基于三线结构光的相机平面标定方法研究

相机标定技术是结构光三维视觉测量的关键技术之一,结构光系统的相机标定的精度对三维测量的精度有很大影响。首先对三线结构光系统图的相机标定方法进行了分析,简单介绍了工业相机成像的几何模型及标定的原理;其次利用Harris角点检测方法提取特征点坐标,并选用了BP神经网络来校正工业相机的畸变模型,以提高标定算法的优化速度和标定精度;最后采用张正友的平面标定法对校正后的摄像机模型进行标定实验,由实验结果知,该方法具有一定的准确性和有效性,在一定误差范围内,基于神经网络畸变校正的张正友相机标定能够有效提高视觉检测的精度。     

激光扫描测头视觉系统结构参数优化

线结构光视觉测量系统是激光扫描测头的重要组成部分,为了提高激光扫描测头的测量精度及可靠性,提出一种线结构光视觉系统结构参数优化设计方法。分析了影响该测量系统整体测量精度的因素以及该测量系统的结构误差模型,并建立了应用于激光扫描测头的结构约束条件,通过该约束条件建立了结构参数优化仿真系统,进而得到仿真优化后的结构参数,即最优结构参数,并设计实测实验验证其合理性。测得优化后的线结构光视觉系统测量空间点间距相对误差为0.019 8 mm,本文结果表明优化方法的有效性,并具有较好的精度。     

非平行双目视觉系统水下标定与测量

针对用非平行双目视觉系统进行水下拍摄测量时,由于折射所导致的测量误差较大、精度不高的问题,建立了基于折射光路的水下双目视觉系统测量模型,并以Agrawal方法为基础,在已知两摄像机相对位置关系的前提下,对该测量模型参数标定的方法进行了改进。为验证改进的Agrawal方法的可靠性,与Agrawal方法进行水下标定对比实验。结果表明,相较于Agrawal标定算法得到的防水罩法向量这一模型参数,提出的改进算法的结果与真实值更为接近。在此基础上,应用标定后的水下双目视觉系统测量模型对水下靶标标定点间的标准距离进行测量,测量误差平均值为-0.0134 mm,最大误差为0.2073 mm,与空气中双目视觉系统测量精度相当。     

单摄像机立体视觉测量系统的高精度变焦标定技术

针对现有用于光学测量的双目变焦系统标定方法难度大、测量精度受限于两摄像机内参一致性等问题。提出一种基于单摄像机的平行双目立体视觉系统实现及其高精度变焦标定方法。方法基于三角测量原理采集图像,利用高精度位移台驱动单摄像机进行平移以保证基线精度;求解离散焦距下的预标定结果并利用BP神经网络模型对其进行拟合,以实现任意焦距下系统内外参数动态估计。实验结果表明,系统预标定的重投影误差小于0.1664 pixel,变焦后图像畸变校正平均误差为0.0982 pixel,立体视觉测量尺寸绝对误差小于0.05mm。方法能弥补传统变焦标定方法的不足,消除双目内参不一致引入的误差,提高视觉系统的测量精度。     

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。     

基于单目结构光的大物体三维测量关键方法的研究

在单目结构光的三维测量系统中,由于投影仪倾斜投影, 参考平面上的条纹周期展宽, 给测量带来误差,降低了测量精度。同时受大物体自身几何和形貌等因素的影响,以及相交轴测量系统的限制,其单幅面测量范围受限,很难一次测量大物体完整的三维形貌,而且在测量大物体时,摄像机镜头非线性畸变也影响测量精度。根据参考平面上光栅条纹的周期变化规律,提出了一种适用性好、方便快捷的条纹周期校正的理论模型, 在此基础上, 提出了基于条纹周期校正的四步相移法的理论模型,进而提出了基于条纹周期校正的时间相位展开法的理论模型。采用摄像机镜头非线性畸变校正模型,提高测量精度。在被测物表面粘贴标志点,获取其三维坐标,利用SVD分解和L-M优化算法求取转换矩阵,并在设定的全局坐标系下实现三维图像拼接,采用线性加权算法,对重叠区域进行图像融合。实验结果表明,X轴的拼接误差为0.14 mm,Y轴的拼接误差为0.16 mm,Z轴的拼接误差为0.19 mm,其拼接误差均在测量误差允许范围之内。     

非球面鱼眼镜头设计及畸变校正算法研究

提出了一种非球面鱼眼镜头的设计方法,根据全景摄像系统镜头使用要求,设计得到一款仅由三片非球面塑胶镜片和一片球面玻璃镜片组成的超广角鱼眼镜头。镜头最大成像光圈直径为15.3 mm,后工作距离为2.158mm,系统总长为11.44mm,焦距为0.97mm,视场角为210°,在60lp/mm处调制传递函数(MTF)曲线达到0.35。还构建出一种高效简单的鱼眼镜头畸变校正算法,根据镜头设计中得到的畸变曲线,应用畸变模型运用实际像点计算出理想像点位置,将鱼眼镜头拍摄的畸变图像校正为适合于人眼观看的无畸变图像。通过车载全景显示应用中实际拍摄图像及校正图像的对比,验证出该算法精准可行。     

全景系统中大视场摄像机径向畸变校正算法研究

针对全景系统中的大视场红外摄像机和可见光摄像机带来的图像畸变问题,在分析了畸变原理和数学模型的基础上,首先采用模板法标定摄像机的畸变参数,然后对畸变图像中像素点位置进行几何变换,再对像素点上的灰度值进行双线性插值法灰度校正,最后通过优化算法提高了图像运算速度。试验结果表明,设计的畸变校正算法能实时的校正全景系统中的畸变图像,有效提高了全景图像的观察效果。     

双目视觉系统的测量误差分析

通过对双目视觉测量系统的研究,建立了双目视觉测量系统的误差模型,并分析了系统结构参数对测量结果的影响。在理论上对系统结构参数(两光轴夹角、基线距离)与测量精度之间的关系进行了系统、详尽的分析,得出了测量系统的位置误差对距离方向上的精度影响较大;光轴夹角的变化对测量误差影响不大,而距离方向的误差随着基线距离的增加而减小的结论。本文建立的误差模型对具体的双目视觉测量系统的设计具有指导作用。     

一种成像测量图像径向几何畸变的校正方法

通过对具有径向畸变的摄像机模型的分析,设计了一套求解图像径向几何畸变中心和畸变多项式系数的方案。首先,依据校正样板曲线的弯曲程度应用一元线性回归法和逐次逼近法求取光学图像的几何畸变中心,然后应用递推最小二乘法求解径向几何畸变的多项式系数,最后根据所得到的畸变中心和畸变多项式系数对图像进行校正得到满足要求的图像。仿真试验证明:该方法可以通过一次采集单幅图像对成像系统进行高精度标定,能够对成像测量系统的径向几何畸变进行一定精度的校正。实践证明:该方法通过图像处理的方法提高成像测量系统的精度,降低了系统的设计成本,可以作为成像测量系统中单独标定摄像机畸变参数的一种简单有效的方法。     

光笔式三坐标视觉测量中的六点透视问题建模

为了提高光笔式三坐标视觉测量的正确性和有效性,对六点透视问题的理论渊源、数学模型及其数学模型的正确性和有效性进行了研究。以视觉测量的经典理论——"N点透视问题"的原理为依据,建立了光笔式三坐标视觉测量的通用数学模型。在充分分析和研究该通用数学模型解的性态的基础上,得出了光笔式三坐标视觉测量中的六点透视问题具有唯一解,而且可线性求解的结论,建立了六点透视问题的数学模型,并开发出对应该数学模型的实验测量系统,在三坐标测量机上进行了比对测量实验。比对测量结果表明:在300mm测量范围内,六点透视问题实验测量系统和三坐标测量机在X、Y、Z轴方向上的测量数据最大差值分别为0.06mm、0.07mm和0.09mm。六点透视问题的数学模型能基本满足现场测量精度的要求。     

大视场短焦距镜头CCD摄像系统的畸变校正

从光学测量角度出发,结合计算机视觉中的摄像机标定方法,解决了大视场短焦距镜头CCD摄像系统的畸变校正问题。与摄像机标定不同,畸变校正中仅标定内部参数,外部参数作为已知条件。采用线性畸变模型,由最小二乘法解线性方程组得到摄像系统畸变模型的畸变系数。介绍了数字图像中像素间距和光学中心的标定方法。通过比较由标定参数得到的畸变图像和摄像机采集的畸变图像对实验标定精度进行评定,实验结果表明边缘视场(112°)的标定精度达到了0 75%。     

基于光学三角原理的内径非接触测量方法

基于光学三角测量原理,提出了一种非接触测量内径的方法。对激光双光三角测量原理与单光三角测量原理进行了分析对比。采用单光三角测量原理设计了一种非接触式测量内径的光电测量系统。论述了系统的组成和总体结构,并通过实验对测量系统的精度进行了验证。结果表明,系统的测量误差不大于0.03mm,重复性测量精度优于±0.03mm。     

四光幕精度靶工程化模型及测量精度分析

针对现有四光幕精度靶理想化结构模型及测量精度分析无法满足其工程化设计及发展需求的问题,构建了通用的四光幕精度靶工程化结构模型,推导了相应的坐标测量及误差传播公式,仿真分析了着靶位置、靶距、幕面夹角、靶面大小、弹丸斜入射角度等多参量对系统坐标测量精度的影响,得到了系列坐标测量误差分析数据.最后给出了一实际四光幕精度靶的结构及理论坐标测量误差估计.实弹射击表明,该系统在1m×1m有效靶面内的X、Y坐标测量误差均小于2mm,与理论仿真分析结果接近,验证了所提工程化测量模型的正确性,测量精度分析有效.研究结果可为实用型四光幕精度靶的设计及测量精度评估提供可靠参考.     

高精度柔性坐标测量系统及其校准技术研究EI北大核心CSCD

针对传统的机器人柔性坐标测量方法中,机器人模型不完善及机器人固定参数不断变化导致测量精度难以提高的问题,提出一种基于双目视觉原理的全局实时校准方法,组建由两台相机组成的高精度全局校准单元,通过测量布置在机器人末端视觉传感器上的控制点阵,实时得到机器人末端的空间位姿,实现机器人在全局空间的精确定位。提出基于空间网格控制场的相机校准方法,构建像面坐标系上的残差库,实现相机在全视场空间内的高精度校准。实验表明,采用上述方法可实现±0.1mm的双相机校准精度,整个系统的测量精度可达±0.15mm,从根本上摆脱了机器人运动学模型及参数误差带来的影响,有效地保证了柔性坐标测量系统的精度。     

双目立体视觉测距系统误差模型的研究

针对双目立体视觉测距中产生误差的问题,分析了系统中的各个参量,并建立了双目立体视觉测距系统的误差模型。得出引起测量系统误差最大的两个参量是CCD摄像头的对准程度和测量的距离;在视场中心的距离测量精度低,边缘测量精度高,在视场中心的水平和纵向的测量精度却远高于在边缘的测量精度两个结论。基于本文建立的误差模型可以指导适用于具体应用场合的双目立体视觉测距系统的设计。     

光笔式双摄像机三维坐标视觉测量系统

基于双目立体视觉的系统模型,设计了一种新型的光笔,提出了基于该光笔的匹配算法。由于光笔在测量时可以出现任何姿态,必须对两摄像机像面上所成图像中的8个发光点进行匹配,才能代入摄像机模型计算出8个发光点在左摄像机坐标系下的三维坐标,通过建立8个共面发光点所在的平面坐标系与左摄像机坐标系的线性关系求得测头中心的三维坐标。实验结果表明,系统在5 m范围内的空间长度测量精度达到0.159 mm,基本满足大尺寸工件的现场检测需求。     

基于新型靶的CCD摄像系统畸变测量与校正

深入研究了测试图案对测量畸变的影响。提出"一靶测试法"进行畸变测量与校正,拍摄了自行设计、制作的"综合点阵靶板"的畸变图像,图像处理得到其畸变点位置,并与理想点位置进行对应比较。建立多项式模型确定畸变点与理想点的位置校正关系,理想点位置由理想成像得到,并运用最小二乘拟合算法求得多项式系数,标定整个CCD摄像系统的畸变。"综合点阵靶板"采用灰色圆点黑色间带图案,方便了点按序标记排列,从而确定畸变点与理想点的一一对应。对2.6 mm焦距的广角CCD镜头摄像系统进行了畸变测量与校正,其重复测量,校正精度达到0.3%。     

基于射线追踪的线结构光曲面网格标定

结构光视觉技术是一种光学三维表面测量技术,具有速度快、精度高、鲁棒性强等优点。在实际应用中,线结构光发射器的镜头失真会导致光平面发生弯曲,而现有的大多数标定方法无法对失真进行补偿,并且会限制线结构光的分布规则。为了避免透镜失真所造成的影响,提出了一种精确且鲁棒性强的线结构光标定方法,通过构建曲面网格模型将水平、竖直射线追踪相结合,克服了现有方法对结构光分布方向的限制,同时,利用微分后的空间网格平面与像素网格平面之间的单应性关系实现了亚像素级的光条中心点三维重建。实验结果表明,该方法可以降低线结构光平面弯曲对标定精度的影响,对间距为55 mm的任意相邻靶标进行距离测量的误差小于0.08 mm,对间距为1133.85 mm的任意相邻靶标进行距离测量的精度可达0.50 mm。     

大幅面气动光学波前畸变场测量与重构EI北大核心CSCD

各类高速飞行器所装备的光电成像探测与侦察系统、光电跟踪瞄准系统、定向能攻击武器和光通讯系统,都需要开展气动光学波前畸变场测量与校正技术研究。为此,提出大幅面气动光学波前畸变场测量与重构方法,将光束偏折位移场测量值转化为光束从摄影中心出发穿过扰流区到人工点的光程差,并研究了Zernike多项式阶数与波前畸变重构精度的关系。2m超声速风洞中某跨大气层飞行器模型实验结果表明:该方法可以定量测量波前畸变场,测得机头与机翼的斜激波所致的波前畸变结构正确。该方法光路简单、无需使用价格昂贵的相干光源,为气动光学效应的测试及校正技术的研究提供了新途径。