基于标志点的三维拼接立体偏折法

立体偏折法作为一种非接触式镜面表面三维测量方法,近年来发展迅速。为了解决传统立体偏折法难以测量较大倾角曲面的问题,提出了一种基于标志点的三维拼接立体偏折法。先利用立体偏折法测量不同视角下的曲面子区域的三维点云,同时通过立体视觉测量样品台上标志点的三维坐标,使用标志点坐标进行粗拼接,再通过迭代最近点算法进行精拼接,最终重构出完整的三维面型。实际搭建了一套三维拼接立体偏折测量系统,测量了一个倾角25.8°的光滑凸球面反射镜,拼接后球面拟合误差在3μm以内。实验结果验证了方法的可行性,对立体偏折法应用于大口径和大倾角的复杂光学曲面三维测量具有借鉴意义。     

一种基于激光传感器快速检测透平叶片的方法

以标准球作为测量基准,以线扫描激光传感器作为测量手段获取透平叶片的全数据测量点云.测量设备采用四坐标测量机搭载激光线扫描传感器的方式,以保证叶片的测量效率,并兼顾测量机的控制准确度.通过测量机获得透平叶片的点云数据,并对获得的截面点云数据进行误差补偿、去噪、简化等预处理操作,利用非均匀有理B样条曲线拟合算法得到叶片特征曲线.实验结果证明该方法可以有效地提高叶片前后缘的重构准确度,并为叶片的三维建模提供更为准确的原始数据.     

光学加工过程中高次非球面的三坐标测量数据处理

三坐标轮廓检测是大口径高次非球面确定性加工过程中的主要面形测量手段。由于原始三坐标数据包含较大的检测误差,无法直接应用于加工过程,本文提出了一组数据处理算法对误差进行全面去除。首先,对获取的检测数据采用基于球心曲面重建的测头半径补偿算法进行测头半径误差补偿,然后对补偿后数据进行坐标系旋转平移误差去除,最后对提取的检测面形残差进行基于KNN的残差噪点过滤。其中,提出的基于球心曲面重建的测头半径补偿算法通过引入一个高精度的测头球心包络面拟合模型,来计算各检测点的测头半径补偿向量,仿真实验证明:算法补偿精度达到RMS<4 nm;提出的基于KNN的残差噪点过滤算法,通过采用插值方法提高样本空间密度和优化噪声度量值的计算,提高了噪点的识别敏感度并实现了噪点的自动化去除。最终根据整个误差清理算法构建了检测点云处理软件,应用实践表明其有效提高了镜面加工过程中检测点云的数据处理精度和效率。     

多点择优推进阵面法生成曲面三角形网格

在现有曲面非结构网格生成法的基础上,提出了一种新的曲面网格生成法——多点择优推进阵面法.它可在曲面上直接进行三角形网格划分,克服了映射法的网格变形问题,并且可以在网格生成结束后,对曲面网格直接进行Laplace格点松弛光顺.该方法使用简单,不受曲面块类型的限制,且网格质量高,可以为三维非结构网格生成提供高质量的初始阵面,并给出了若干个算例.     

基于Bertrand曲面模型的边缘检测算法

针对图像边缘检测过程中噪声抑制与细节保留不能兼顾的问题,提出一种基于Bertrand曲面模型的边缘检测算法.在确定像素级边缘的基础上,选取沿边缘方向的带状域为拟合区域,利用Bertrand曲面具有沿母线各点的法线与母线共面的性质,将拟合曲面区域内的像素点信息转化为边缘曲线的活动坐标,并对转化后的像素点坐标和归一化灰度值进行拟合,求得亚像素边缘到像素级边缘的法向距离,实现图像亚像素边缘的检测.用视觉测量系统对量块直线边缘进行实验,并与改进Facet曲面拟合亚像素边缘检测算法比较,说明基于Bertrand曲面模型的边缘检测算法具有较高的定位精度,测得一等量块的直线度误差在1μm以内,多次测量的误差平均值为-0.811μm,可靠性高.通过机油泵泵体测量实例,说明本文算法可以应用于机械零件的精密测量,尤其适用于中心距、孔径等的测量.     

光栅投影测量技术中的自适应采样方法

近年来,光学技术在测量领域的应用使测量获得的数据呈十几倍甚至几十倍地增长,造成了数据处理的困难.针对光栅投影非接触测量方法获得的海量数据,提出一种基于曲面变分的自适应采样方法以减少测量获得的数据量,并给出了采样的精度计算方法.根据测量对象的曲面变分进行自适应采样,获得测量点云,并根据自适应采样数据重构CAD模型.采样精度可以达到2.3 μm,拟合精度小于7.2 μm.     

大型复杂曲面三维形貌测量及应用研究进展

大型复杂曲面因为空间尺度大、结构复杂,因此对其进行测量和检测相对较困难,三维形貌测量技术分辨率高、数据获取速度快,为大型复杂曲面的偏差控制和逆向工程提供了技术保障。分析和综述了大型复杂曲面三维形貌测量及应用研究的进展,论述了目前实现大型复杂曲面三维形貌测量的手段,归纳和总结了目前以及未来几年可用大型复杂曲面三维形貌测量的设备和仪器的特点与应用场合,并对比分析了每种测量设备的优缺点,为正确和广泛应用三维形貌测量设备提供参考,重点介绍了三维点云获取方法及点云处理方法,对点云预处理方法、点云拼接方法所涉及的技术进行归纳总结。最后,对三维形貌测量技术的应用场合进行剖析,认为大型复杂曲面三维形貌测量将向着非接触、自动化方向发展,在发展过程中基于全局坐标的点云拼接、非贴点测量将成为研究的主要方向。     

干涉测量的误差分析与并联机床的准确度测量

对雷尼绍激光干涉仪的线性测量原理进行了详细探讨,分析了干涉仪在线性测量中的主要影响因素和误差诱因;作出了线性测量的准直误差特性曲线和阿贝误差特性曲面,并利用最小二乘法拟合得到了干涉仪准直测量误差的数学模型和沿u、v方向离散的阿贝误差特性曲线方程;给出了一种建立误差数学模型的方法.采用激光干涉仪检测了并联数控机床直线轴的运动准确度,并提出了一种适合于并联机床直线轴定位准确度测量的干涉测量方法.     

非球面非零位检测的逆向优化面形重构

非球面的非零位检测较其零位检测而言具有更强的通用性,但非零位检测偏离了零位条件,所产生的回程误差给被测非球面的面形重构带来一定困难。针对非球面非零位检测中回程误差的校正与面形重构问题,提出了基于检测系统理论建模的非球面面形逆向求解技术。该方法对实际检测系统进行理论建模,设置被测面面形为变量,以实际检测到的波前作为目标函数,通过拟合优化得到的结果进而重构出被测面面形。对逆向优化重构技术进行了仿真验证、实际检测和误差分析,实际测量口径为101.0mm的凹抛物面反射镜,检测结果与标准零位法测得结果一致,峰谷值和均方根值误差分别优于λ/20和λ/50。     

渐进自由曲面镜片光学性能仿真方法研究

提出了一种渐进自由曲面镜片的光学性能仿真方法,能够在镜片的设计阶段对镜片的光焦度和散光分布进行仿真分析。采用双三次样条曲面拟合法,通过计算自由曲面镜片面型离散点数据局部点云拟合曲面的函数,得到曲面上各点的主曲率,进而得到渐进自由曲面镜片的光焦度和散光分布。结果显示仿真方法得到的镜片光焦度和散光分布图与基于莫尔偏折法原理的FFV软件仿真和实际加工得到镜片的测量结果相类似。     

一种用于三维曲面视觉测量的立体精匹配方法

根据立体视觉原理 ,针对三维曲面视觉测量的实际情况 ,提出一种基于空间不变量的立体精匹配方法。首先利用投影光栅 ,在曲面上形成变形条纹 ,采用小波变换检测出像素级的离散边缘点 ;然后用三次 B样条将条纹边缘插值成光顺曲线 ,根据对极几何特性 ,实现像素级的精匹配 ,解决了交向摆放姿态的双目立体视觉系统的匹配问题。     

水斗曲面三维非正交贴体网格数值生成

为实现冲击式水轮机水斗内非定常流动的数值解析,需要高密度匀布非正交贴体坐标网格来拟合水斗曲面.本文开发了一种用于水斗曲面三维非正交贴体坐标匀布网格的数值生成程序,其主要算法是基于曲线与曲面的微分几何性质提出的四点投影法.程序可根据需要计算出不同密度的匀布贴体网格点.通过对两不同水斗的算例结果显示数值生成的网格很好地拟合了水斗不规则曲面,同时计算出各网格点的切向矢量和单位法向矢量.     

数字散斑亚像素小角位移测量的曲面拟合法

与传统测量方法相比,数字散斑相关法由于其目标特征单元网格划分的灵活性,能够更好地满足不同场合小角位移的测量需求。针对该方法亚像素小角位移测量的曲面拟合参数选择问题,研究了亚像素测量图像小角旋转前后的九点二次曲面拟合法,并根据计算机生成模拟散斑进行模拟实验分析,得到最佳误差效率优化条件下的曲面拟合法求解亚像素小角位移的最佳散斑尺寸3.5 pixel、计算窗口尺寸41×41 pixel和拟合窗口尺寸3×3 pixel。实验验证了上述测量参数的有效性,为进一步的曲面拟合法数字散斑成像角位移测量提供参考。     

高平滑度自由曲面激光束整形透镜设计

利用泊松网格优化算法设计了激光束整形自由曲面透镜，通过4次迭代，目标面的网格分布就接近于最优分布。使用该最优的目标面网格，基于输入光束与输出光束之间的能量映射关系，计算自由曲面各采样点的法向矢量，基于泊松面形构建算法获得自由曲面矢高，从而构建自由曲面透镜。为了验证所提方法的可行性，针对正方形目标面和矩形目标面分别设计了自由曲面透镜，这两种透镜在目标面上的辐射照均匀度分别达到91%和93%。为了验证自由曲面的平滑性，使用一个6阶9项多项式进行拟合，拟合后的均方根误差达到1.394×10^-3，表明所设计的自由曲面具有很高的平滑度。使用拟合数据建立自由曲面透镜，其目标面辐照均匀度几乎保持不变。采用随机统计分析方法对自由曲面透镜装配公差进行分析，结果表明在给定的公差范围，大部分样本的辐照均匀度保持在88%左右。     

基于Zernike多项式拟合的非球面点云数据自动调平

非球面光学元件在光学系统中的应用日益广泛。非球面点云数据调平坐标变换是非球面检测系统误差分析的一个重要环节。提出了一种基于Zernike多项式拟合的非球面点云数据自动调平方法,通过计算Zernike多项式X和Y倾斜项系数确定调平旋转矩阵,通过迭代使其最小化,最终将点云数据回转轴调整至与坐标Z轴平行,使得非球面三维点云测量结果可以进行后续三维比对和截面误差分析。通过理论仿真和实验数据测试验证了方法的有效性,能够将非球面数据倾斜降低到可忽略的程度;方法计算过程简单,对于各类非球面和曲面点云数据的调平变换都具有较好的参考意义。     

基于移动Kinect的低成本植物三维结构表型分析

表型分析对于理解植物基因型与环境之间的关系非常重要,开发高效且成本低的相关技术是精准农业等领域的一项典型需求。其中,代表性的RGB-D设备Kinect已用于植物表型分析,但其应用潜力尚未被充分挖掘。本文首先梳理比较了Kinect表征三维结构的三种原理方式,即点云基于深度图像(DI)生成,通过运动恢复结构(SfM)从彩色图像获得,以及合并DI和SfM点云生成融合数据(MD),并以FARO X330激光扫描仪获取的基准数据评估三种方式的性能。以植物玉簪为例的分析结果表明,对叶面积的估算DI点云的准确度最高,对叶片圆形度和偏心率的反演MD点云表现最佳,对叶倾角的反演SfM点云的性能最好。三种方式的结果差异源于它们表征不同结构的表现不同,对于叶面积的反演, SfM表征叶片相对不完整,而MD重建叶片的边缘存在不平滑的现象,导致两者精度不足;对于表征叶片的几何特征,通过合并DI和SfM数据生成的MD点云实现了信息增强的效果,使得其表现优于DI和SfM点云;叶倾角对深度测量的准确性更敏感,由于Kinect测量深度过程中通常存在误差,导致DI和MD点云反演精度偏低,而SfM点云仅通过彩色图像生成,因此其表现出反演叶倾角的最佳性能。性能比较与原因分析表明,三种方式对不同的结构特征有不同的适用空间,它们的集成有助于提升Kinect用于植物表型分析的整体性能,由此形成一种基于Kinect的移动表型高效分析技术;此外,提出的叶片几何描绘(LGD)模型可较好拟合叶片轮廓,有助于恢复部分被遮挡叶片的几何形态。提出了一种基于Kinect的低成本但高效的移动型三维植物结构表型分析技术,这对于促进作物监控、农业增产等有基础技术意义。     

基于逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜EI北大核心CSCD

采用逆向优化设计的方法设计发光二极管(LED)路灯透镜,提高LED路灯道路照明质量和能量利用率。以城市道路照明标准为约束,优化出最大亮度照度比的理想配光曲线。基于得到的理想配光曲线,透镜采用分离变量法设计自由曲面,将光源和目标面进行网格划分,形成能量对映关系。同时对曲面构造误差进行控制,再利用反馈优化法对透镜进行优化,使透镜的配光曲线趋于理想。仿真实验表明:采用逆向优化设计的LED路灯透镜,能很好地符合道路照明标准,亮度照度比为0.067,同时相对于传统的对称型LED路灯配光曲线节省20.2%的能耗,使LED路灯达到了高照明质量和高能量利用率的目的。     

基于Zernike多项式和径向基函数的自由曲面重构方法

对于梯度变化较大的光学自由曲面,采用模式化方法对光学面整体重构,其重构精度受到限制,无法满足要求,而且曲面局部特性无法精确表征。针对以上问题提出了基于Zernike多项式和径向基函数的自由曲面重构方法,提高自由曲面的重构精度。将整个自由曲面分解为多个圆形子区域,在各个圆形子域中采用Zernike多项式作为基函数进行曲面局部拟合,然后利用径向基函数形成整个自由曲面。通过数值实验对5种不同类型的曲面进行重构分析,实验结果表明,自由曲面重构精度优于纳米量级,验证了所提重构方法的适应性和高精度,在现代光学系统制造和检测中具有一定的应用前景,同时对自由曲面重构中的一些关键问题进行了讨论分析。     

基于逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜

采用逆向优化设计的方法设计发光二极管(LED)路灯透镜,提高LED路灯道路照明质量和能量利用率。以城市道路照明标准为约束,优化出最大亮度照度比的理想配光曲线。基于得到的理想配光曲线,透镜采用分离变量法设计自由曲面,将光源和目标面进行网格划分,形成能量对映关系。同时对曲面构造误差进行控制,再利用反馈优化法对透镜进行优化,使透镜的配光曲线趋于理想。仿真实验表明:采用逆向优化设计的LED路灯透镜,能很好地符合道路照明标准,亮度照度比为0.067,同时相对于传统的对称型LED路灯配光曲线节省20.2%的能耗,使LED路灯达到了高照明质量和高能量利用率的目的。     

采用散斑测量的复杂曲面叶片修复自适应定位

针对于航空发动机叶片修复过程中传统夹具定位无法满足复杂曲面叶片损坏形式多样的要求,提出了采用散斑测量的复杂曲面叶片修复自适应定位方法。首先,构建视觉测量系统,通过对叶片表面散斑点的匹配与空间解算得到叶片立体点云数据和参考测量点空间坐标,完成叶片三维构型。然后,建立自适应定位模型,通过对各定位坐标系进行位姿矩阵解算,实现欠定位装夹下曲面叶片在机床坐标系下的自适应定位。最后,基于德玛吉五轴数控加工中心进行自适应定位实验,验证了定位方法的有效性与实用性。实验结果表明,定位各方向平移向量偏差小于0.25mm,旋转矩阵欧拉角偏差小于0.2°,且通过一次装夹固定及视觉测量提取叶片形貌与位置信息,减少了定位工序,可为后续对损坏复杂曲面叶片加工复形的自适应定位修复提供实验依据。