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华中科技大学硕士学位论文单目视觉测量系统及随动跟踪测量技术的研究姓名：周平申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王从军20050428I摘摘摘摘要要要要视觉测量在逆向工程和产品快速检测等领域中有着广泛的应用华中科技大学快速成形中心致力于三维激光测量系统的研究并成功实现了商品化本文在本中心研制的基于双目视觉的HRE-I型测量系统成功研制的基础上提出了采用基于单目视觉的测量方法并针对三维激光测量系统和关节式测量系统分别提出了预扫描的随动测量技术和信号跟踪算法的随动测量技术首先分析单目视觉测量的原理和实现方法得出采用线激光器单CCD相机小孔成像和激光面约束模型的单目视觉测量方法利用计算机控制摄像头对实物进行连续拍摄并对图像进行实时处理从而获得精确的激光线上的像素点坐标利用建立的算法模型将已知的二维坐标转换成三维坐标以点云信息的形式重构出物体完成三维自动测量接着对单目视觉测量系统实现的关键部件例如镜头CCD图像采集卡等的选用原则进行分析在三维激光测量系统的扫描中由于摄像机景深的限制当扫描一些起伏较大的物体时结果往往会出现较大偏差为了确保被测物体始终在摄像机的景深范围内需要对扫描过程进行随动控制本文提出了利用预扫描的方式获得物体表面曲率的大致走向继而进行同路径的随动扫描即随动扫描依据前次扫描的信息始终确保被测物体在摄像机景深范围内从而达到精确测量的目的而在关节式测量系统中则考虑如何使测头和被测物体表面保持一定距离和垂直度实现测头对被测物体表面的随动跟踪测量在这里提出了信号跟踪算法并对算法进行了简单介绍和分析关键词关键词关键词关键词计算机视觉逆向工程图像处理随动测量关节式测量景深IIAbstract3-DvisionmeasurementisanewbornandpromisingtechnologyanditiswidelyusedinReverseEngineering,rapidinspectionofproductetc.The3-DlasermeasurementsystemhasbeendevelopedandcommercializedintheCenterofRapidPrototypingofHUST(HuazhongUniversityofScienceandTechnology).OnthesuccessoftheHRE-I3-DlasermeasurementsystembasedonthedoubleCCD,thenewmeasurementbasedonthesingleCCDisprovided.Aimingatthe3-Dlasermeasurementsystemandthejoint-typemeasurementsystem,thepaperputforwardthetechnologyoftrackingmeasurementbasedonpre-scanningandsignalseparately.ByanalyzingthetheoryandrealizationofthesingleCCDmeasurement,themethodisachieved,whichuselinearlaser,singleCCDandbuildthemodelofeyeletimagingandlaserplaneconstraint.Usingcomputertocontrolcameratoshottheobjectcontinuallyandprocesstheimagetimely,thepelscoordinatesofthelasercanbegetaccurately.The2-Dcoordinatecanbechangedto3-Dcoordinatebasedonthearithmeticmodelbuildedandtheautomaticmeasurementiscompletedaftertheobjectcanberebuildaspointcloud.Thekeypartofthemeasurementsuchaslens,CCDvidiconandimagegatheringmodulecardisdissertatedinthisthesis.Duringthecourseof3-Dlasermeasurementsystemscanning,becausethelimitofdepthoffield,theresultisalwaysoutofprecisionwhenthelargesurfaceundulationappear.Toassurethesurfacetobeinthedepthoffield,thetrackingcontrolisneeded.Thepaperputforwardthataccordingtoapproximatesurfaceinformationafterthepre-scanning,thesameroutetrackingscanningcanassurethemeasuredsurfaceinthedepthoffieldofcamera.Bythismeans,theaccuratemeasurementcanbeachieved,Forthejoint-typemeasurementsystem,Accordingtohowtocontroltheobjectsurfaceindepthoffieldandtobeverticaltolasersurface,thepaperputforwardthesignaltrackingarithmetictoachievetrackingmeasurementandanalyzeit.Keywords:ComputerVisionReverseEngineeringImageProcessingTrackingMeasurementJoint-TypeMeasurementDepthandField11绪绪绪绪论论论论随着科学技术的迅猛发展和日益激烈的市场竞争制造业在产品结构生产模式和生产过程方面都发生了巨大的变化现代制造技术已逐渐向着自动化集成化智能化和柔性化的方向发展以尽可能低的成本和尽可能短的时间设计出高质量符合市场需求的产品是各个生产制造企业共同的愿望反向工程就是这样应运而生其在缩短产品设计周期消化国内外的先进技术和产品中发挥着越来越重要的作用反向工程是指从实物上采集大量的三维坐标点并由此建立该物体的几何模型进而开发出同类产品的先进技术K&L逆向工程与一般的设计制造过程相反是先有实物后有模型仿形加工就是一种典型的逆向工程应用目前逆向工程的应用已从单纯的技巧性手工操作发展到采用先进的计算机及测量设备进行设计分析制造等活动如获取修模后的模具形状分析实物模型基于现有产品的创新设计快速仿形制造等逆向工程技术和CAD/CAM等先进制造技术结合已发展为CAD/CAM系统中的一个相对独立的研究领域其关键技术问题主要包括快速仿形测量与数据处理技术三维曲面模型重构技术[1]快速制造加工技术(包括快速原型技术等)等本章结合国内外的研究现状对目前逆向工程研究与应用情况进行了讨论1.1快速仿形测量与数据重构技术快速仿形测量与数据重构技术快速仿形测量与数据重构技术快速仿形测量与数据重构技术1.1.1仿形测量技术仿形测量技术仿形测量技术仿形测量技术快速仿形测量方法近十年来,随着传感技术控制技术图像处理和计算机视觉等相关技术的发展出现了各种各样的样件表面的几何数据获取方法其分类方法如图1.1物体三维数据的获取方法基本上可分为两大类即接触式与非接触式三坐标测量机(CMM)是一类使用得昀为广泛的接触式测量设备它具有噪声低精度高重复性好等优点非常适合于检测系统过去在其他设备尚未实用化时是逆向工程的研究重点其缺点是速度慢效率低另一大类是非接触式方法它们利用某种与物体表面发生相互作用的物理现像来获取其三维信息如声光电磁等其中应用光学原理发展起来的现代三维形状测量方法应用昀为广泛如三角形法结构光法计算机视觉法激光干涉法激光衍2射法等由于具有测量过程非接触和测量迅速等优点越来越受到人们的重视图1.1几何数据获取方法分类干涉法是通过测量两束相干光的光程差来计算物体的高度分布测量精度相当高但测量范围小抗干扰能力弱不适合测量凹凸变化大的复杂曲面激光衍射法的情况与干涉法基本相同激光三角法采用的原理是采用激光作为光源照射到被测物体上利用CCD接收漫射光成像点根据光源物体表面反射点成像点之间的三角关系计算出表面反射点的三维坐标此方法已经成熟目前已走向实用如果采用线光源激光扫描测量方法可以达到很高的测量速度英国3DSCANNER公司生产的REVERSA激光测头扫描速度达15000点/秒在精度上达到了0.025mm结构光投影测量法被认为是目前三维形状测量中昀好的方法它的原理是将具有一定模式的光源如栅状光条投射到物体表面然后用两个镜头获取不同角度的图像通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标这种方法具有速度快无需运数据获取方式非接触式接触式ICC声光学电磁触发式扫描式立体视觉激光三角结构光激光折射图像法距离法激光干涉3动平台的优点德国GOM公司的Atos光学扫描测量系统可以在1min内完成一幅包括430000点的图像测量精度可达0.03mm但它仍然存在着图像获取和处理时间长测量量程短等问题莫尔等高线法是一种非接触的三维物体形状测量方法通常采用影像云纹和扫描云纹获取物体表面的等高线初步解决了三维物体的形状识别问题但它不能直接确定物体表面的凹凸变化且需抽取条纹中心线进一步处理要插值和拟合而使精度降低一种直接投影分析栅线的变化来代替分析莫尔等高线的方法近期发展很快通过分析编码的投影栅线的畸变提取物体高度信息但仍需对栅线编码细化插值和拟合精度难以提高Wolf等用投影栅相移法测量物体三维形状精度较高但要求有专门的步进平台相移器和类似正弦分布的投影格栅且同一物体需摄取三幅以上的相移图Tang等应用低通FIR数值滤波技术采用栅线投影测量法测量了三维物体的形状但运算较复杂距离法是利用光线飞行的时间来计算距离常采用激光和脉冲光束比较典型的应用就是电子经纬仪交绘测量法这种方法测速慢工作量大测量相当困难但可以测很大的物体立体视觉法是采用计算机视觉的原理采用一个或多个摄像机摄下不同角度的图像再确定各点的空间坐标这种方法在机器人视觉和工业检测中常采用测量速度快但精度很低图像法类似于结构光法以图像帧来确定被测物体的空间形态但它采用的分析方法并不仅限于投影图案两幅图像上的标记点或图案的相关分析常用来确定被测空间点的三维坐标前面的几种方法都存在遮挡问题而层切法能够获取物体内部数据的方法其思路和层叠生长刚好相反即采用铣削的方法将目标物体一层一层地铣开在每层上用CCD像机摄取断层图像不同高度的图像集合就组成了物体的三维整体轮廓该方法的主要问题是速度较慢而且对被测物体是破坏性的工业ICT(ComputerToprgraphy常采用射线射线)核磁共振MRI超声层析成像等该类方法实现了对被测物体内部结构的无损测量不过目前能达到的测量精度还很低一般在0.1mm的数量级而且设备价格极其昂贵可以预计如果将来在提高精度和降低造价上获得突破性进展工业ICT类设备将成为逆向工程研究的重点支持设备1.1.2数据重构数据重构数据重构数据重构根据处理试件对象测量方法的不同反求工程快速CAD建模内容可以分为两个方面一方面是以处理型面为主要特点的曲面建模研究另一方面是研究整个形体的三维实体建模问题4对于第一类问题按实物几何特征的不同可分为规则曲面和自由曲面1规则零件反求这里规则面指的是能够用单一函数表达的曲面规则面的识别和拟合是计算机视觉和逆向工程研究的重点问题之一特别是二次型代数曲面得到了大量的研究其关键技术是测量数据的分割到目前为止主要的算法可以归结为两类1基于边的方法这类方法主要研究原始表面的局部微分几何特性从而找出较尖锐的边界线2基于面的方法这是一种结合曲面拟合