基于自由镜面反射位姿评估的条纹反射摄影测量

在条纹反射摄影测量中,由于产生条纹图形的液晶显示器不直接出现在摄像机的视场范围内,摄像机与液晶显示器之间的位姿标定是条纹反射摄影测量的主要难点。为了简化标定过程,提出了采用平面镜直接对液晶显示器上的条纹反射3次并利用固定摄像机接收反射条纹,通过对摄像机与条纹虚像之间的3次位姿评估,完成摄像机与液晶显示器的位姿标定的方法。在镜面面形测量中,利用两者之间的位姿关系可以将待测点的反射光线和入射光线统一在摄像机坐标系下,完成光线的三角交会,实现镜面面形测量。数值模拟和实验结果表明,此方法简单易行,且精度较高。     

单相机监控偏折术测量方法

基于相位测量偏折术的测量原理,针对移动屏幕偏折术测量方法中的重复标定问题,提出了基于单相机监控的偏折术测量方法。通过辅助相机监控LCD显示屏幕的两个位置,通过PnP方法和坐标系变换确定LCD显示屏幕在主相机中的位姿关系。利用绝对相位追踪对应同一像素的LCD显示屏幕两个位置上的同名相位点,确定入射光线,最终确定法线和梯度信息,并根据径向基函数插值法精确重建镜面面形。采用镜面标定法对具有不同视场的主辅相机进行标定。该方法只需标定一次,不会产生重复标定误差。仿真和实验验证了该方法的可行性,初步实验结果验证该方法具有较高的检测精度。     

基于相移偏折法的高反射表面面形测量技术

利用单相机所采集的图像实现了对光滑高反射表面面形的直接检测.首先利用相机获取参考平面在标准平面镜中的镜像,然后通过参考平面上的点与归一化成像平面上图像点之间的密集折返对应关系,求得待测镜面的深度距离,从而实现对高反射表面面形的测量.通过光线追迹将该测量过程转化为求解物空间中关于两对应光线束之间的相交问题.以相位为载体获取面形梯度分布,求得该表面的法向量场,并求解相应的反射光线束.通过光线追迹对该光线束与相应入射光线束求“交点”检测高反射表面.对标准平面镜进行实验检测,测量得到的面形平面度为0.19 mm.采用传统方法与本文所提方法对汽车后视镜进行检测,所得检测结果对应点之间的平均距离为0.15 mm,验证了本文方法检测镜面面形的有效性.     

激光投影成像式运动目标位姿测量与误差分析

为了实现室内运动目标位姿的高精度测量,建立了一套激光投影成像式位姿测量系统.该系统利用两两共线且交叉排列在同一平面上的点激光投射器作为合作目标捷联在运动目标上,通过与光斑接收幕墙的配合共同组成运动目标位姿测量基线放大系统,利用高速摄像机实时记录幕墙上投影光斑的位置,利用摄像机标定结果求解投影光斑的世界坐标,利用投影光斑之间构成的单位向量建立运动目标位姿解算模型.最后,根据测量原理推导了图像坐标提取、摄像机外部参数标定、光束直线度与目标位姿解算结果之间的误差传递函数.实验结果表明,当摄像机的视场范围为14 000mm×7 000mm时,测量系统的姿态角测量精度为1′(1δ),位置测量精度为5mm,且误差大小与目标位姿测量误差传递函数理论计算值一致,验证了本文提出的目标位姿测量方法与测量误差传递模型的准确性,能够满足目标位姿测量高精度的要求.     

基于平面互补靶标的线结构光标定系统

为提升线结构光传感器的标定效率与精度,设计了一种集成自背光可调节位姿的平面棋盘格-同心圆互补线结构光标定系统。该系统基于同心圆圆心的真实投影位置与投影椭圆圆心位置的几何关系,建立非线性优化偏心误差补偿模型,精确得到透射投影下圆心偏心误差补偿位置。该方法与传统标定方法对比降低重投影误差84.7%,有效解决了圆形标志物偏心误差补偿的高精度标定难题。通过将相机坐标系下过光心、光条中心线的平面与靶标平面结合,多次获取空间交线的坐标信息增加特征点,并使用最小二乘法拟合光平面方程,解决了因特征点少从而平面拟合标定精度较低的问题。在复杂环境下重复实验测得大尺寸砂轮外径误差均值为0.005 1 mm,结果表明该标定系统具有一定的准确性和简便实用性。     

基于ICP算法的双目标定改进方法研究

双目视觉作为一种非接触三维(3D)测量技术,其位姿标定结果的好坏将直接影响3D物体测量的精度。基于迭代最近点(ICP)算法获得两组点集之间平移和旋转参数的原理,提出了一种在传统双目位姿标定结果的基础上补偿双目标定矩阵改善精度的方法。介绍了摄像机模型、双目视觉测量模型和ICP算法的基本思想。用双目摄像机标定的外参数和相同的靶标坐标系获得双目视觉位姿矩阵,在此提出基于ICP算法获得两组点集的旋转平移矩阵补偿双目位姿矩阵的方法,以及相应的靶标角点坐标投影误差分析模型。双目摄像机采集9组5×7个角点的靶标标定图像,应用ICP算法补偿双目位姿矩阵,并采用误差模型对9组标定结果进行了分析,双目结构光标定改进实验结果表明,应用ICP算法补偿双目标定模型能显著地提高双目标定的精度。     

一种多相机阵列大尺寸测量系统快速标定方法

多相机阵列中的相机位姿关系标定是大尺寸测量系统中非常重要的一个环节。建立了标定模型,采用圆点阵列平面靶标,通过线性平移,使靶标分别位于不同相机的视野范围内,获得了同一靶标特征点在不同相机坐标系下的坐标;根据所得坐标,求解靶标坐标系与相机坐标系之间的位姿关系;根据靶标的线性平移约束,进而求解两两相机之间的位姿关系。经实验验证,对于安装距离约为2300mm的相机,标定误差小于0.002mm。其标定过程简单、速度快,可以适用工业大尺寸测量中的现场标定。     

基于光束法平差的相位测量偏折术镜面面形测量

为了简化相位测量偏折术的系统标定,并减少系统标定和图像噪声对测量精度的影响,提出在相位测量偏折术中引入自由参考系,并在自由参考系内对测量结果进行光束法平差.由于基于梯度恢复面形的相位测量偏折术缺少绝对高度信息,因而不能直接进行光束法平差,自由参考系使入射光线和反射光线处于同一个坐标系内,通过光线三角交会计算自由参考系下...     

一种单目视觉位姿测量系统的误差分析方法

针对单目视觉位姿测量传统误差分析方法中只考虑单一误差因素，分析结果与工程实际有较大差异的问题，提出一种考虑多误差因素共同作用的误差分析方法。根据单目视觉系统的测量范围和相机参数建立其位姿测量模型；综合考虑相机内参、镜头畸变、图像点、靶标三维点等误差因素，将其同时引入位姿测量模型进行分析；分析抑制不同参数误差及提高相机分辨率等在多误差因素共同作用下对位姿测量结果的影响，找到最有效的精度优化方法。采用小型机械臂手眼定位中的单目视觉位姿测量系统进行实验，结果表明通过抑制相机径向畸变误差和提高相机分辨率，能够有效地提升该系统的位姿测量精度，位姿精度分别提升6.57%、4.21%和5.88%、5.54%。     

三维形貌柔性测量系统标定方法及验证

为了避免机器人模型误差对三维形貌柔性测量系统手眼标定的影响,对手眼关系的标定方法进行了研究。提出了一种融合特征点拟合的手眼标定方法。将三维形貌扫描仪安装在工业机器人末端搭建三维形貌柔性测量系统。标定时,首先利用激光跟踪仪对工业机器人末端法兰盘坐标系进行测量,得到两者转换关系;然后,利用三维形貌扫描仪和激光跟踪仪对空间固定的特征点组进行测量,利用特征点约束和基于罗德里格矩阵的算法求解两者转换关系即可间接地求解出手眼关系。基于ATOS三维扫描仪、安川HP20D机器人和API公司生产的激光跟踪仪进行了手眼标定实验,并进行了精度验证。结果表明:标定后的三维形貌柔性测量系统,其重复性测量精度(3σ)不超过0.1 mm,长度测量精度的均方根误差在0.2 mm以内,点云拼接精度优于±0.7 mm。该方法有效避免了传统手眼标定过程中会引入机器人模型误差的问题,在求解手眼关系解时采用了线性的解法,并且适用于三维形貌柔性测量系统。     

太阳能聚光器镜面单元的支撑-调节结构和位姿校准

为了实现聚光器镜面单元安装误差的快速校准,设计了一种螺纹副与球铰副组合的镜面单元支撑-调节结构,该结构可以实现调节量的准确控制。提出了镜面单元位姿(轴线矢量和顶点位置)的快速测量方法和轴线矢量位姿误差的定量校准方法。首先,应用摄影测量方法确定镜面单元表面的3个特征点(构成三角形)坐标,建立镜面单元位姿、球铰中心与特征点坐标三者关联的数学模型,实现镜面单元位姿的快速测量。然后,结合镜面单元的调焦过程,提出"三转一移"刚体运动(3次绕轴旋转和1次平移)来等效镜面位姿误差,建立镜面单元位姿与螺栓调节量的关联模型,实现镜面单元轴线矢量误差的定量校准。通过SolidWorks软件建立的虚拟调焦实验和室内的金属平板位姿调节实验,验证了本设计的镜面单元支撑-调节结构的便捷性,以及轴线矢量定量校准方法的有效性。提出的镜面单元校准方法不受反射镜几何形状的限制,具有广泛的适用性。     

一种微米级高度台阶镜面条纹反射的三维测量系统

提出了一种检测微米级高度衍射台阶结构的条纹反射三维检测方法.对条纹反射光路的理论分析表明,合理选择入射光线角度和液晶屏放置角度以及液晶屏像素尺寸等系统参数,条纹反射系统能够分辨微米乃至亚微米级的镜面台阶.实际构建了一套微米级台阶镜面条纹反射测量实验装置;采用四步相移法进行条纹相位解算,运用移动屏幕方法确定反射光线方程,结合三角交汇原理,对待测台阶镜面进行三维重构.实际测量了名义值为5μm和10μm的台阶镜面,测量结果不确定度在0.5μm内,和商业仪器测量结果的偏差<0.5μm,证明了设计方法的可行性.本文结果对于包含衍射台阶结构的光学元件三维测量研究具有一定的借鉴意义.     

折反射全向相机镜面位姿的自标定方法

在已知镜面和透视相机参数的情况下,提出一种不需要任何其他标定物的折反射全向相机镜面位姿的自标定算法,只需要折反射相机采集任意一幅图像即可估计出反射镜面与透视相机之间的旋转和平移。利用镜面外边缘所成的像,通过平面圆位姿估算方法获得两个候选位姿;再利用透视相机镜头边缘的成像,同时进行镜头边缘参数估计和镜面位姿选择。该标定方法操作简单,精度高,适用于非单视点相机的标定。仿真和真图实验结果证明了该方法的有效性。     

面向机器人位姿测量的大视场变焦测量方法

针对机器人大范围位姿精准测量问题,提出一种大视场位姿测量的变焦测量方法。利用变焦图像匹配点的单应矩阵进行变焦内参动态计算,根据变焦前后靶标位姿求解相机坐标系变换,给出与变焦参数相关的PnP算法,考虑畸变后进行参数优化,并提出缩放和对焦两步变焦控制策略。提出一种基于图像模板的靶标板位姿测量算法,在靶标可视姿态均能稳定检测并区分标志点。对变焦测量系统进行误差测量实验和大场景跟踪实验,结果表明,不同变焦参数下均具有较高的单点测量精度,平均位置精度最高21.8μm,在400~1600 mm范围误差0.09mm,精度较高,使用的变焦相机可实现178.7461~9022.31mm测量。该方法实现了相机活动范围受限而测量范围可拓展的位姿测量。     

激光束空间位姿高精度标定方法

关节型激光传感器是新型的跨尺度空间、非接触三维坐标测量仪器。为使关节型激光传感器实现精密测量,需要精确标定其系统参数,尤其是标定激光束的空间位姿。提出一种基于平面靶标和球靶标相结合的激光束空间位姿标定方法。通过建立像素坐标系和世界坐标系的矩阵关系,得到激光点的三维坐标,进而通过直线拟合得到激光束的空间位姿。转台旋转轴的空间位姿通过最小区域圆拟合得到。实验结果表明,在1 m的测量范围内,传感器系统的最大距离测量误差约为0.05 mm,新标定方法准确有效。     

面向奇异构型目标点分布的相机位姿估计算法

为了提高平面、近平面和近线等奇异构型目标点的位姿估计精度和稳定性,提出了面向奇异构型目标点分布的位姿估计算法。首先,选择距离最远的两个点作为基本目标点,将n点划分为n-2个三点子集。其次,根据三点子集的几何关系构建辅助点,旨在增加透射相似三角形法的几何约束,进而求得较为准确的相机位姿初值。最后,结合EPnP算法和高斯牛顿算法进行迭代优化,通过奇异值分解求得最终位姿。测量实验结果表明,当平面目标点数n=4时,正交迭代算法、EPnP算法和IEPnP算法的像方平均重投影误差分别为0.062 mm、0.324 mm和2.238 mm,本文算法的像方平均重投影误差为0.003 mm,有效提高了奇异构型下目标点的位姿估计精度和稳定性。     

基于相位测量偏折术的反射镜三维面形测量

基于相位测量偏折术(PMD)测量原理,提出了一种简单、可靠、精度高的三维面形检测新方法,可以运用于非球面反射镜精磨与粗抛光阶段的面形检测。所提检测方法通过利用入射光线、小孔坐标,以及虚拟的辅助表面来得到待测反射镜面的绝对高度和梯度。测量时,在CCD相机前放置一个小孔光阑来实现小孔成像模型,并以该小孔的位置作为相机的位置,同时利用相移法并通过移动LCD显示屏一次,获得摄像机上每个像素点所对应的入射光线。该方法对实验设备的位置无特殊要求,不需要辅助器件,检测过程简单,检测结果可靠。而且,该检测方法采用虚拟的辅助表面对反射镜面进行检测而不是采用入射光线与反射光线的交点,不需要对相机光线进行标定,检测结果受标定误差的影响很小,所以该检测方法具有很高的检测精度。计算机仿真与初步实验验证了该方法的可行性。     

结构现场可调的点激光精密测量系统

为了实现激光传感器测头可以根据现场条件来实时改变入射角度,建立了结构可调的点激光测量系统。建立了相机的针孔模型,利用张正友标定算法得到该相机模型的内部参数,定义点激光测量系统中的光心角,推导出利用像点坐标和相机内部参数实时求取光心角公式。建立了点激光测量系统的数学模型,引入点激光测量系统的结构参数:基线距和基准角,利用零平面和两个基准面标定系统结构参数。利用标定得到的系统结构参数进行实时的逆向工程在线测量。实验结果表明:测量系统量程为75mm时,该标定算法最大标定误差≤0.02mm,点激光测量系统的测量误差≤0.06mm,达到精密测量的要求。     

基于去离群点策略提高目标位姿测量精度

针对在单目视觉目标位姿测量过程中,特征点提取出现离群点的情况,提出一种基于去除离群点策略的位姿测量方法(ORPE).建立了以特征点误差极大极小为原则的最优化目标函数,通过确定特征点最大观测误差值边界,判定并去除离群点,由此可消除离群点误差对位姿测量的影响.仿真实验使用ORPE对1 m×1 m × 1 m的立方体目标进行位姿测量,验证了算法的正确性;使用ORPE测量Boeing飞机模型的位姿,平均姿态角误差2.07°,平均位移误差1.6%.通过和最小二乘测姿法(LSPE)结果对比分析可得ORPE法误差小于LSPE法误差.表明ORPE能有效去除离群点,同时提高佗姿测量精度.     

碟式聚光器镜面单元聚焦光斑与位姿误差的关联特性

为实现碟式聚光器镜面单元调焦的定量指导,需要建立镜面单元空间位姿与聚焦光斑特征的唯一定量对应关系。提出以镜面单元旋转和平移运动的组合等效引入位姿误差,基于光线跟踪方法建立位姿误差工况的聚焦光斑分布模型,引入聚光比阈值来提取聚焦光斑的特征边界,并采用最小二乘法对特征边界进行椭圆拟合,用于表征聚焦光斑的分布特征。分析了太阳直射辐照值、边界提取阈值、镜面单元位姿误差等对聚焦光斑特征的影响。结果表明,镜面单元位姿误差工况不同时,聚焦光斑的椭圆几何特征具有明显可区分性,用于镜面单元位姿反演具有可行性,为镜面单元调焦系统的搭建提供了参考。