线结构光三维视觉测量中光条纹中心提取综述

光条纹中心提取是线结构光三维视觉测量中的关键技术.把影响光条纹中心提取精度的主要因素归纳为工作环境、激光平面、被测物体和图像采集系统,并对其进行了对比分析.根据提取算法的理论基础、对图像信息的利用及计算思路特点的差异,将其分为几何中心方法和能量中心方法两大类.针对每类方法的计算思路、优缺点、改进方法、适用工况等在细分类方法中进行了对比分析和归纳总结.最后结合两大类方法的发展特点,提出了光条纹中心提取方法的进一步发展方向.

基于线结构光旋转扫描和光条纹修复的三维视觉测量技术研究

非接触式三维视觉测量广泛应用在工业制造质量检测中。针对工业金属零部件检测的应用场景,提出了一种基于线结构光旋转扫描和光条纹修复的三维视觉测量方案。首先,通过基于线结构光投影的计算机视觉技术,设计了线结构光旋转扫描视觉子系统,并对工业相机、线结构光平面和旋转扫描中心轴进行标定;然后,针对采集到的光条纹图像存在低灰度区域缺失数据的问题,提出了基于缺失区域自适应灰度增强的光条纹中心线提取算法,有效修复了被测零部件的线结构光投影条纹;同时,利用文中提出的线结构光三维视觉测量方案,通过重建标准球棒的表面点云计算两球直径和球间距来评价测量系统的精度,测量系统精度优于0.06 mm;最后,进行金属轮毂外轮廓形貌测量,通过重复性实验计算轮毂外轮廓最大半径,验证重复性误差优于0.03%。实验结果表明:该方法可以无损伤、高效率、高精度地实现工业金属零部件三维测量,弥补了接触式三维测量方法的缺陷。

光笔式大视场三维视觉测量系统

针对先进制造业对大型装备大范围精密尺寸测量需求,根据双目立体视觉测量原理设计了一种光笔式大视场三维视觉测量系统。基于透视投影变换下的时针顺序和共线性不变量设计了光笔特征点空间分布模式,实现了特征点的准确识别与接触探头坐标的计算。应用双目立体视觉传感器的透视投影和齐次坐标三维测量模型,以一维基线尺靶标自由移动和基准长度约束为核心,通过本质矩阵E的线性求解结合非线性优化实现了其结构参数的现场精确标定。研制了由光笔、双目立体视觉测量系统、便携式三脚架、一维基线尺靶标和测量软件构成的大视场三维视觉测量系统,完成了机器人本体表面三维数据的稠密测量实验,在7 m×4.7 m测量范围内系统的测量精度优于0.2 mm。实验显示设计的光笔式大视场三维视觉测量系统在光笔结构、发光点识别方法和系统标定方法上均具有新的思路。

轨道车辆静态限界三维视觉测量系统

静态限界是保证轨道车辆安全运行的基本条件,传统的静态限界测量采用限界规完成,存在操作复杂、测量精度低、测量效率不高等缺点。近年来,随着对静态限界测量精度和测量效率的要求不断提高,急需对传统的测量方法进行改进。提出了基于工业相机和线结构光投射器的非接触式静态限界测量系统,该系统由固定在龙门架上的13个测量单元组成,可以实现轨道车辆各截面的非接触测量。研究了基于激光跟踪仪的全局标定方法,从而将各测量单元的测量数据转换到同一个全局坐标系下。然后,对各测量单元的测量数据进行了预处理,并实现了与标准静态限界轮廓数据的对比,直观地显示了测量结果。实验表明,该系统可以适应不同车型的测量,具有测量精度高,测量效率满足要求的优点。

基于近景工业摄影的三维视觉测量

针对接触式三维测量技术用于大型复杂工件测量时效率和自动化程度低的问题,提出了基于近景工业摄影的三维视觉测量方法。首先介绍了近景工业摄影测量的工作原理,然后依次研究了其中的关键技术:标志点中心坐标的精确定位,基于本质矩阵分解的相对定向和光束法平差解算。大尺寸棋盘格角点之间的距离测量用于精度测试,结果表明,测量精度优于0.15mm/m。选取小型卫星天线为实验对象,计算了粘贴在天线表面所有标志点的三维坐标,并拟合出天线的三维曲面结构。

基于立体定向靶标的探针式多视场三维视觉测量系统

针对含有遮挡区域、深孔及凹槽等特征的多面体或回转体物体,设计了一套基于立体定向靶标的探针式多视场三维视觉测量系统。首先,基于近景摄影测量技术建立立体定向靶标的6个单元模型,计算靶标各侧面角点在各自单元模型内的坐标,单元模型的链接和光束平差,获取全部角点的精确全局坐标,作为立体定向靶标的全局控制点。然后,设计了利用共面角点辅助定位的探针,仍基于近景摄影测量技术解算出角点和测头在探针坐标系中的精确坐标。最后,利用共面的棋盘格角点与其像平面之间的单应性矩阵,推导全局坐标系、探针坐标系各自与相机坐标系的位姿关系,进而求得探针测头的全局坐标。以量块(量棒)的标准长度作为评价指标,在2m×1.5m的视场范围内测量精度优于0.1mm。测量实验表明,多视场三维视觉测量系统用于测量具有回转体结构特征的水壶,能够获取水壶表面全部区域的点云数据。

河流自然水体中三维视觉测量

针对水体浑浊所造成水下图像退化和多介质引起的光线路径改变等问题,提出了基于径向多线结构光的水下视觉测量方法。首先,建立了基于折射的水下视觉测量模型,在投影仪垂直于折射平面投射且光平面经过投射光轴的条件下,陆上光平面和水下光平面共面,陆上标定可代替水下标定;采用蒙特卡洛模拟方法,分析了像点误差对点云计算精度的影响。其次,设计了黑白交错的中心旋转径向多线编码光模式;采用黑白条纹边缘作为测量点,减弱了编码光解码对图像质量的依赖性;通过中心旋转的方式,提高了表面的测量分辨率。最后,在1 m×1.2 m×0.8 m的水体中加入泥沙模拟自然河流水体环境,实验分析了浑浊水体对条纹提取、编码光解码和三维视觉测量精度的影响。实验结果表明,该方法在1500 mm的测量距离上,对清水条件下的瓷瓶进行了不规则表面的三维表面测量;对清水、含有40,60和90 g泥沙的浑水中规则物体进行三维表面测量,获得了平面残差分别为0.95,1.93,5.43和21.43 mm的测量结果;当泥沙量超过某数值(如60 g)时,条纹提取精度急剧恶化,泥沙量为40和90 g的浑水中测量平面拟合残差从1.93 mm增加到21.43 mm。

第2届上银优秀机械博士论文奖——优秀奖 基于多模式单演特征检测与匹配的三维视觉测量技术研究

博士：李进军 毕业学校：西安交通大学 指导教师：赵宏 三维视觉测量技术旨在从一幅（或多幅）--维图像（或者视频剪辑）自动获取现实世界中目标和场景的几何模型、运动和形变等信息，从而识别和理解三维现实环境。论文选题来源于国家973项目子课题，研究内容从目标场景轮廓测量、

三维视觉测量技术及应用进展

三维视觉测量是计算机视觉与精密测量原理交叉融合的前沿高新技术,是工业4.0的基础支撑,是以网络化、智能化制造为变革特征的先进制造业的核心关键技术。经过几十年的发展,三维视觉测量技术在基础研究和应用研究上均获得了快速深入发展,形成了理论方法、技术工艺、系统研发和产品应用四位一体较为完备的方向体系,呈现出理论系统化、方法多维化、精度精准化和速度快捷化的发展趋势,成为智能制造过程控制、产品质量检验保证和装备整机服役测试的不可或缺的优选技术。本文主要围绕单相机、双相机和结构光等典型三维视觉测量技术展开论述,概要介绍其关键技术内涵,综述其发展现状、前沿动态、热点问题和发展趋势。重点论述条纹投影三维测量技术和相位测量偏折术。最后给出了三维视觉测量的发展趋势与未来展望。

新型三维视觉测量结构光平面标定方法

结构光平面标定是结构光三维视觉测量中的重要环节。传统的标定方法需要昂贵的设备，效率低下，步骤复杂。提出了一种新的三维视觉系统中结构光平面的标定方法。该方法仅使用一个简单的二维平面靶标，在保证靶标与结构光相交的前提下，靶标在摄像机可视范围内自由移动数个位置。对于移动到各个位置的靶标平面，分别建立对应的世界坐标系，并计算该世界坐标系与摄像机坐标系、图像坐标系的转换关系。通过处理算法，可以将每一个位置得到的结构光平面与靶标平面的交线方程统一到摄像机坐标系下。使用最小二乘法拟合多条交线可以标定出结构光平面在摄像机坐标系下的方程。实验证明该方法效率高，步骤简单，具有很好的通用性。

一种基于多模式单演特征检测与匹配的三维视觉测量方法

三维视觉测量技术从一幅或多幅二维图像或者视频剪辑自动获取现实世界中目标和场景的几何模型、运动和形变等信息,从而识别和理解三维现实环境。针对传统三维视觉测量易受亮度变化、尺度变化、旋转变化及噪声影响的缺点,提出了一种基于多尺度单演特征检测与匹配的三维视觉测量新方法。该方法采用泊松(Poisson)滤波算子和里斯(Riesz)变换提取图像的多模式单演特征,包括局部幅值、局部方向、局部相位和彩色相位;模拟人眼视觉功能构建多模态的局部特征描述子及特征空间的相似性距离测量函数;将该相似性测量应用于立体匹配和三维视觉重建中,并进行了定性和定量的实验评估。

基于液晶编码的三维视觉测量

研究了基于液晶(LCD)编码技术的三维(3D)曲面测量方案。该方案利用LCD投射规则点到被测3D曲面,经过粗-细匹配技术获得高精度空间匹配点,由高精度标定的CCD给出空间匹配点的3D坐标,从而完成曲面测量。该方案测量速度快,测量精度优于0.2mm。系统结构简单,实现了完全自动化测量。

四站位三维视觉测量系统

针对轻型可展开微波天线三维面形现场测量的具体要求,建立了四站视觉测量系统。设计中,采用4台CCD摄像机围绕被测对象和靶标对称分布,同时采集图像。通过实验证明了该方案测量的稳定性好,有效地提高了系统的测量精度并降低了对环境的要求。

视觉测量系统的相机校准(英文)

提出了一种利用虚拟立体校准模板的有效相机校准技术。通过红外发光二极管按照预定路径在三坐标测量机上移动,构成精确的虚拟立体校准模板。校准过程中考虑了径向畸变和切向畸变。采用二次高斯曲面拟合,精确地提取像点的质心坐标。校准过程包括线性参数估计和基于最大似然估计的非线性校正。首先采用线性方法对部分参数进行初始估计,然后再通过基于最大似然估计的非线性最小化获得所有的参数值。该方法可精确获取图像点坐标和空间点坐标,能够实现快速、有效收敛。实验结果表明,该校准技术能够满足视觉测量系统的要求,也可以满足视觉测量系统对相机参数的特殊要求。

视觉三维测量中激光特征点扫描控制系统

在机器视觉三维测量中，特征点匹配是个难题．本文提出了采用激光投射形成特征点，并介绍了一种用数字和模拟集成电路实现的激光特征点扫描控制系统．该系统的硬件结构较简单，和具有单片机的控制功能，事先不需编写复杂的程序和示教，能使测量装置方便地测量各种复杂形状的物体．

基于大尺度三维几何视觉的货运列车超限检测方法研究

货运列车的超限是威胁铁路安全的重要因素之一。但是一直以来,我国货运列车超限检测都是采用落后的人工方式进行测量。提出了一种基于大尺度三维几何视觉的货运列车超限自动检测方法。该方法根据三维几何视觉确定被测物在世界坐标系下的坐标,并利用铁轨靶标得到铁轨坐标系和世界坐标系之间的转换关系,将被测物的坐标转换到铁轨坐标系中对货运列车是否超限做出判断。其中,外极线约束和结构光光条约束用来防止特征点的匹配错误,平面靶标用来计算相机的参数。外场实验结果表明,该方法可以快速、准确地对货运列车超限进行判断,具有很高的应用价值。

快速反求测量系统标定方法研究

提出一种基于结构光三维视觉测量的方法,利用结构光特征解决了三维视觉测量中存在的图像匹配困难的问题,使三维数据的测量更加方便、快捷。最后利用平面网格模板对测量系统的参数进行了标定,通过实验,此系统得到了验证。

基于主动式全景视觉传感器的管道内部缺陷检测方法

针对管道内表面检测空间受限的约束以及同时需要检测管道内壁功能性缺陷和结构性缺陷等需求,基于主动式全景视觉检测原理提出了一种既能视觉检测管道横截面几何尺寸又能获取和分析管道内壁表面缺陷的管道内部全方位视觉检测方法。利用携带有主动式全景视觉传感器的爬行机器人进入管道内部,分别实时获取内壁全景图像及激光横断面扫描全景图像。本文重点介绍基于管道内壁全景图像的缺陷检测方法,对管道内壁全景图像进行展开、预处理并提取管道病害区域的几何特征,最后判定缺陷类别及危害程度。经本文方法获取的缺陷几何特征实验数据验证,管道内表面存在的较为普遍的裂缝、腐蚀缺陷几何特征差异明显:腐蚀缺陷的圆形度较大,而裂缝缺陷的圆形度趋于0;腐蚀缺陷的凸度普遍大于裂缝缺陷;裂缝缺陷由于弯曲程度不同其边界离心率变化率大,而腐蚀缺陷的边界离心率趋于1。实验结果表明:该系统能够有效提取疑似缺陷区域并计算各几何特征,可通过合适的阈值判定其所属类别,为管道内表面缺陷检测提供了一种新的手段。

基于主动式全景视觉的管道形貌缺陷检测系统

针对现有的管道缺陷检测技术不能同时对管道的形、貌缺陷进行检测与评估这一工程难题,在前期研究工作的基础上,设计了一种基于主动式全景视觉的管道内部缺陷检测系统,能够快速获取管壁密集点云的三维坐标,同时对内壁表面缺陷进行检测与评估。首先利用主动式全景视觉传感器(AODVS)实时获取内壁全景图像和激光横断面扫描全景图像,然后对管道内壁全景图像进行柱状展开、预处理和缺陷检测及分类等处理;然后对激光横断面扫描全景图像处理,计算管道内壁点云的三维坐标,进一步对管道缺陷部分进行定量分析,最后利用三维建模技术重构带有真实纹理信息的管道模型。实验结果表明:文中设计的检测系统能够对管道凹凸形变、孔洞、管壁裂缝、腐蚀等缺陷进行检测与分析,具有较高的检测精度,为管道内表面三维测量和重构提供了一种新的手段。

建筑工程施工测量放线技术的应用

众所周知,建筑施工测量放线技术能为施工的各阶段、各工种提供正确的依据,保证建筑物结构尺寸符合设计要求。文章主要探讨了建筑工程施工测量的流程与质量控制,概述了视觉三维测量技术在测量放线中的应用,希望以此能够确保测量工作快速高效进行。