l t i s 基本相同。 采用猫眼反射镜代替伺服控制的反射镜， 在验证实验中采用双频单光束干涉系统， 3 自动跟踪式双光束三维激光干涉测距系统( t w o s t a t i o n3 d l t i s ) 。该系 统在形式上类似于两个3 - d l t i s 的组合，即采用两套独立的光路伺服跟踪控制 系统去跟踪共同的目标点，并基于三角法而非干涉技术的测量原理。该系统的 优点在于可以进行绝对距离的测量，同时避免了采用成本较高的激光干涉测量 系统心钔。缺点是需要对两个跟踪转镜之间的绝对距离进行精确标定，同时由于 体积较大，易受外界环境因素的干扰和影响。l b b r o w n 在此基础上进行扩 展，采用了自动跟踪式六光束激光干涉测距系统，测量机器人手腕上被测点六 个自由度的坐标。o s a m u n a k a m u r a 等研制的用于标定三维工作台的四光束激 光干涉仪系统将角锥反射镜固定在工作台上，通过四个激光干涉仪所测得的距 离信息计算出角锥棱镜角点的三维坐标，在1 0 0 x 1 0 0 x 1 0 0 z m 3 的范围内的测量 精度为0 5 研m 。 1 2 2 5 光栅投射法由于光栅投射技术是光学三维测量中最常用的、最有发展 前途的技术，因此该技术的研究也成为研究热点与发展方向乜7 1 。 1 光栅投射法研究热点集中于变频条纹投射技术的研究，其目的是实现 绝对位相的自动求解，解决具有台阶或不连通区域的复杂面形测量中的去包裹 问题。 2 光栅投射技术实际上是一种位相编码方式，常见的编码方法包括二维 网格图案编码、二进制编码、位相编码、随机图案编码以及各种颜色编码等。 与其它方式相比，位相编码的优点在于可实现较高的测量分辨率呦1 。其不足之 处在于：采用相移技术时需要采集多幅图像，不易实现实时测量乜引。h u a n g 等 采用了位相编码，并结合以颜色编码克服了此缺点。首先，分别以红、绿、蓝 三基色形成互有相移的余弦条纹图像，合成后投射于物面。经图像传感器接收 后，三基色经各自通道分离，并据此以相移算法求解位相。位相编码的另一限 制是需要用位相去包裹操作。通常，减小光栅节距是提高测量精度的最有效方 法之一，但同时也会使去包裹操作变得异常困难。为此，s o n s n i 等采用了二进 制编码与位相编码相结合的技术。一系列空间频率逐次倍增的二值( 黑白) 条纹 被依次投射于物面之上。其间，物面上任意点位于黑白条纹的状态可利用阈值 方法确定，分别记为o 与1 ，逐次排列后可形成该点二进制编码。在条纹到达 某一高频( 条纹宽度减小到一定宽度，阈值判断困难) 时，采用位相编码与相移 算法来提高测量分辨率，并使位相去包裹的操作在较小的区域内进行。因此位 相编码与其它编码法相结合，可以取长补短，从而产生新的技术。 3 早期的标准设置是利用投影机将余弦光栅投射于物面，但是柔性较 差，难以实现可变灵敏度，须借助机械机构实现相移，精度可靠性较低。数字 投影设备通过编程实现了非机械精确相移以及可变灵敏度，并可实现自适应测 量，但具有一定非线性。为获得标准余弦条纹，也可用于涉仪作为光栅投影设 备，如剪切干涉仪、光纤干涉仪等，并且可以以此实现相移和光栅的可变空间 频率。 三维传感与计量是一个仍在迅速发展的科学研究领域。近年来取得较大进 展的技术还包括：像平面定位系统、干涉计量、隧道显微镜技术和结构光编码 等洲。这些技术的深度分辨率大约覆盖了从大尺度三维形貌测量到微观结构研 究的广泛应用和研究领域口。 通过对上述测量方法特点的分析，可以看出采用非接触光学方法来测量物 体表面轮廓形状，具有灵敏度高、速度快、获取数据多等特点，在三维测量中 正日益受到重视和广泛应用m 1 。 1 , 3 选题的意义和本文的主要工作 反求工程是测量零件实物后通过对测量数据的处理和三维实体重构，实现 对产品的改进。因此为获得产品的空间信息而进行的三维自动测量成为人们普 遍关注的技术。基于视觉概念的非接触三维测量技术是以视觉传感器所采集到 的深度图像数据为研究对象来获取被测物体的三维形状信息的测量技术。深度 图像与摄像机所获得的二维灰度图像不同，深度图像上每个像素的值代表深 度，所以可以建立由深度图像到三维空间点的对应关系。通过实时快速获取深 度图像，应用计算机处理数据，能够很快测量出物体形状。 通过各空间坐标系的位置关系建立数学模型，并在深度图像获取系统中实 现。再对采集到的深度图像进行处理，可以得到被测物体的三维数据。在深度 图像获取中，要求知道摄像机内外部参数，因为摄像机参数是数学模型中必不 可少的量。所以精确的标定出摄像机的内外部参数是深度图像提取的基础。而 有效测量视区划定也是深度图像能够包含精确深度信息的前提。 在反求工程中需要得到的数据经常是被测物体的全部轮廓，希望通过一次 测量得到被测物体全部数据很困难。因而一般是对物体重新定位，一种方法是 同时从不同角度或方向获取物体不同方位的表面数据，另一种是通过被测物体 旋转固定角度获取表面数据。所以要想得到被测物体的全部轮廓数据要进行多 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 视数据拼合，这也是反求工程中急待解决的问题之一。 为此本文在模仿人类双眼结构设计的结构光双目测量系统数学模型的基础 上对实物快速反求过程中数据采集方法进行了深入系统的理论和试验研究，主 要工作内容有t 1 在基于线结构光测量技术的双目三维视觉测量方法数学模型基础上， 分析摄像机参数对测量结果的影响，尤其是镜头畸变在水平方向和竖直方向的 影响得到更合理的系统数学模型。 2 在数学模型基础上，充分考虑测量设备调节需要，设计并制造一套由 c c d 摄像机、线结构光激光器、精密传动机构和计算机等硬件组成的单线结 构光深度图像获取装置，配合相应的软件构成的实验用结构光三维测量系统。 3 利用结构光三维测量系统的结构特点，调整镜头焦距以及摄像机间距 大小，通过试验数据测定采集装置的有效视区。然后结合结构光双目测量系统 的特点，提出了c c d 摄像机标定方法。 4 针对反求测量图像采集过程的噪声很难去除和数据不易压缩问题提出 图像特征信息提取算法。将图像处理常用的特征识别技术引入到图像采集过 程，对测量设备按顺序采集到的一系列图像通过进行减运算、域值变换( 二值 化) 、边缘提取，以及图像分割等处理，在图像采集前分割图像采集区域使有 效区域动态显示并采集的方法。 标定 2 1 建立单线结构光深度图像获取系统的数学模型 2 1 1 系统硬件组成 线结构光双目三位视觉测量系统主要由旋转工作台、测头组件、以及用于 图像采集和控制的数据处理系统三部分组成如图2 1 所示。其中测头组件模仿 人眼结构，将用于图像收集的两个c c d 摄像机平行放置，再将线结构光激光 器放置在两个摄像机中间，并使激光器发出的线结构光与摄像机主光轴平行且 垂直分两摄像机连线，从而构成类似人眼结构的视觉测头组件。线结构光垂直 水平面投射到被测物体表面，摄像机采集到线结构光条的图像经数据处理系统 形成被测物体表面数据点组成的一条线，再辅以测头组建水平移动得到被测物 体的数据面，再配合数据工作台的旋转运动从而完成对被测物体表面的测量。 对于结构简单的被测物体可将测头组件固定，仅旋转工作台形成被测物体表面 数据模型，完成被测物的测量。 图2 - 1 线结构光双目三维视觉测量系统的组成 f i g 2 1c o m p o s i n g o f3 dm e a s u r e m e n t s y s t e mu s i n gd o u b l ec c d s t r u c t u r e dl i g h t 计 算 机 图 像 采 集 卡 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 2 深度图像获取系统数学模型 摄像机模型是三维空间中的物体到像平面的投影关系，基于结构光的三维 视觉测量系统应能从摄像机获取的图像信息出发，计算三维环境物体的位置、 形状等几何信息。图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点反射光的强 度，而该点在图像上的位置则与空间物体表面相应点的几何位置有关。这些位 置的相互关系由摄像机成像模型所决定。 基于线结构光的双目立体视觉测量系统中的摄像机模型和涉及到的坐标系 及其转换关系的确定，是各模块处理和计算的依据，同时由此完成了计算机视 觉从表达到算法以及硬件实现的理论过程，为后期的研究奠定基础。 2 1 2 1 坐标系变换立体视觉系统中，物体从三维空间到计算机显示，成像关 系复杂，变换涉及到几个不同的坐标系，其中有： 1 世界坐标系w ( x ，y 动客观世界的绝对坐标系，也是一个假想的固 定参考坐标系，一般采用三维直角坐标系o - x y z 。 2 摄像机坐标系，k ，z c ) 以摄像机为中心的三维坐标系，其原点定 义在摄像机光心位置，z c 轴为摄像机的光轴，毖轴、匕轴分别与摄像机的成像 平面平行，与像平面的距离为焦距为厂o 3 图像平面坐标系0 ，) ，) 定义在成像平面上的二维坐标系，其原点定义 为光轴与像平面的交点，x 轴、y 轴分别与摄像机坐标系丑轴、e 轴平行。 4 计算机图像坐标系似，订在计算机内部的二维数字图像坐标系，坐标 原点选在图像的左上角，水平轴0 轴) 向左为正，垂直轴“轴) 向下为正。 在以上四个坐标系中，计算机图像坐标系的度量单位为像素，而其他三个 坐标系均为物理长度单位( 毫米等) 。 通用摄像机模型除了要考虑以上几个坐标系的变换关系外，还必须考虑两 个因素：是对于高精度立体视觉系统，必须考虑摄像机镜头的畸变，从而在 像平面上的成像位置会与理想情况有所偏移；二是计算机中使用的图像坐标单 位是存储器中离散像素的个数，所以对像平面上的坐标还需取整转换b 引。 从客观场景到数字图像的成像变换由以下4 步组成，如图2 2 所示。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 图2 2 从客观场景到数字图像的成像变换模型 f i g 2 - 2t r a n s f e rf r o mo b j e c tt od i g i t a li m a g e 1 从世界坐标系w ( x ，y ，z ) 到摄像机三维坐标职g 匕，y c ，z c ) 的变换( 考 虑刚体景物) 肾即 。r = k 弓】r 肛臣吲 用欧拉角( 痧，0 ，奶表示为 f c o s t l , c o s os i n l pc o s 0 r = i s i n 犁, c o s p + c o s l ps i n 9 ， c o s l ：f , c o s p + s i n 掣, s i n o s i n p i s i n , , s i n p + c o s 缈s i n p- c o s ps i n q ，+ s i n e , s i n o s i n q ， 式中痧，0 ，缈分别表示以坐标原点为中心，绕z ，y ，x 轴转动的偏航、俯仰 和滚动角。 2 从摄像机三维坐标系，匕，z c ) 到理想图像平面坐标系i ( x ，y ) 的变换 是 叫鲁 ( 2 - 2 ) y _ l 芝( 2 - 3 ) 3 从无畸变像平面坐标堆，y ) n 受镜头径向畸变影响而偏移的实际像平 缈旷 口 n j 窖 n 弓； 量心胁 一 | 宝 螂 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 面坐标，( 工，y ) 的变换是 z 一工( 1 + 打2 )( 2 - 4 ) y y ( 1 + 妇2 )( 2 5 ) 4 从实际图像平面坐标系到计算机图像坐标系w “，v ) 的变换如图2 3 所 示。在像平面坐标系中，其单位采用物理单位( 如毫米) 。但是在计算机中，每 幅数字图像存储为m x n 数组，m 行n 列的图像中的每一个元素( 称为象素， p i x e l ) 的数值即是图像点的亮度。在图像上定义直角坐标系似， ，) ，每一象素的 坐标似，y ) 分别是该象素在数组中的列数与行数，是以象素为单位的图像坐标 系的坐标。它只表示象素位于数组中的列数与行数，并没有用物理单位表示出 该象素在图像中的位置。 图2 3 屏幕图像坐标系 f i g 2 - 3c o o r d i n a t es y s t e mo fs c r e e ni m a g e 因此，需要再建立物理单位与像素单位之间的关系，即横向与纵向的比例 因子蟊、巩，它们分别表示c c d 摄像机在u 轴与l ，轴方向上两个相邻像元中 心之间的距离，单位是m m t 象元。则从实际的像平面坐标系到计算机图像坐标 系w ( u ，y ) 的变换为 y ， h = + “o ( 2 - 6 ) a j ， 1 ，= + ( 2 7 )v、， 口y 式中( u 口，v o ) 为成像平面坐标系原点在计算机图像坐标系中的坐标。 2 1 2 2 深度图像获取系统数学模型针对结构光深度图像获取系统进行分析， 为便于描述和计算，结构光三维视觉测量系统有如下的假设条件：摄像机口 径、焦距相同，各自的成像面均处于光学系统的焦平面上，且与光轴垂直：摄 文 机的取向由其光轴的取向决 理如图2 4 所示m 1 。 图2 4 基于线结构光的双目三维视觉测量系统原理图 f i g 2 - 4p r i n c i p l et h r e e - d i m e n s i o nv i s i o nm e a s u r i n gs y s t e mb a s e d o nt h r e a dc o n s t r u c t i o nl i g h t 图中o 、c 为左右摄像机的中心，坐标系c 函t y t z l 和c 尚r y r z r 分别为左、 右摄像机的坐标系。尸为一空间物点，设尸点在世界坐标系中的坐标为， y ，刁，在左右摄像机坐标系中的坐标分别为，m ，z f ) 、，e ，z 0 ，点p 在左右摄像机的成像点在左、右图像平面坐标系中的坐标分别为p f ，y ) 和 p ，似，) ，) ，在屏幕像素坐标系中的坐标为0 ，l ，) 、o ，d 。连接o 、g 的线段 为基线，其长度b 为基线长度。为了计算的方便，定义世界坐标系o - x y z 的 原点d 位于基线的中点，且瓜y 、z 与摄像机的坐标系对应坐标轴平行，由 此构成了结构光三维测量系统的几何关系。根据立体视觉理论，从世界坐标系 到左、右摄像机坐标系的坐标变换关系如下 妻 。置 爹 + 互= 耋；i i 差i 耋】+ 蒌】 c 2 - 8 ， 式中r r 一左摄像机坐标系o ， 阵； r ，右摄像机坐标系c r ( x r ， 阵； 野一左摄像机坐标系c ，e 爵， 阵； z - 一右摄像机坐标系g ( 爵， 阵。 m ，历) 到世界坐标系w ( x ，y ，z ) 的旋转矩 e ，z r ) 到世界坐标系i 谬，y ，z ) 的旋转矩 m ，劲到世界坐标系聊，y ，z ) 的平移矩 矸，z 0 到世界坐标系晰y ，z ) 的平移矩 霉= - 6 20 一厂】r ( 2 1 1 ) 互= b 20 一厂j r ( 2 1 2 ) 妻 2 ，【茎 + 【一；2 2 ， 爹】+ 6 三2 c 2 - 1 3 ， 从图中可得6 = l x ，i + l x ，i ，因此根据透视投影原理，有 z i x ，ix ， ；i 曼；二乏辛z = 兰 ，k r ix ， 综合式( 2 1 3 ) 、式( 2 1 4 ) ，可以得到p 点在世界坐标系中的表达式为 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 x ；b 苎兰 2x l 一 l ，旦生 ( 2 1 5 ) z 。一鱼上 x l x r 式中却一而定义为视差。 由于系统的物距远大于焦距，因此可以将透镜成像模型视为小孔成像模 型，所以有从图像平面坐标到计算机图像坐标变换如下 “严孚+ “，o ( 2 - 1 6 ) ， 、， a j u r = 孚+ 砧，o ( 2 - 1 7 ) a j y = + ( 2 - 1 8 ) 口y 式中( u l o ，v o ) 、( u r o ，v o ) 分别为左、右像平面坐标系原点在计算机图像坐标系中 的坐标，露、西为从图像平面坐标系到计算机图像坐标系的横、纵向量化因 子，它们分别表示c c d 摄像机在“轴与y 轴方向上两个相邻像元中心之间的 距离，单位是m m 像元。将式( 2 1 6 ) 、c - 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 4 ) ，即可得到摄 像机图像像素坐标同世界坐标的变换关系如下 y 。鱼亟生! 二亟壁些：q 1 2 - - u ，) 一d 0 l ，易生- 告 ( 2 1 9 ) d 。 ，- - u ，) 一d o 、 z ，- b 上 ! 以 ，- - u ，) 一岛 式中d o