一种基于立体靶标定位的三维重建方法

针对线激光传感器在特征信息匮乏引起的数据拼接误差较大的问题,提出了一种基于立体靶标定位的线激光数据拼接方法。通过双目立体视觉的空间几何约束构建靶标点库,实现立体靶标坐标系与线激光坐标系的位置标定;通过Canny边缘检测、亚像素边缘提取、椭圆拟合等算法对圆形特征点进行识别定位;将采集的局部标志点与靶标点库进行同源点匹配,解算线激光传感器的实时位姿;采用坐标系转换将线激光初始坐标与全局坐标系进行统一,实现点云的三维重建。实验结果表明:靶标标定的平均绝对误差为0.078 mm,测量的标准件拟合平均偏差为0.127 mm,与三坐标测量机(CMM)对比,该方法的测量平均偏差为0.165 mm,与机器人定位拼接和深度相机测量结果对比,搭建的测量系统的平均测量误差和标准偏差较小,可以满足对复杂曲面的多角度实时扫描需求。

基于虚拟立体靶标的线阵相机标定与分析

针对线阵相机的特点,论文提出了一种线阵相机标定方法。首先,利用设计的平面靶标与相机多次曝光巧妙地构建了虚拟立体标定靶标,通过分析与数学建模得到靶标上标定特征点空间位置与像点的对应关系;其次,分别使用最小二乘法与迭代求解的方法对多个特征点的线性参数超定方程与镜头的非线性畸变参数进行求解,讨论了标定过程中相机与靶标非严格平行时对标定结果的影响;最后,实验室条件下使用论文设计的靶标与方法对线阵相机标定进行实验验证。理论分析与实验结果表明此线阵相机标定方法简单灵活,标定特征点个数不拘泥于靶标的制作,相机与靶标的位置无需严格平行,标定精度高,且具有较好良好的实用工程应用价值。

构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉标定

为了提高立体视觉系统在大视场下的测量精度,基于误差溯源思想提出了一种构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉系统标定方法,克服了大尺寸高精度标定物难以制造等问题。对影响立体视觉系统测量精度的主要因素进行分析,列出视觉测量系统的误差溯源链,解析了大视场视觉系统精度瓶颈的原因。借助激光跟踪仪,运用非线性最小二乘单位四元数算法求解坐标系刚体变换,获取大范围高精度的空间点阵,构建虚拟靶标。在相机畸变模型中考虑了三阶径向畸变和二阶切向畸变参数,并使用Levenberg-Marquardt迭代算法进行标定参数求解,进一步提高系统精度。实验构建了一套测量空间约为4m×3m×2m的双目立体视觉系统,通过对某型号高精度直线导轨进行点距测量,在测量距离3m处,152组不同长度的横向距离测量的误差算术均值为-0.003mm,误差标准差为0.08mm。测量精度相较于传统的平面标定法有较大提升。

基于立体靶标的摄像机标定方法

为获取视觉测量系统中二维图像到三维空间位置的变换关系,提出一种基于立体靶标的摄像机标定方法.针对无畸变小孔成像模型,使用最小二乘法求解初始投影矩阵后通过LM准则对其优化;根据多张图像对应的投影矩阵,求解摄像机内参数及各相应外参数;引入二阶径向畸变模型,建立理想图像坐标和实际图像坐标间的方程求解初始畸变系数;使用LM准则全局优化,得到更精确的摄像机内外参数及畸变因子.实验结果表明:仿真图像数据中高斯噪声小于0.5像素时,摄像机等效焦距误差小于0.1%,图像主点误差小于0.5像素;在相同噪声等级下,标定使用图像数越多获得的参数标准差越小;该方法标定参数对应的位置残差小于其他立体靶标标定方法.该标定方法具有较高的标定精度,且增加标定图像数有助于抑制噪声获取稳定的摄像机参数.

基于编码立体靶标的高精度双目相机标定

为提高双目相机标定的精度和效率,本文提出了一种基于新型编码立体靶标并结合高精度参数优化的双目相机标定方法。新型编码立体靶标通过整合4个空间姿态不同的编码平面靶标,只需拍摄一次即可完成双目相机标定,有效提高了标定效率;每个编码平面靶标内设置多个编码单元,在采集到局部靶标图像时仍能获得高精度标定结果;采用高精度参数优化方法,建立包含重投影约束、标准长度约束和共面约束的目标函数,有效提高了双目相机的标定精度。实验结果表明:相比于张氏标定方法,本文所提标定方法获得的左右相机平均绝对重投影误差分别降低了55.42%和57.22%,平均绝对标准长度误差降低了41.28%,平均绝对共面误差降低了63.04%。通过多次测量不同规格的标准量块,进一步验证了本文所提标定方法的可行性和有效性。

基于柔性立体靶标的摄像机标定

针对大视场摄像机标定中,大尺寸靶标加工困难,小尺寸靶标标定精度不高等问题,提出一种基于柔性立体靶标的摄像机标定方法。柔性立体靶标是由多个小平面靶标(又称子靶标)灵活组合的一种靶标形式,将多个小的子靶标摆放在视场周边,以其中1个子靶标坐标系为基础建立柔性立体靶标坐标系。以子靶标之间位置关系不变为约束条件,将各子靶标特征点的局部坐标统一到柔性立体靶标坐标系下,建立以重投影误差为最小的目标函数,采用非线性优化方法得到摄像机参数的最优解。仿真和实验证明采用柔性立体靶标可以达到与相同靶标区域大小的大平面靶标相当的标定结果。

一种基于虚拟立体靶标的线阵相机标定方法

针对线阵相机标定的过程中特征点容易丢失的事实,提出了一种线阵相机标定方法。首先,利用设计的平面靶标与相机多次曝光巧妙地构建了虚拟立体标定靶标,通过分析与数学建模得到靶标上标定特征点空间位置与像点的对应关系;其次,使用最小均方估计方法对特征像点中心进行亚像素估计,并使用基于最小二乘迭代方法对多特征点超定方程进行求解,讨论了标定过程中相机与靶标非平行时对标定结果的影响;最后,使用提出的方法对线阵相机标定进行实验验证。理论分析与实验结果表明,本文的线阵相机标定方法简单灵活,标定特征点个数不拘泥于靶标的制作,相机与靶标的位置无需严格平行,平均标定精度达0.26pixel,具有较好的实用价值。

基于正十二面体靶标多机器人定位系统研究

针对基于单目视觉的室内定位系统精度差的问题,提出了一种基于AprilTag标签和正多面体的正十二面体AprilTag靶标,并通过单目视觉检测该靶标的相对空间位姿。该靶标装置通过在正十二面体各个表面粘贴AprilTag标签,扩展了靶标的检测范围,同时结合多面体之间的约束关系,提升了位姿检测精度。通过搭建实验平台实施该靶标的位姿检测精度验证,实验结果表明提出的正十二面体AprilTag靶标的相对位姿检测精度明显优于单个AprilTag标签位姿检测精度,当采用相同尺寸的AprilTag标签时,相对位置误差降低了约83.6%,同时在3个轴向上的相对姿态误差分别减少了约95.2%、94.6%、89.1%。

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。

形貌视觉测量中立体拼接靶标的设计及应用

设计了一种正六棱柱形状的立体拼接靶标,以靶标侧面6个棋盘格的角点作为全局控制点。基于近景摄影测量技术,建立立体靶标的6个单元模型,通过计算模型内摄站间的相对位姿,推导出棋盘格角点在所属单元模型的局部坐标。以公共棋盘格为中介,确立相邻单元模型的坐标系转换关系。建立靶标的全局坐标系于1号棋盘格,推导该棋盘格平面与其像平面间的单应性矩阵,从而确立全局坐标系和1号棋盘格所处单元模型的坐标系的转换关系。依次递推实现全局坐标系和每个单元模型坐标系的转换,进而计算出全部靶标角点的全局坐标,再经光束平差算法获取精确值。以玻璃表面棋盘格的角点间距作为评价指标,拼接精度优于0.15 mm/m。基于立体拼接靶标的拼接试验表明,实体模型表面4个子区域的局部点云可被精确地拼接成整体点云。与基于全局控制点和平面靶标的拼接方法相比,本方法亦具有更高的拼接精度。

基于蜂窝立体结构靶标的多目相机标定方法

为解决多目相机快速标定以及构建不同坐标系之间位姿关系的问题,提出一种基于新型蜂窝立体结构靶标的多目相机标定方法,能够快速准确完成多目相机标定。通过仿生学原理设计的蜂窝立体结构具有5个附着自识别阵列标记的不同空间位姿平面,提升了标定稳定性以及鲁棒性;使用多目相机拍摄一幅图像即可完成相机标定以及坐标系间关系构建,提升了标定效率;最后,将所提方法与传统的相机标定方法进行了实验对比。结果表明:相比于传统标定方法,所提方法的相机标定平均重投影误差降低了18.4%,多目相机间外参平均重投影误差降低了8.5%,遮挡干扰下平均重投影误差的相对误差仅为0.01 pixel,进一步验证了所提标定方法的可行性。

基于检定场的移动背包扫描测量系统精度评定

移动背包扫描测量系统长期使用后对系统测量精度和可靠性产生影响,系统检校和精度评定在国内尚无规范标准。针对此问题,本文研究了移动背包扫描测量系统的性能指标和关键技术,并基于北京市标准长度基线场,构建了移动背包三维扫描测量系统检校与精度评定空间位置基准,提出了系统综合检校和精度评定方法。以徕卡移动背包扫描系统为研究对象,在北京市标准长度基线场检校基柱周边有序错落布设25个自制立体反射靶标,建立反射靶标特征点三维坐标标准值,比对靶标特征点扫描测量值与标准值,评估分析系统测量精度。试验结果表明,系统平面点位精度优于3 cm,高程精度优于2 cm,为移动背包扫描测量系统精度评定和可靠性应用提供了可靠依据。

基于单目视觉的姿态自动测量方法

提出一种将EPnP算法和SoftPOSIT算法融合的单目视觉姿态自动测量方法.首先,利用EPnP算法计算得到立体靶标的位姿参数,并将该位姿参数作为SoftPOSIT算法的迭代初始值带入.其次,将SoftPOSIT算法计算位姿的的迭代过程与立体靶标结合,实现姿态的自动测量,并仿真验证了拓扑确定位姿的有效性.最后,为了验证姿态测量结果的精度,以高精度二维转台为基准,将立体靶标安装在二维转台中,通过控制转台转动角度得到靶标姿态的测量数据.实验结果表明,当转台转动角度在[-20°,20°]时,靶标姿态角α的测量结果标准差为0.20°,姿态角β的测量结果标准差为0.27°.

热轧圆钢截面轮廓及直径结构光在线检测系统

基于激光视觉三维测量原理,采用四个结构光传感器设计了一套热轧圆钢截面轮廓及直径结构光在线检测系统。提出了一种现场快速统一标定方法,并设计了相应的新型立体标定靶标。提出了一种对截面轮廓三维数据进行筛选和融合的数据处理方法,得到圆钢截面较理想三维坐标,从不同方位采用平行线相夹法测量圆钢截面直径。进行了系统标定实验和测量实验,实验结果证明系统在一定测量范围内能实时获取圆钢截面轮廓,直径测量精度在0.2 mm以上。

密封条轮廓激光视觉在线检测系统

本文基于激光视觉测量原理,设计了一套密封条360°截面轮廓在线检测系统,该系统采用4套线结构光传感器以获取被测密封条的完整轮廓.针对4套线结构光传感器,提出了一种可应用于现场的、快速全局统一校准方法,并设计了对应的新型立体靶标.另外,提出了一种对截面轮廓二维数据进行筛选和融合的数据处理方法,得到密封条截面轮廓数据.设计并进行了系统标定及系统准确度验证实验,实验结果表明,系统在一定测量范围内能实时获取密封条截面全周轮廓,系统测量准确度高于0.05 mm.

用于精密测量的激光3D检测系统标定模型

参数标定是激光3D检测系统获得精确测量结果的重要步骤之一。为了解决传统三维数据标定算法复杂,检测步骤繁琐的问题,提出了一种基于自定义标准靶标的标定模型,首先设计标准立体靶标的形状,拍摄出编码器移动平台上立体靶标的光条图像;其次利用基于形态骨架的方向模板法对光条图像进行中心线提取,得到光条中心线上的图像像素坐标点;然后结合编码器的已知参数及立体靶标的几何参数,生成三维点云数据中x-y-z方向坐标点与靶标三维尺寸的映射关系;最后根据映射关系生成参数查找表,从而实现对三维数据的标定。实验结果表明,该系统能够准确获取被测物体三维轮廓,空间测量误差小于0. 1%,标定重复性较好,因此可用于精密三维轮廓稳定测量。

深度空间小视角摄像机标定

针对深度空间小视角摄像机标定,建立基于立体靶标的仿真分析方法,深入分析了靶点的空间分布各因素对摄像机内参数标定精度的影响,提出在摄像机标定之前合理设计靶点的数目及位姿分布的思想。分析表明,靶点的空间分布范围对标定精度的影响最大,靶点的数目对精度影响较小;从最近测量距离开始布置靶点,可提高标定精度。提出一种结合感兴趣区域和灰度矩亚像素边缘检测的图像光斑中心定位的算法,有效保证了定位精度和运行效率。构建虚拟立体靶标对摄像机内参数进行了快速标定,参数标定精度高,具有实际应用价值。该方法也适用于无需靶标拼接的摄像机标定。

激光平面扫描3D测量系统快速标定技术

建立了激光平面扫描3D测量数学模型,提出了一种全新的3D测量系统参数的快速标定方法,设计了由2个完全垂直的平面组成的立体标定靶标,使用1个靶标可同时标定测量系统的摄像机参数和光平面方程参数。采用该方法对激光平面扫描测量系统进行了参数标定,用标定后的系统对标准平面进行了测量,空间测量精度优于0.1mm。