微尺度三维变形测量的显微数字图像相关系统

基于体式显微镜和数字图像相关法,提出并实现了一种用于对微小尺度材料进行全场三维变形测量的显微数字图像相关系统。针对体式显微镜标定,提出一种高精度的基于B样条曲面重构的成像系统畸变模型,该模型通过采集自主设计的高精度平面标定板图像,来构建无畸变图像平面和标定板平面之间关系,并以此确定空间B样条曲面形式。利用一种高效的对称亚像素细分法来实现数字图像的高精度匹配,并介绍了所提系统进行三维测量和分析的过程。实验结果表明,标定结果的平均重投影误差为0.03pixel,位移测量精度优于0.2μm,应变测量误差的标准差不超过100με。同时,实验结果也证实了该系统可以准确、全面地实现对微小尺寸材料表面的全场三维变形测量。     

一种光强正交调制的新型线性位移传感器研究

介绍了一种光强正交调制式新型线性位移检测方法。该方法采用基于光强正交变化的两路电驻波合成电行波信号,将空间位移的变化调制到电行波信号相位差的变化上,用鉴相的方法实现空间位移的测量。为了优化传感参数并提高测量精度,对传感器不同参数条件下光场分布情况与误差特性进行了研究。根据其结构特征,对光场分布引起的测量误差进行分析,并利用Tracepro软件建立三维光场仿真模型,对不同参数条件下光场分布进行分析;再通过实验验证,得到不同参数与误差特性之间的关系;根据仿真和实验结果,对传感器参数进行优化设计。初步实验表明:在108mm测量范围内,传感器精度达到±0.5μm。为此新型传感器优化设计和精度提高提供了可靠的理论依据和技术支持。     

非接触三维测量全场结构关系模型分析及系统开发

研究开发了一种基于光栅投影和主动式三角法的高精度三维测量系统。分析了系统的全场结构关系模型及镜头失真对系统的影响,给出了空间三维坐标的详细算法。试验结果表明,系统的测量误差小于0.04mm,测量精度约为0.03mm。多视角测量的拼合结果表明,系统具有良好的360°测量精度,测量精细表面纹理效果好。该系统在反求工程及质量控制等领域具有良好的工业应用前景。     

基于一般成像模型的微小物体测量系统标定方法

通过利用光栅投影三维测量技术进行微小物体的三维重构,提出了基于一般成像模型的标定方法,利用标定板围绕固定轴转动的不同姿态进行标定并进行优化。所提出的标定算法既解决了一般成像模型变量多的问题,又不需要借助精密位移装置,简化了整个标定过程。与此同时,利用自卷积盲去模糊的方法解决远心镜头景深小带来的离焦,提高了摄像机的标定精度。标定和三维重构实验验证了该方法的可行性和准确性。在23.7 mm×17.78mm相机视场范围下系统测量精度达到了6μm。     

基于图像灰度信息的直线位移测量

提出了一种基于视觉的新型直线位移测量方法。建立了图像各像素点灰度值与直线运动位移间的映射函数模型,通过数值方法解算了直线运动平台的位移。通过蒙特卡罗仿真对所提方法进行分析,证明了其可行性与合理性。分析了检测点拓扑结构对测量精度的影响。实验结果表明,在10 mm的位移测量范围内,所提方法的测量误差标准差为4μm。     

空间非合作目标的三目立体视觉测量方法

针对在轨服务任务如何在近距离处获取空间非合作目标的相对位置和姿态的难题,提出一种三目立体视觉测量方法。首先利用三台呈等边三角形布置的大视场可见光相机获取图像;然后采用所提方法对特征点进行匹配;接着采用RANSAC方法解算被测目标在世界坐标系下的位姿参数;最后通过对非合作卫星模型的静止、位置移动和姿态转动进行实验。实验结果表明,静止状态下的相对位置精度优于2.2 mm,相对角度测量精度优于0.3°;当模型位置移动时,绝对位置精度优于3 mm;当模型姿态转动时,相对位置精度优于5.6 mm,相对角度测量精度优于1.7°,说明所提方法可以改善双目立体视觉技术在测量角度大的区域易出现测量盲区、特征点定位误匹配和测量视场有限的不足。     

基于平行面多靶标标定的单目大视场平面测量

针对单目大视场平面测量时,测量平面内不便布置靶标和大尺寸靶标难以制作的问题,提出一种利用布设在平行面上的小尺寸平面靶标进行标定的方法。选定一个平行面为标定平面,将单个小尺寸平面靶标合理放置在标定平面的多个位置拍摄,整合构造出一个大尺寸平面靶标,采用非线性优化的方法进行摄像机内、外参的优化求解。结合平行约束和距离参数得到测量平面与图像平面的单应矩阵,实现大视场平面测量。建立平面测量的精度模型,对测量区域各处精度的分布以及影响测量精度的摄像机内参、安装角度和高度等因素进行理论分析和实验验证。实验结果表明:该方法可有效保证整体测量精度;在上底920mm、下底1360mm、高920mm的梯形视场内标定,距标定平面200mm的测量平面内的测量误差低于0.6%;测量区域内各处误差的分布趋势与精度模型一致。此方法完全适用于大视场平面测量。     

三维时域散斑动态干涉测量系统的集成化设计

三维电子散斑干涉技术（3D ESPI）具有非接触、高精度、高灵敏度和全场测量等优点，被广泛应用于许多领域。为了实现非接触动态全场三维测量，设计并建立了一个紧凑、完备的三维测量系统。用一个多波长光纤耦合激光器代替3个独立光源，产生的离面、面内散斑干涉图仅用一台彩色CCD相机就能捕捉和处理；整个测量系统采用笼式结构，具有高度的灵活性和稳定性；对基于小波变换的相位展开算法进行了编程，实现了被测物体三维位移信息的完整提取。实验证明该测量系统可以实时获取被测物体的三维位移，在测量实验中，获得的三维位移值17.68 μm、36.23 μm、13.85 μm，相比于实际位移值18.1 μm、36.4 μm、14.0 μm它们的绝对误差分别为0.42 μm、0.17 μm、0.15 μm，相对误差分别为2.3%、0.5%、1.1%。     

单目显微视觉测头动态测量技术的研究

为了解决现有坐标测量机中的单目显微视觉测头视场小和景深小的缺点,提出了显微视觉测头的动态测量方法。建立了运动模糊图像的复原模型以及序列图像的全景组合模型,并提出了测量系统的自标定方法,标定重复性精度优于0.5nm。实验证明:该系统在以6mm/s的速度扫描测量时,测量重复性精度可达到5μm。     

扫描成像跟踪激光雷达

设计了一种基于激光图像跟踪的激光雷达系统来实现目标的跟踪测量。该系统通过激光光束二维扫描,形成包含距离和角度信息的三维图像,由测量视场内运动目标的几何中心与视场中心的角度偏差获得脱靶量,利用脱靶量驱动伺服机构使目标几何中心处于雷达扫描视场中心,从而实现目标的实时跟踪,并输出目标距离和角度信息。实测结果表明：采用设计的激光雷达系统对距离900 m的目标进行测量,测距精度优于0.25 m,角跟踪精度优于0.07°,角跟踪能力优于1.2（°）/s,实现了快速捕获目标、高精度跟踪测量和系统小型化等既定目标。     

双目立体视觉技术在结构试验中的应用

传统的动态位移测量方法属于接触式测量,常用应变式位移计直接测量结构变形,其测量精度往往取决于位移计安装情况,且测量的电信号容易受到试验环境的影响。随着光学测量技术的不断发展,基于双目立体视觉和数字图像处理技术的光学测量方法已开始应用于位移测量。为了解决传统动态位移测量的精度问题和环境对信号的干扰问题,将双目立体视觉技术应用到三层钢框架结构的振动台试验中,对结构在地震作用下的位移进行测量。研究结果表明:从位移时程和位移偏差率两方面同传统测量方法进行对比分析,光学测量方法减少了2.0 s~3.5 s的相对滞后时间,增强数据可靠性;位移偏差率最大为7.03%,最小为0.02%,均在测量误差允许范围之内,验证了光学测量位移方法在结构抗震试验中的可行性及优越性。     

基于机器视觉技术的振动台试验变形位移测量方法研究

在振动台试验中,结构的变形位移是试验关注的重要数据之一。将机器视觉技术运用于振动台试验的变形位移测量上,是对传感器测量法的一个补充,从另外一种渠道力争为振动台试验提供更多的数据来源。该方法首先给定振动台一个激励信号,同时对固定在振动台台面上、粘贴有人工标志的弹性结构试件进行视频采集;然后将视频分帧成一系列静态图片,对静态图片进行图像灰度化、图像增强等图像预处理并对人工标志进行识别;接下来,在识别出所有人工标志的基础上采用最小二乘椭圆拟合法进行目标定位并进行像素标定。目标点的像素位移结合像素标定系数,最终完成变形位移的测量。最后通过振动台的固定位移试验和正弦信号激励试验证明了该方法在振动台试验中的可行性。     

Calibration for stereo vision system based on phase matching and bundle adjustment algorithm

Calibration for stereo vision system plays an important role in the field of machine vision applications. The existing accurate calibration methods are usually carried out by capturing a high-accuracy calibration target with the same size as the measurement view. In in-situ 3D measurement and in large field of view measurement, the extrinsic parameters of the system usually need to be calibrated in real-time. Furthermore, the large high-accuracy calibration target in the field is a big challenge for manufacturing. Therefore, an accurate and rapid calibration method in the in-situ measurement is needed. In this paper, a novel calibration method for stereo vision system is proposed based on phase-based matching method and the bundle adjustment algorithm. As the camera is usually mechanically locked once adjusted appropriately after calibrated in lab, the intrinsic parameters are usually stable. We emphasize on the extrinsic parameters calibration in the measurement field. Firstly, the matching method based on heterodyne multi-frequency phase-shifting technique is applied to find thousands of pairs of corresponding points between images of two cameras. The large amount of pairs of corresponding points can help improve the accuracy of the calibration. Then the method of bundle adjustment in photogrammetry is used to optimize the extrinsic parameters and the 3D coordinates of the measured objects. Finally, the quantity traceability is carried out to transform the optimized extrinsic parameters from the 3D metric coordinate system into Euclid coordinate system to obtain the ultimate optimal extrinsic parameters. Experiment results show that the procedure of calibration takes less than 3 s. And, based on the stereo vision system calibrated by the proposed method, the measurement RMS (Root Mean Square) error can reach 0.025 mm when measuring the calibrated gauge with nominal length of 999.576 mm.     

微小深度尺寸现场测量系统的研究

针对目前微小深度尺寸现场测量难的问题,设计开发了一种基于光切原理的现场视觉检测系统,应用自主开发的基于Directshow和VC++的图像采集和处理软件,能快速、准确地检测被测工件表面的微小深度尺寸.实验结果表明,该测量系统景深达700μm,可测量20～990μm的深度尺寸,系统整体的测量不确定度优于3％;在200～5...     

立体视觉测量系统标定误差补偿

双目视觉测量系统利用三角测量法原理进行三维测量，其结构特性决定了测量误差随测量距离的增加而增大。针对测量误差的分布规律，该文提出基于局部视场的双目视觉测量系统优化方法。利用外在结构建立测量坐标系，减小标定和测量过程信息非一致性引入的系统误差；利用相机参数之间的耦合作用补偿系统固有参数标定误差并建立查找表，建立关于标定参数的虚拟映射。模拟实验最大误差小于0.03 mm，系统实验误差小于0.3%，实验表明优化后系统主要测量误差来源于探测器离散化引入的随机误差，双目视觉测量系统达到理论测量精度。     

基于目标运动的复眼式双目视觉测距法

昆虫（螳螂）复眼利用目标的动态差异实现立体视觉，具有视场大、计算简单、实时性高等特点，是立体视觉研究的新方向。为实现复眼立体视觉在机器人视觉导航中的应用，根据复眼结构以及信息处理机制，提出并研究了环形光电传感器的目标快速检测与定位方法。首先，搭建了基于60个光电二极管的等6°夹角分布式环形传感器，形成具有360°视场的环形仿生复眼；其次，建立了基于光流原理的运动目标方位角检测模型，采用傅里叶拟合法实现了方位角检测模型的优化，实现了运动目标方位角与目标距离大视野范围内的简单、快速检测。实验结果表明:1）可实现距离375 mm范围内运动速度为30 mm/s的目标方位角实时检测，测量误差在2°范围内；2）基于目标方位角检测模型，可实现双目阵列传感器在300 mm×375 mm视野重叠区域范围内、平均测量误差在10 mm范围内的立体视觉测距。基于光流的运动目标方位角检测模型可用于实现对运动目标空间位置的动态实时检测，在运动检测、视觉导航等领域具有广泛的应用前景。     

Stereo vision sensor calibration based on random spatial points given by CMM

This paper presents a new, high-precision calibration method for stereo vision sensor based on virtual template. Given 3D spatial points coordinates by coordinates measurement machine (CMM) and corresponding image points coordinates, the technique is realized by taking the projection matrix elements as unknown and using singular value decomposition to solve the least-squares solutions. The method avoids solving intrinsic and extrinsic parameters of each camera and introducing the calibration error which caused by template machining and measurement error. We measure the 3D coordinates of a group of random spatial points by the calibrated stereo vision sensor then compare the results with CMM measurement values, the errors are less than 0.05 mm in the Z axis direction, and less than 0.01 mm in the X and Y axis direction, the experiment results show that the technique is feasible and effective.     

一种目标空间运动分析系统

针对运动目标空间定位问题,将立体视觉技术与单视频序列下的运动目标检测相结合,设计了一种目标空间运动分析系统,实现目标的空间定位,扩展了单视频序列运动目标检测课题的应用范围。针对从单目向多目过渡过程中面临的问题,从硬件上提出了相应的解决方案,将立体镜头与高速相机相结合,克服了芯片一致性、相机同步、运动拖影等影响。由于立体像对源于同一帧图像,所以可以直接使用传统单序列运动目标检测方法获取运动掩模。使用该空间运动分析系统在光照充足的室外条件下进行单一目标的自由落体和斜坡运动2组实验,实验结果表明:该系统运行稳定,实现了运动目标的空间位置分析功能,1 m范围内,定位绝对误差小于0.01 m。     

一种基于机械式拼接的结构光扫描测量方法

测量大尺寸零部件一般需要较大的测量范围,而高精密扫描传感器往往视野较小。为了解决该矛盾,提出了一种基于机械式拼接的结构光扫描测量方法,通过结构光扫描仪获取局部高精点云,并利用高精十字平移台实现数据拼接。分析了测量系统的组成和测量原理,提出了一种基于加权非线性优化的外参标定方法,求解出结构光扫描仪和十字平移台之间非实物坐标系的变换关系。在实验中验证了系统在300 mm的测量范围内球心距的均方根误差（root-mean-square error,RMSE）优于45 μm;同时对实物进行了测量,检验了测量系统的实用性。     

Φ2 m平面反射镜低频轮廓非接触测量设备研制进展

口径2 m的高质量平面反射镜可用于大口径光电设备像质评价和性能检测,但受使用环境影响,平面反射镜的面形精度不易长期保持稳定,因此需要在使用前对其面形精度进行现场、快速校验,而常规的全口径或子孔径干涉检测均难以满足上述需求。由于反射镜面形在制造过程引入的中高频误差已处于稳定状态,环境扰动只引入低频像差,而选择子孔径斜率扫描再重构波面低频轮廓的方法较适于面形精度现场校验。提出双五棱镜配合双测角仪进行子孔径斜率同步差分测量的方法,可改善长测量周期内环境扰动引起的随机误差。并对测量设备光学、机械及控制系统进行设计,提出采用2台S-H传感器代替传统测角仪用于子孔径斜率测量的解决方法。验证试验结果表明,波面重构算法以及仪器测角精度可满足面形测量精度需求,其与ZYGO干涉仪测量结果的互差小于20 nm（RMS）。