机器视觉实验报告

机器视觉实验报告1目录一实验名称..................................................................2二试验设备..................................................................2三实验目的..................................................................2四实验内容及工作原理........................................................2（一）kinectforwindows.....................................................................................................2（二）手持式自定位三维激光扫描仪................................................................................3（三）柔性三坐标测量仪....................................................................................................9（四）双面结构光..............................................................................................................10总结与展望.................................................................14参考文献...................................................................162《机器视觉》实验报告一、实验名称对kinectforwindows、三维激光扫描仪、柔性三坐标测量仪和双面结构光等设备结构功能的认识。二、实验设备kinectforwindows、三维激光扫描仪、柔性三坐标测量仪、双面结构光。三、实验目的让同学们对机器视觉平时所使用的仪器设备以及机器视觉在实际运用中的具体实现过程有一定的了解。熟悉各种设备的结构功能和操作方法，以便于进行二次开发。其次，深化同学们对机器视觉系统的认识，拓宽同学们的知识面，以便于同学们后续的学习。四、实验内容及工作原理(一)kinectforwindows1.Kinect简介KinectforXbox360，简称Kinect，是由微软开发，应用于Xbox360主机的周边设备。它让玩家不需要手持或踩踏控制器，而是使用语音指令或手势来操作Xbox360的系统界面。它也能捕捉玩家全身上下的动作，用身体来进行游戏，带给玩家“免控制器的游戏与娱乐体验”。2012年2月1日，微软正式发布面向Windows系统的Kinect版本“KinectforWindows”。2.硬件组成Kinect有三个镜头[1]，如图1-1所示。中间的镜头是RGB彩色摄影机，用来采集彩色图像。左右两边镜头则分别为红外线发射器和红外线CMOS摄影机所构成的3D结构光深度感应器，用来采集深度数据（场景中物体到摄像头的距离）。彩色摄像头最大支持1280*960分辨率成像，红外摄像头最大支持640*480成像。Kinect还搭配了追焦技术，底座马达会随着对焦物体移动跟着转动。Kinect也内建阵列式麦克风，由四个麦克风同时收音，比对后消除杂音，并通过其采集声音进行语音识别和声源定位[2][3]。3图1-13.Kinect应用开发汇总1)虚拟应用Kinect试衣镜，这款基于kinect体感技术的神奇的试衣镜，让客户可以快速的试穿衣服，提高销售效率和企业形象。2)3D建模3D摄像机，用两个KINECT实现3D摄像机的基本效果。雕塑工具，立等可取Kinect成街头快速人像雕塑工具，利用Kinect对人体进行3D建模，然后根据人体的3D信息，连接相应的塑模设备，塑造出人体塑像。3)机械控制用Kinect操控遥控直升机。KinectRobo，使用Kinect作为机器人的头，通过kinect检测周围环境，并进行3D建模，来指导机器人的行动。4)虚拟娱乐Kinect破解“初音”，将体感控制应用到漫画人物——初音上。Kinect破解玩光剑，Kinect检测玩家的动作，虚拟出光剑的影像，与之随动。5)计算机相关应用Kinect手势操作浏览器，通过Kinect手势对浏览器进行翻页，下拉，放缩等操作。6)虚拟实验Kinect蜡笔物理，使用Kinect手势绘图，通过体感控制所绘图形，并使之具有物理特性，比如重力，吸引力等。此外，它还具有检测识别人的表情，利用骨架跟踪技术模仿人的动作，还可以完成物体的测距等其他功能。(二)手持式自定位三维激光扫描仪1.三维激光扫描仪简介手持式自定位三维扫描仪的外观[4],如图2-1所示。三维激光扫描仪其结构和组成包括：相机、LED发光灯以及触发器等，其结构组成，如图2-2所示。4图2-1三维扫描仪的外观图2-2三维扫描仪的结构52.手持式三维扫描仪功能创建物体几何表面的点云（pointcloud），这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以创建更精确的模型（这个过程称做三维重建）。若扫描仪能够取得表面颜色，则可进一步在重建的表面上粘贴材质贴图，亦即所谓的材质印射（texturemapping）。在工业中主要用于逆向工程，在文物修复也起到至关重要的作用。3.手持式三维扫描仪的优点1)高分辨率：检测每个细节并提供极高的分辨率。2)高精度：提供无可比拟的高精度，生成精密的3D物体图像。3)非接触式检测：非接触检测不会对物体造成损伤。4)双扫描模式：用户可使用安装在设备顶部的按钮在正常和高分辨率扫描模式之间切换。正常分辨率对于大型部件和动态扫描十分有用，而高分辨率专用于要求严格的复杂表面。4.手持式三维扫描仪的缺点造价比较高，三维重建过程中会存在一定的误差，遮挡部分无法扫描出来。5.扫描软件的介绍VXSCAN扫描软件的界面[5]，如图2-3所示。图2-3VXSCAN扫描软件的界面66.扫描方法1)工件准备①贴点定位反光点必须以最小20毫米随机地粘贴于工件表面。如果表面曲率小，距离可以达到100毫米。这些反光点使得系统可以在空间中完成自定位。定位点粘贴时必须离开边缘12毫米以上。下面，这是合适的点分布样例，如图2-4，图2-5所示。图2-4合适的定位点布图2-5不适合的定位点分布②参考系配件插入参考系时要用到可以被VXSCAN自支识别的参考系配件。2)启动扫描软件/VXSCAN点击桌面上或开始菜单里的VXSCAN图标快捷方式启动VXSCAN应用程序。3)调整表面设定在菜单中点击View----Surface，或点击树状图中的面节点/Surface，则出现下面的扩展面板，如图2-6所示。避免定位点过密避免线形排列或有规律地分布7图2-6Surface模式扩展面板4)配置传感器/Configuringthesensor配置激光强度与相机快门速度根据扫描的情况而定（工件的材质、光线、颜色、结构……），配置窗口，如图2-7所示。图2-7传感器配置窗口5)调入定位点/Importingpositioningtargets在VXSCAN中只可以辨识HANDYSCAN3D定位点，其他反光点不可用。调入的资料必8须由三个座标值阵列（X/Y/Z）组成，座标值为反光点的中心位置。被调入的反光点会以圆状呈现，因为VXSCAN并不能确定它们的方向。在扫描时，它将利用这些中心来辨识模型添加为正常的面。6)获得数据/Acquiringdata点击菜单中scan-----RecordScan，或f点击工具栏中来开始扫描。用一只手拿起扫描头距离被扫描物约300毫米。让十字激光总是照在被扫描物上，可以按下扫描头上的preview按钮先行预览。7)合适的扫描距离距离计量器扫描时，会在三维查看器左侧出现一个条状计量器来说明扫描头与被扫描物之间的距离，扫描头顶上的三个LED发光点（红、绿、红）也同样是一个距离计量器，可参阅下面图2-8，图2-9。图2-8合适距离时距离计量哭及扫描头的指示图2-9距离过远时距离计量器与扫描头的指示8)编辑扫描数据设定微面模式，删除被扫描工件的局部。点击菜单中View----Facets或树状图中的Facets节点，通过点击EditFacets按钮来选择编辑模式。9)保存结果利用“Savesession”选项来保存整个扫描以备以后在VXSCAN中进行编辑。这样保存的数据最为完整，并可以被恢复和再调入进行继续扫描。9(三)柔性三坐标测量仪1.结构组成包括机械臂，球探针、支架探针末端组件位于离基座最远的那个点。该组件可自由旋转，带有两个控制按钮（红色和绿色）以及两个圆形LED指示灯，可为用户提供视觉反馈[6]。该组件用于探针和手柄附件的连接。结构组成，如图3-1所示图3-1柔性三坐标测量仪结构组成2.功能可以帮助生产制造企业通过现场检测、设备认证、CAD-toPart分析等即可轻松验证产品、品质，甚至可以进行逆向开发。检验，逆向工程，CAD数模分析，以及任何需要硬侧10头接触式测量的高精度检测。此外，测量仪的探针具有自动补偿的功能，可以提高测量的精度。3.测量的实现柔性三坐标测量仪可以以面来进行测量，也可以以线来进行测量。首先选择测量的模式，然后开始取样点，取到的点经确认过后才输入系统，将数据进行保存，由软件导出测量的模型。注意：测量过程中要注意测量臂的弯曲程度，测量臂有一定的工作空间范围，超过范围即报警提示，如图3-2所示。图3-2Edge限位警告(四)双目结构光1.结构组成双面结构光由两台摄像机和一台投影设备组成，分别负责数据的采集和格雷码的投影。其组成[7]，如图4-1所示。2.原理单目结构光视觉系统的大致原理：是通过三角原理（线、面求交）求解空间点的坐标。如图4-2所示测量方法：首先，投影设备投射格雷码光束，光束打在物体上，其效果，如图4-3所示。然后不断将光束细化，依次投射格雷码图像（如图4-4所示）、相移图像至空间场景中。再11进行数据处理分析，由结构光系统的标定结果和测量图片，求解各个像素点对应的空间坐标。再进行后续点云的处理：a、单次测量：去除离群点、点云的网格化。b、物体重建：依次确定各个视点位置，对不同视点下的数据进行配准和拼接。最后得到物体模型[8]，如图4-5所示。图4-1双目结构光测量系统结构及原理图4-2单目结构光视觉系统的大致原理12图4-3投射光束到物体图4-4细化后的格雷码图像13图4-5物体模型14总结与展望机器视觉是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科.机器视觉主要利用计算机来模拟人或再现与人类视觉有关的某些智能行为，从客观事物的图像中提取信息进行处理，并加以理解，最终用于实际检测和控制.主要应用于如工业检测、工业探伤、精密测控、自动生产线、邮政自动化、粮食选优、显微医学操作以及各种危险场合工作的机器人等[9]。机器视觉是一项综合技术,其中包括数字图像处理技术、机械工程技术、控制技术、光源照明技术、光学成像技术、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软、硬件技术和人机接口技术等。它是实现精确定位、精密检测、自动化生产的有效途径，同时它具有实现非接触测量、具有较宽光谱相应范围、可长时间工作等优点，因此已广泛应用于各个领域,如工业制造、医学、导航和遥感图像分析等。虽然机器视觉技术从20世纪80年代才开始起步，但由于其突出的优点，在各种工业领域被广泛应用，特别是近几年发展十分迅速，国内外的成果也是层出不穷[10]。随着科学技术的不断发展，机器视觉发展趋势呈现出价格持续