（测试计量技术及仪器专业论文）双目视觉形貌测头的研究.pdf

摘要 随着现代制造技术的迅速发展，三坐标测量机正逐渐成为机械制造业特别是 自动化生产中实现质量控制的主导检测设各，但传统的三坐标测量机采用的接触 式测量方法已经制约了三坐标测量机测量功能的发挥。研究能够完成大量程快速 测量的非接触测头已经成为三坐标机测头发展的一个重要方向。 本课题得到美国联合技术公司( u n i t e dt e c h n o l o g i e sc o r p o r a t i o n ) 提供的容 闳基金资助。本论文的主要目标是研究三坐标视觉检测中的几个关键技术，即摄 像机标定问题、图像匹配问题、三维重构问题、曲面配准问题，通过开发双目立 体视觉测头完成复杂自由曲面的测量。 论文的主要工作包括以下几个方面： 1 对视觉传感器的原理进行了详细研究，给出了激光测头结构优化方案，在此 基础上确定了系统的机械结构。 2 出于测量金属强反射表面的需要，在光路设计中加入偏振方向相互垂直的一 组偏振片，以消除测量过程中镜面反射光的影响。 3 使用虚拟三维靶标与激光平面完成了传感器中摄像机的相对定位和绝对定 位。 4 。采用基于光条特征点的外极斜率约束技术，完成了传感器的双目匹配。 5 根据被测曲面的曲率变化，提出了基于曲率特征的自适应采样策略。 6 采用自适应阈值法对采集图像进行了二值化处理，针对标定网格板图像和激 光光条图像的特点，分别提出了网格板角点和光条中心的定位算法。 7 针对非接触激光扫描测量系统得到的大量散乱数据点，研究了一种结合三角 b e z i e r 曲面造型和n u r b s 曲面造型技术的实用曲面重构技术，同时采用改进后 的迭代最近点算法( i c p ) 对多视数据的盐面配准问题进行了研究。 本论文主要创造性研究包括以下几个方面： 1 根据金属表面反射光的偏振特性，通过使用偏振片消除镜面反射光的影响。 针对强反射表面的纹理特性对扫描测量造成较强干扰的现象，提出了以测头 扫描方向规划为主的解决方案。 2 提出以共面网格靶标构建三维虚拟靶标，综合运用共面和非共面条件下的 r a c 标定法的摄像机标定方案，完成了包括比例因子在内的摄像机内部参数 和外部参数的标定。 3 针对扫描测量系统得到的大量散乱数据点，研究了一种基于d e l a u n a y 三角剖 分的三角b e z i e r 曲面造型与n u r b s 曲面造型相结合的实用曲面重构技术，同时 采用改进后的迭代最近点算法( i c p ) 对多视数据的曲面配准问题进行了研究。 关键词：三坐标测量机测头 图像匹配三维重构 曲面配准 自由曲面摄像机标定 三角b e z i e r 曲面 n u r b s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r i n gi n d u s 奶，t h ec o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) b e c o m e si n e r e a s i n g l yt h em a j o ri n s p e c t i o ne q u i p m e n ti n q u a l i t yc o n t r o lo fa u t o m a t i cp r o d u c t i o n t h o u g ht h ec m m u s e sc o n t a c tp r o b e si n m o s tc a s e s ，i tl i e sb e h i n dt h er e q u i r e m e n to fa u t o m a t i cm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n d l i m i t st h eu s eo fc m mi nq u a l i t yc o n t r 0 1 s ot h es t u d yo nn o n c o n t a c tp r o b e sw i t h w i d em e a s u r i n gr a n g ea n dh i g hm e a s u r i n gs p e e dh a sb e e na ni n e v i t a b l et r e n di nt h e d e v e l o p m e n to f m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y t h i sd i s s e r t a t i o ni sf m a n c i a l l ys u p p o r t e db yr o n g h o n ge n d o w m e n to f t h eu n i t e d t e c h n o l o g i e sc o r p o r a t i o n , u s a t h em a j o ro b j e c to ft h i st h e s i si st os t u d yt h ek e y t e c h n i q u e si nm a c h i n ev i s i o ni n s p e c t i o n ，w h i c hi n c l u d ec a m e r ac a l i b m t i o n ，i m a g e m a t c h i n g ，3 dr e c o n s t r u c t i o n , s u r f a c em e r g i n g ，a n dd e v e l o p m e n to fa3 dm a c h i n e v i s i o ni n s p e c t i o ns y s t e mw i t ht w oc c ds e n s o r st on k a s u r cf r e e f o r ms u r f a c e s t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e n d o n ei nt h i sp r o j e c t ： 1 t h ep r i n c i p l eo ft h ev i s i o ni n s p e c t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l at h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o no fl a s e rp r o b es t r u c t u r ei sp r e s e n t e d ，a n dt h em e c h a n i c a l s t r u c t u r eo f t h es y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nt h ea n a l y s e s 2 i no r d e rt om e a s u r eh i g h - r e f l e c t i v em e t a l l i cs u r f a c e t w os e t so fp o l a r i z e r sw i t i l m u t u a l l yp e r p e n d i c u l a rp o l a r i z a t i o nd i r e c t i o n sh a v eb e e na d o p t e di nt h eo p t i c a l s t r u c t u r eb e c a u s et h e yc 锄e l i m i n a t et h ed i s t u r b a n c eo f s p e c u l a rr e f l e c t i o n 3 b yu s i n gav i r t u a l3 dt a r g e t ，t h ei n t r i n s i ca n de x t r i n s i cp a r a m e t e r sh a v e b e e n c a l i b r a t e d 4 b yu s i n ge p i p o l a rc o n s t r a i n tt e c h n o l o g y ( e c t ) w i t ht h ef e a t u r ep o i n t so nl i g h t s t r i p e ，t h ei m a g em a t o h i n go f t w oc c d s e n s o r sh a sb e e nr e a l i z e d 5 a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no f t h ec u r v a t u l 屯s ，t h ec u r v a t u r e - b a s e da d a p t i v es a m p l i n g s t r a t e g yi sp r e s e n t e d 6 b y u s i n ga d a p t i v e t h r e s h o l dt e c h n o l o g yt op r o c e s si m a g e s ，t h eo r i e n t a t i o n a l g o r i t h m sf o rg e t t i n gt h ec o r n c rp o i n t sa t 鲥dp l a t eo rt h ec e n t e rp o i n t so ft h el i g h t s t r i p e sa r ep r o p o s e d 7 d u et ot h eh u g en u m b e ro fs c a t t e r e dp o i n t sg e n e r a t e di nt h ep r o c e s so fs c a n n i n g m e a s u r e m e n t , a na p p l i e ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m ，w h i c hc o m b i n e s t r i a n g u l a rb e z i e rp a t c hm o d e l i n gt e c h n i q u ew i t i ln u r b sm o d e l i n gt e c h n i q u ei s s t u d i e d a i i i l i n ga tt h ep r o b l e mo fm u l t i - v i e ws u r f a c em e r g i n g ，a l li m p r o v e d i t e r a t i v ec l o s e s tp o 血( i c p ) a l g o r i t h mi sa d o p t e d t h ec r e a t i v ew o r ko f t h i st h e s i si n e l u d e s ： 1 b a s e do nt h ep o l a r i z a t i o nc h a r a c t e ro fs p e c u l a rl i g h to nm e t a l l i cs u r f a c e ，t w os e t so f p o l a r i z e r sw i t hm u t u a l l yp e r p e n d i c u l a rp o l a r i z a t i o nd i r e c t i o n sa r eu s e dt oe l i m i n a t e t h ed i s t u r b a n c eo fs p e c u l a rr e f l e c t i o n s i n c et h et e x t u r eo fah i g h - r e f l e c t i n g 汕r f a c e m i g h tm a k eh i 曲d i s t u r b a n c et os c a n n i n gm e a s u r e m e n t ，t h er u l e sf o rs e t t i n gt h e m e a s u r i n gd i r e c t i o na l ep r o p o s e d 2 w i t hav i r t u a l3 dt a r g e ti nf r o mo fag r i dp l a t e ，ac a m e r ac a l i b r a t i o nt e c h n i q u e b a s e do nr a cc a l i b r a t i o nm e t h o d 、啊t l lc o p l a n a ra n dn o n c o p l a r m rt a r g e ti sp r o p o s e d b yu s i n gt h i st e c h n i q u e ，a l lt h ei n t r i n s i ca n de x t r i n s i cp 黜n e | t e 嚣o fc c dc a m e r a i n c l u d i n gt h eu n c e r t a i n t yo f i m a g es c a l ef a c t o rc a nb er e a d i l yc a l i b r a t e d 3 d u et ot h eh u 【g en u m b e ro fs c a t t e r e dp o i n t sg e n e r a t e di nt h ep r o c e s so fs c a n n i n g m e a s u r e m e r i ld e l a u n a y - b a s e dt r i a n g u l a t i o nm e t h o di si m p l e m e n t e da n da na p p l i e d s u r f a c er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m , w h i c hc o m b i n e st r i a n g u l a rb e z i e rp a t c hm o i l i n g t e c h n i q u ew i t hn u r b sm o d e l i n gt e c h n i q u ei ss m d i e d a i m i n ga tt h ep r o b l e mo f m u l t i v i e ws u r f a c em e w n g ，a ni m p r o v e di t e r a t i v ec l o s e s tp o i n t ( i c p ) a l g o r i t h mi s a d o p t e d k e y w o r d s ： c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e p r o b e c a m e r ac a l i b r a t i o n i m a g em a t c h i n g t r i a n g u l a rb e z i e rp a t c h n u r b s f r e e f o r i l ls u r f a c e 3 dr e c o n s t r u c t i o n s u r f a c em e 昭i n g 独创性声明 本人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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果。也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：7 长瘤峰签字日期： 却昭年占月够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：张密伟 签字日期：砒年月鸪日 一名：讫群 签字日期：山o 年f 月2 2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着科学技术的飞速发展和工业生产自动化目益普及，人们要求提高产品 的性能，缩短生产周期，提高生产效率；制造部门为适应瞬息万变的需求，快 速地、灵活地组织生产，提出了许多新的制造技术与制造系统，其中以计算机 集成制造系统( c i m s ) 为代表的各种先进制造技术受到高度重视。 c i m s 的关键技术与核心是集成。它是借助计算机网络、数据库技术集成企 业各部门和各经营运作环节产生的数据，综合运用现代化管理技术、制造技术、 信息技术、自动化技术和系统工程技术，将企业生产的全部过程中相关人员、 技术、设备及经营管理四要素及其信息流、物流有机地集成，并实现企业整体 优化的一项综合性技术。系统的集成包括计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助 制造( c a m ) 、计算机辅助质量控制( c a q ) 和生产规划与控制( p p c ) 等相关 内容。 在当前的工业环境中，产品的设计最终都是利用c a d 系统实现的。c a d 数据库是实现计算机辅助工艺过程规划( c a p p ) 和生成数控加工路径的基础。 c a d 模型可通过c a d 系统设计得到，但对一些形状复杂的零件，例如，某些 流线型物体、人体假肢、艺术雕塑、复杂汽车零件和飞机发动机叶片等，具有 非常复杂的自由曲面，其设计表达或数学模型的建立是非常困难的，对这类零 件通常要在先有产品原型或实物模型，通过对原型或模型测量形成产品图纸的 情况下进行制造，这种方法被称为逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 川1 2 j 。 逆向工程是计算机集成制造系统( c i m s ) 的重要功能之一，而复杂曲线曲 面实体的逆向工程是逆向工程中的典型代表，也是逆向工程的难点之一。要完 成复杂自由曲面的制造，首先要对实体的自由曲面模型进行测量，实现数字化， 继而处理测量数据，根据这些数据点建立曲面模型，并将造型结果生成符合c a d 接口的数据格式，以便曲面模型能被c a d 系统读取并进行进一步的修改和完 善。因此。能否实现对曲面模型的高速、高精度测量，能否对测量数据进行准 确处理并建立合适的曲面几何模型是实现逆向工程的关键。 因此，与此相关的各项技术得到了越来越广泛的应用，逆向工程逐渐成为 一个非常活跃的研究领域。由于逆向工程能缩短从设计到制造的周期，因此它 正成为设计者们实现各种新的制造概念，如并行工程和仿真工程的有利工具。 天津大学博士学位论文 逆向工程与传统的正向工程的主要区别在于：正向工程是由抽象的较高层次概 念或独立实现的设计过渡到设计的物理实现，从设计概念到c a d 模型具有一个 明确的过程；而逆向工程是基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计概 念，并且可以通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近 或修改，以满足生产要求。 在逆向工程中，形状测量是最为关键的一步，只有测得样件的三维形状， 才可能去制造它。所以，研究如何高速、高精度地采集自由曲面三维坐标信息 的方法具有重要意义。 1 2 自由曲面测量技术 物理模型数字化的方法有多种，根据测量原理的不同，自由曲面测量可分 为接触式测量和非接触式测量。接触测量法，尤其是采用三坐标测量机的接触 式测量多年来一直被广泛采用；非接触测量法目前使用较多的是光学测量方法， 其中激光三角法和结构光法现在已比较成熟。无论采用哪种测量原理，自由曲 面的测量过程在大多数情况下都是扫描测量过程，即测头在运动过程中完成测 量。 根据扫描测量设备的类型可分三坐标测量机测量和专用扫描测量设备测 量。 1 2 1 三坐标测量机测量 三坐标测量机【3 】是近4 0 年来发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。 它广泛用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。它可用于零件和部件 尺寸、形状及相互位置的检测，例如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、 齿轮等空间型面的测量。此外，还可用于划线、定中心孔、光刻集成电路等。 由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、性能好、能与柔性制造系 统相连接，已成为一类大型精密仪器，有“测量中心”之称。 三坐标测量机作为现代大型精密仪器，己越来越显示出它的重要性和广阔 的发展前景。它可方便地进行空间三维尺寸的测量，可实现在线检测及自动化 测量。它具有以下优点：通用性强，可实现空间坐标点位的测量，方便地测 量出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度；测量精确可靠：可方便地进行 数据处理与程序控制。因而它可纳入自动化生产和柔性制造中成为一个重要的 第一章绪论 组成部分。在自由曲面测量中，按测头的工作方式可分为c m m 接触式测量和 c m m 非接触式测量。 1 2 1 1g m m 接触式测量方法 2 0 世纪6 0 年代初期，人们开始用三坐标测量机来测量三维曲面。从那 时起，随着计算机技术和测量机外围设备的不断发展，测量速度和测量精度 都有了很大提高。现在c m m 已成为许多工厂必备的检测设备。 采用c m m 触发测头对已知自由曲面进行测量时要根据曲面模型和曲 面特征，由c a d 系统确定被测点数和测点分布情况并生成测量路径【4 】【5 1 。 采用接触式扫描测头可以测量三维空间内的微小位移，能在连续的工件表 面上完成扫描测量。接触式扫描测头的优点是可靠性好，精度高，可实现三维 微位移测量；缺点是与被测表面接触有摩擦、磨损以及弹性变形，测量速度低， 不能测量软性物体表面，需要进行测头半径补偿。 1 2 1 20 m m 非接触测量方法 非接触铡头的出现为自由曲面的高速测量提供了必要条件。光学非接触传 感技术是目前比较活跃的技术领域，与接触式测头相比，光学非接触测头具有 如下突出优点u j ： 1 ) 没有测量力，可以用于测量各种柔软的和易变形的物体，也没有摩擦； 2 ) 由于不接触，能以很快的速度对物体进行扫描测量，测量速度与采样频 率高； 3 ) 光斑可以做得很小，可以探测一般机械测头难以探测的部位，也不必进 行测端半径补偿： 4 ) 不少光学测头具有大的量程，如1 0 r a m ，乃至数十毫米，这是一般接触 测头难以达到的； 5 ) 同时探测的信息丰富，例如用c c d 摄像机可以同时探测到视场内大量二 维信息( 接触式测头只能一点一点地探测) ，它还能测出物体的光学特性。 用光学测头测量物体，并不是测量物体本身的几何形状，而是所“看”到 的物体像的光学反差结构。除物体的尺寸特性外，物体的辐射特性对测量结果 也有较大影响。有一系列因素，如照明情况、表面状态反射情况、阴影、挡光、 对谱线吸收情况等，都会引入附加误差。因此光学测头的精度不能简单地以测 量不确定度或最大允许误差来表征，而要在非常确定的工作条件下，来讨论其 测量不确定度。 天津大学博士学位论文 光学非接触测头具有受环境电磁场影响小、工作距离大等特点。随着各种高 性能器件如半导体激光器、位置敏感器件p s d 、电荷耦合器件c c d 等的出现， 光学非接触测头得到迅猛的发展，新型测头不断出现，性能也大幅度提高。目 前常用的光学非接触测量方法主要有以下几种： 1 激光三角法测量 激光三角法【6 】f 7 】【8 是一种经典却十分有效 的光学非接触传感技术。它具有结构简单、分 辨力高、工作距离大等优点。如图1 1 所示， 其工作原理是激光束照射在被测面上，利用 c c d 或p s d 接收漫反射光，根据光点在接收器 上的位置，利用三角法计算出测头到被测点的 距离。三角法测头的突出优点是它工作距离大， 在离工件表面很远处( 例如4 0 m m 1 0 0 m m ) 便可对工件进行探测；测量范围大( 例如 + 5 m m + 1 0 m m ) ，这给使用带来很多方便。虽 然在这样大的测量范围内会有一些非线性误 差，但可以通过实际标定，利用计算机软件对 它进行修正。 图卜1 三角法测头原理 这种基于点的方法虽然不具有明显的图象特征，但能量集中，有较高的灵 敏度【8 】。由于影响三角法光学测头的因素众多，它不可能达到接触式触发测头、 模拟测头那样高的精度。目前三角法测头的测量不确定度大致在几十至一百微 米左右。如果测量条件较好、较确定，经过仔细标定、修正，可达到1 0 2 0 p m 。 虽然目前三角法测头精度较低，无法与接触式模拟和触发测头相比，但由 于其工作距离大，测量范围广，再加上一些光学测头共有的优点，不接触被测 件、允许的工作距离大与采样速度高、光斑直径小等，仍然受到人们的青睐。 特别在汽车、模具及模型测量等精度要求不是十分高，而速度要求快的场合， 获得了广泛应用。进一步提高三角法测头的精度与性能，也是十分受人关注的 研究课题。 s a i t 0 1 9 等利用多三角法在很大程度上解决了激光束与被测面的倾斜问题， 他们设计了一种单发射多接收测头，在发射光束周围均布三个c c d 接收器，当 被测面倾斜时其中的一个或两个c c d 可能由于接收不到漫反射光而没有信号 输出，而靠别的c c d7 - 作，然而这种方法的测量精度仍受倾斜角的影响。j o n e s 1 0 】 等人基于三角法原理开发了一种回转类自由曲面的非接触测量装置。由步进电 机驱动被测物体以一定的步距角转动，电流线圈驱动一反光镜使激光束沿被测 物的回转轴扫描，c c d 接收漫反射光，由三角法算出这条扫描线的形状，然后 第一章绪论 使被测物转动一角度，再进行扫描，这样被测物旋转一周就能将整个轮廓测出。 对整个被测面的扫描还可通过计算机控制反光镜的转动来实现i l i 】i l2 j l l ，这种方 法可不用坐标测量机进行复杂曲面的测量。 天津大学博士杜颖提出了一种可供三坐标测量机使用的能测量强反射面的 三发射单接收光学非接触测头f 1 4 1 ，如图l - 2 所示。该测头利用了金属表面对线 偏振光的反射特性，采用三发射单接收的形式，不仅消除了阴影和死区的问题， 而且实现了对光亮金属表面的测量，在得到空间点的位移量的同时也可测量出 该点的方向矢量。 图1 - 2 三发射单接收光学测头 2 光纤位移传感测量 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的- - f l 新技术。光纤传感 器具有探头尺寸小、适合做内尺寸测量、可长距离传送信号等优点。在一些精 密测量中，光纤本身不作为传感元件，而仅用来传光。用于位移测量的光纤传 感器多为反射光调制型，其工作原理如图l - 3 所示，图1 4 给出进入接收光纤的 光强，。与光纤和工件之间的距离占的关系曲线。在用于测量表面粗糙度时，光 纤测头应工作在艿= 氏位置，这时，。对距离变化不敏感，而只是由于工件表面粗 糙度不同，漫反射情况不一样，使接收光纤接收到的光强不同。在用于测量位 移时，测头应工作在尸点附近，这时测头有最高灵敏度。 1 工件 图1 _ 3 光纤测头工作原理 图卜4 光纤信号 天津大学博士学位论文 如果被测物体材料、表面状态不变，光纤测头可以达到亚微米级的分辨力与 测量精度。但随着材料与表面状态变化，会带来较大误差。针对不同材料与表 面状态经过仔细标定，并引入修正，可达到微米级精度。 3 离焦法测量【” 离焦法的基本原理就是将位移量首先转换为物镜前焦点相对于目标面的偏 移量，再由不同的转换元件将这种偏移量变为光电探测器上的光斑形状大小或 光强变化，进而转化为电量输出，图l 一5 是其基本工作原理图。这种方法具有 高的分辨力，易形成小型化测头，缺点是工作距离偏小，不适于测量复杂自由 曲面。 图1 - 5 激光聚焦测头 天津大学博士高翔【6 】提出了一种供三坐标测量机使用的基于动态主动调焦 检测原理的光电非接触形貌测头。该测头将位移量的测量转换成了时间差的测 量，不仅具有大的测量范围和好的动态特性，而且实现了强反射表面的高精度 测量。 4 立体成像测量 立体视觉法与人类视觉成像的原理相同。两台相对位置固定的摄像机与被 测物构成三角形，被测物体在两像面上形成立体图像对，通过匹配左右两幅图 像中相关特征点来获取被测物体的三维空间尺寸【l ”。常用的匹配算法有灰度相 关法和特征法【6 6 】。由于匹配精度的限制，立体视觉对物体的形状描述主要是利 用被测物上的特征点、边界线等特征描述物体形状，难以精确地描述复杂曲面 的三维形状信息。c a r l - t h o m a s 1 1 j 采用六个高精度c c d 面阵摄像机摄取图像， 经过图像处理获取三维信息，再由曲面拟合构造o 模型，但图像匹配算法尚 未成熟。 黼 焦 熊 崦崦崦骓驰驰 第一章绪论 综上所述，近年来三坐标测头主要向下述方向发展。 ( 1 ) 研究开发结构简单、新型和高精度的三维测头 随着坐标测量机精度的不断提高，特别是引入了误差补偿技术，使得测头 误差，或更确切地说探测误差在三维测量中占有很大份额，特别是重复性误差 主要来自测头。传统的三维模拟测头结构复杂、体积大、价格昂贵，因此研究 开发新型、高精度的三维测头，就成为一项十分迫切的重要任务，其中包括对 测头误差的补偿。 ( 2 ) 提高探测速度 在三坐标测量机的整个测量时间中，探测时间占有较大比重。研究三坐标 测头的动态性能，改进探测方法，包括扫描与飞跃测量，对提高探测速度有重 要意义。在这方面，采用非接触测量有明显优越性，而接触探测是提高探测速 度的重要障碍。 ( 3 ) 发展测头附件 测头附件对扩大三坐标测量机功能有重要意义。附件包括各种探针、接长 杆、测头回转体、测头自动更换装置等。 ( 4 ) 发展非接触测头 非接触测头是测头发展的一个重要方向。它不仅可以大大提高测量速度， 而且在扩大量程，测量柔软件、易变形工件等方面均有重要意义。 1 2 2 专用测量设备测量 1 2 2 1 专用接触式测量方法 1 手工测量【郇1 在2 0 世纪5 0 - 6 0 年代，手工测量是将物理模型进行数字化的主要手段，至 今这种方法在世界各地的许多小工厂里仍被采用。首先在物理模型上标出许多 待测的关键点，然后相对于一个固定的测量基准来测量这些点的x ，y ，z 坐标值。 再将这些点输入到c a d 系统，根据这些点插值出曲线或曲面，通过这种方式生 成一个三维c a d 模型。这种测量方法所用的工具包括高度规和量块等。对简单 的对称面可以测量几十个点，对复杂曲面要测量几千个点。 这种方法的缺点是工作效率低，测量精度不仅取决于测量器具的精度，而 且还包括操作者的技术，并可能产生粗大误差；另外，精度低的另一原因是测量 点数相对较少。 天津大学博士学位论文 2 声波测量法 该方法是利用声波计算被测点相对于基准点的位置i l 。这种方法的原理是 将被测物体放在工作台上，并将工作台放在一个房间内，在这个房间的四个角 落安装四个麦克风。用测杆跟踪被测物的表面，测杆会发出超声脉冲并同时使 四个表开始走动，当超声脉冲被麦克风检测到时，就使相应的表停止走动。根 据超声脉冲到达每个麦克风的时间就能算出当前测点的工，y ，z 坐标。 这种方法的优点是它能测量包括金属在内的各种材料，而且对环境噪声不 敏感；缺点是不能进行连续扫描测量。 1 2 2 2 专用非接触测量方法 1 光栅投影法1 2 u 1 光栅投影法是把光栅投影到被测表面上，受到被测面高度的调制，光栅影 线发生变形。通过解调变形的光栅影线就可以得到被测面的高度信息。不同于 前述的各种方法，这种方法的优点是被测面包含在照射光之下，而不需对其进 行扫描，能大大节省测量时间。这种方法的精度主要取决于照射光的带宽，带 宽越窄，精度越高。h a l i o u a 等人利用正弦光栅测量自由曲面，利用步进电机带 动被测面以一定角度旋转，经过光栅后的光投射到被测面上，在被测面上形成 一系列与不同角度对应的截交线，利用c c d 摄像机接受这些条纹，通过相位计 算被测面的轮廓形状。 2 莫尔条纹与付立叶轮廓变换术 莫尔条纹术是将投影光栅和参考光栅在摄像机平面上重合，产生莫尔干涉 图样形成等高线【2 l j 。传统的莫尔条纹法不便于计算机处理，测量精度受光源相 位、光栅粗细和分辨力限制。虽然扫描等高术和锁相等高术能达到一定精度， 但仍未从传统的莫尔条纹方法解脱出来。t a l e 甜驯提出的付立叶变换法只需一 块光栅，对系统的要求降低。张以测2 5 j 对付立叶变换法进行了简化，避免了重 定坐标系的麻烦。黄尚廉等 2 6 1 2 7 1 分析了改进型付立叶变换法及其不足，采用新 的修正方法消除了人为误差的影响。姜金友等1 2 8 】提出了莫尔拓扑与图象处理的 三维表面测量方法，利用计算机产生四幅相位不同的矩形光栅，获得四幅依次 相关的莫尔干涉图，然后通过计算其相移求出物体表面的高度。 3 飞行时f o - 法 2 9 1 这种方法是基于三维面形对单光束产生的时间调制原理。例如，一个激光 - 8 - - 第一章绪论 脉冲信号从激光器发出，经物体表面漫反射后，其中一部分漫反射光沿相反的 路径回到接收器，检测光脉冲从发射到接收之间的时间延迟，就可以计算出激 光器到物体的距离。用附加的扫描装置使光束扫描整个物面，就可以得到深度 数据。这种方法原理简单，具有高的测量速度，又可避免阴影和遮挡等问题， 但对信号处理系统的时间分辨有较高要求。为了提高测量精度，实际的飞行时 间测量系统往往采用时间调制光束，比较发射光束和接收光束之间的位相，从 而得到距离值。 1 3 三维机器视觉检测技术 1 3 1 机器视觉的理论基础 视觉信息系统1 1 8 】【3 0 】是为完成视觉任务，即采集、处理、分析、理解视觉信 息而构造的计算机系统。从比较抽象的角度看，视觉信息系统模型应是一种松 散的知识库模型，如图1 - 6 所示。完成视觉任务是从客观世界获取图像开始的， 系统根据采集的图像进行工作，并对系统内部的表达形式进行操作。系统的内 部表达是对客观世界的一种抽象表示，而视觉理解就是要把输入及其隐含结构 同内部表达中已存在的显式结构联系起来。对视觉信息的加工需要在知识的导 引下进行，知识库应能允许快速存取信息，支持对类比结构的查询，便于在不 同结构之间转化。 在2 0 世纪6 0 年代末，m a r t 基于对人类视觉研究提出的视觉计算理论有较 大影响，称之为马尔理论，其中将视觉信息从最初的原始数据到最终对三维环 境的表达分成三个阶段，即基素表达阶段、2 5 d 表达阶段和3 - d 表达阶段。基 素表达是一种2 - d 表达，它是图像特征的集合，描述了物体上属性发生变化的 轮廓部分。2 5 - d 表达提供了物体轮廓以内目标的3 - d 信息，它描述了以观察者 为中心所观察到的目标可见表面的取向、边界和深度等性质。3 d 表达是在以 物体为中心的坐标系中描述3 d 物体的形状及其空间组织，其中包括物体不可 见部分。 根据m a n 的三级表达观点，视觉计算要解决的问题是，如何由原始图像出 发，通过基素表达和2 5 d 表达，最后得到3 d 表达。 天津大学博士学位论文 图1 - 6 视觉理解和视觉系统 机器视觉检测技术是以计算机视觉理论为基础发展起来的新兴技术，己广 泛应用于许多在线测量过程中。它是用光学和电子器件模拟生物视觉的某些功 能，以获得被测物体的特征信息，完成物体外形的检测。狭义上可以理解为采 用基于c c d 摄像机的视觉传感器获取被测信息的自动化检测。 1 3 2 基于机器视觉的三维曲面测量关键技术 1 3 2 1 摄像机参数标定删 摄像机标定是视觉检测系统标定的重要组成部分，摄像机是视觉系统获得 三维原始信息的基本工具，如要做到从像面上获得的二维信息来推断、检测空 间二维或三维信息，必须确知摄像机的具体参数和空间位置。因此建立一个合 理的透视成像模型，并在此模型基础上根据具体的实验条件采用一种快速、有 效的标定方法是整个测量工作顺利进行的关键所在。 1 3 2 2 视觉传感器结构优化 双目视觉传感器在三维视觉检测系统中越来越受到人们的关注，然而为了 获得较高的测量精度，需要对传感器的结构参数进行优化处理。在具体实现过 程中，解决传感器结构与传感器精度之间的矛盾就成为传感器设计的主要内容。 第一章绪论 1 。3 2 3 图像处理与图像匹配技术 对使用c c d 作为接收器件的图像采集系统来说，在进行图像测量时最关键 的步骤是被测对象的边缘检测。只有精确确定被测对象的边缘，才能准确计算 出被测物的面积、周长、中心、重心等特征，从而完成测量任务。在机器识别 事物的过程中，常需把不同传感器或同一传感器在不同时间、不同成像条件下 对同一景物获取的两幅或多幅图像在空间上对准，或根据已知模式到另一幅图 中寻找相应的模式，这就涉及到图像匹配问题。 1 ，4 曲面建模技术 实施逆向工程的目标，就是建立实体对象的几何模型，生成三维c a d 模型。 几何模型提供完整描述三维实体对象精确尺寸和形状的基本资源，它是将三维 实体局部的几何描述( 如局部曲线曲面描述) 按一定拓扑结构连接起来的综合 表达。 自由型曲线曲面因不能由画法几何与机械制图表达清楚，成为摆在工程师 面前需要解决的问题。2 0 世纪6 0 年代之后，各国科学家相继在这一领域进行了 相当深入的研究【j 1j 【j 2 j p ”。 美国波音( b o e i n g ) 飞机公司的弗格森( f e r g u s o n ) l 首次提出了将曲线曲面表 示为参数矢函数的方法。他最早引入参数三次曲线，构造了组合曲线和由四角 点的位置矢量及两个方向的切矢定义的弗格森双三次曲面；美国麻省理工学院 的孔斯( c o o n s ) p 3 j 构造了一种由界定它的四条边界曲线混合丽成，同时还可以考 虑边界导数条件的自由曲面生成算法，该算法使得复杂曲面的构造比较灵活； 法国雷诺汽车公司的贝齐尔( b e z i e r ) 悛表了一种控制多边形定义曲线的方法， 设计人员只要移动控制顶点就可以方便地修改曲线的形状，而且形状的变化完 全在预料之中。贝齐尔方法简单易用，又较好地解决了整体形状控制问题。它 在计算机辅助几何设计c a g d ( c o m p u t e r - a i d e dg e o m e t r i cd e s i g n ) 学科中占有 重要地位，为c a g d 的进一步发展奠定了坚实的基础，但该方法仍存在局部修 改问题和连接问题；s c h o e n b e r g 【矧、d eb o o r 【4 研和c o x 4 9 1 奠定和完善了b 样条 理论基础，r r i e s e n f e l d1 5 0 1 和w g o r d o n1 5 1 j 将b 样条理论引入曲线曲面设计系 统。b 样条曲线曲面除了具有b e z i e r 曲线曲面所具有的特性外，还具有局部性 和自然连续性。b 样条曲线曲面可以通过插入新的节点而使之转交成相应的 b e z i e r 形式。 上述各种方法尤其是b 样条方法较成功地解决了自由曲线曲面的形状描述 天津大学博士学位论文 问题。然而应用于圆锥截线及初等解析曲面却是不成功的，都只能给出近似表 示，人们希望找到一种统一的数学方法。基于r i e s e n f e l d 的工作，美国s y r a c u s e 大学的v e r s p r i l l e 在他的博士论文中首先提出了有理b 样条方法。以后，主要由 于皮格尔( p i e 9 1 ) 【3 2 】和蒂勒( t i l l e r ) 吲等人的功绩，至8 0 年代后期，非均匀有理b 样条n u r b s ( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e ) 方法成为用于曲线曲面描述的最广为 流行的技术。i s o 产品数据交换标准s t e p 标准( i s 0 1 0 3 0 3 ) 已采用n u r b s 作为几何定义的标准p 4 j i j “。 目前，各种曲线曲面建模方法根据不同的需要大部分都源于b e z i e r 、b 样 条和n u r b s 以及它们的变种。b 样条和n u r b s 建模要求被测量的数据点是双 有序的；b e z i e r 方法建模可以用于散乱测点1 3 a 1 1 3 7 1 1 3 8 1 1 3 9 l 。 在逆向工程中，当产品实物的形状和边界比较简单时，利用三坐标测量机 的接触式测量或非接触的单点测量可得到双有序点。而采用结构光和计算机视 觉技术测量任意边界形状的复杂曲面时，虽然可以提高测量速度，但得到的往 往是大量的散乱数据点，由于无法给出构造拓扑矩形曲面所需的数据点，便无 法使用一般的构造矩形曲面的方法解决它们的外形数学描述问题。这样一类实 物样件在航空、汽车等高新技术集中的行业中普遍存在。因此，研究离散数据 的曲面建模方法及其工程应用，对于促进作为国民经济支柱产业的汽车、航空 等制造业的现代化进程，对于复杂曲面所占比重日益加大的模具制造业，具有 十分重要的意义。为解决这类物理实体几何模型的建立问题，人们提出并广泛 研究了离散数据点三角b e z i e r 插值曲面建模方法p 9 “j 。正是因为三角b e z i e r 曲 面建模得到了广泛研究，因此提起b e z i e r 曲面建模通常是指三角域b e z i e r 曲面 建模，而不是四边域b e z i e r 曲面建模。 1 5 本