自动搜索匹配区域消除阴影影响的拼接算法

针对基于结构照明的三维面形测量中阴影和条纹裂断的存在会影响物体面形重建质量的问题,提出一种新的获得整个物体三维面形的方法.在同一参考面内,旋转被测物体,并对旋转前、后的物体分两次进行测量,利用调制度信息确定重建物体高度数据的可靠区域,用最小二乘法找出两次重建的高度数据的坐标变换关系并在可靠区域内拼接,从而得到整个物体的正确三维面形分布.该方法操作简单,有效解决了传统方法不可避免的阴影和条纹裂断问题,保证了傅里叶变换轮廓术(FTP)的测量精度,通过实验证明了此方法的有效性.     

动态傅里叶变换轮廓术实现路面形变快速检测

公路表面的三维结构对于判断公路路面破损状况具有重要的意义。基于光栅投影的傅里叶变换轮廓术将物体的高度信息编码在投影到待测物面上的正弦条纹的形变信息中,可以实现对物体的垂直测量。探讨了傅里叶变换轮廓术在高速公路路面面形测量-动态实时系统中的应用,提出了利用自适应标准模版匹配,基于特征图像识别的方法,分选破损的公路路面,从而实现对高速公路路面形变的快速实时检测。     

基于彩色双通道投影的快速调制度测量轮廓术

针对传统调制度轮廓术测量速度较慢的问题,本文提出了彩色双通道投影的调制度轮廓术.该方法将两个正弦光栅通过不同的通道同时成像在被测物体上,两光栅像面不重合(相互离焦),采用彩色CCD采集条纹图,利用彩色CCD的色通道性质,分离出两个单一通道的条纹图,得到其调制度分布.由于调制度比值和物体高度存在一一对应关系,由此可重建物体三维面形.文中给出了实验的设计方案、信息获取的方法、实验结果及误差分析,讨论了影响测量精度的几种原因.实验结果表明,该方法测量深孔等面形复杂物体,测量速度快,算法简单,且可以达到较高测量精度.     

采用LD的光源步进条纹投影三维测量系统

在采用LED的光源步进法三维测量系统中,由于LED发散角大,在短距离内就达到较大的条纹投影面积,造成系统工作距离短.另外大功率LED发光面尺寸大导致条纹对比度低,投影高亮度、高对比度的条纹困难.为解决上述问题,提出在光源步进法投影装置中采用激光二极管(LD)作为光源,实现高亮度、高对比度相移条纹投影.采用该投影装置与双目摄像机设计了便携、高速的三维测量系统.首先利用改进的傅里叶变换轮廓术获取变形条纹相位及调制强度;接着利用激光散斑的随机性,在调制强度图中实现双目图像的粗匹配;然后在粗匹配的基础上进行条纹相位展开,利用相位实现精匹配;最后获得待测物体三维形貌.利用设计的系统进行了实验验证.系统的测量体积为360 mm×290 mm×100 mm,采集的三维数据最多为1280×1024点.实现了100 f/s的三维形貌测量速度,对平面的测量标准偏差为0.19 mm,对5个间隔距离为1.00 mm的平面进行了测量,测量距离的平均误差为0.05 mm.     

含孤立物体场景的高速、高密度三维面形采集

提出了一种用于采集含空间孤立物体场景的高速、高密度三维面形采集方法。该方法将三幅图案高速投影到被测物体上并同步采集图像,从而实现场景三维形貌及纹理的高速记录。其中两幅图案是互相具有π相移的正弦条纹,采用傅里叶变换法求解变形条纹相位。将拍摄到的两幅变形条纹图相加可得到物体表面纹理。另一幅图案用来确定条纹级次,实现绝对相位测量,解决高速形貌采集中孤立物体相位展开难题。它由一系列宽度与正弦条纹周期相同的竖条构成,采用三种灰度对竖条编码。每个竖条由单一灰度或两种在竖直方向上周期性分布的灰度构成,这样可编6个码。将竖条按由这些码构成的伪随机序列排列,得到编码图案。测量时,对拍摄的编码图案解码,通过子序列匹配来确定对应正弦条纹的级次。设计了采用DLP投影仪及高速摄像机的高速测量系统。采用提出的方法实现了640×480分辨率下每秒60帧和320×240分辨率下每秒120帧的三维形貌及纹理采集。     

二维傅里叶变换法三维曲面检测

对投影光栅方法获得的位相调制空间载波图进行二维数字图象处理,实现了散射物体的三维曲面测量,利用二维快速傅里嚅变换将空域信号转变为频域信号,对一级频谱进行傅里叶反变换,逐步解调出其位相值,重建了被测物体表面的形貌。文中给出了对人体模型的实验测量结果。     

采用标记条纹跟踪的冲击过程三维轮廓术

针对在冲击、爆轰等快变化过程的三维轮廓术中,CCD拍摄速度低于物体的运动速度而导致对动态条纹的时间采样不足和物体表面发生破裂而分成数块的动态过程,提出一种采用标记条纹进行跟踪的动态过程三维轮廓术.以傅里叶变换轮廓术为基础,通过采用标记条纹进行跟踪锁定变形条纹中同级次条纹的变化以及Gerchberg迭代算法在破裂区域迭代生成伪条纹,对破裂表面分块进行处理,有效地解决了在快变化动态过程的三维重建中因时间采样不足和条纹断裂对三维相位场的展开所带来的问题,获得了物体正确的面形分布.实验证实了此种方法的正确性.     

采用双频光栅投影的快速傅里叶变换轮廓术

傅里叶变换轮廓术中通过反正切计算出的相位是截断的,如果被测物高度变化引起的相邻点的非截断相位变化过大,就无法直接进行正确的相位展开。故提出一种采用双频光栅的快速傅立叶变换轮廓术：从一帧条纹图中获取同一物体对应于不同等效波长的两组截断相位,先展开对应于低频的低精度截断相位,并以此为参考,根据双频光栅两个频率之间的关系,展开对应于高频的高精度相位。经过模拟比较,在误差范围内比传统方法恢复的图形有了较大的改善,相对误差率由2．26％下降到1．79％。     

一种非接触式三维形貌测量系统的设计与应用

根据投影栅相位法的基本原理，设计一套包括系统标定、数据采集、三维测量和结果显示等功能的非接触式三维形貌测量系统。与其他测量系统相比，该系统的数据采集过程只需0．5s完成，减少了外界环境和物体本身对测量结果的影响；该系统还可以实现物体表面任意两点的空间直线段测量、体积测量和表面积测量，使测量功能由二维上升到三维。     

基于傅里叶变换的微结构全彩色三维面形重构

分析表明,在傅里叶成像光谱仪的干涉信号中,不仅含有光谱信息,同样也包含三维面形结构信息。因此,本文基于傅里叶变换光谱技术,提出一种彩色三维面形检测方法,不仅可以测量物体表面各个点的光谱反射率分布,还可以获得物体表面三维面形数据,达到三维面形超光谱成像。通过纹理映射将光谱像和三维面形相融合,实现了微结构彩色物体全彩色三维面形数字重构。     

白车身视觉检测系统中多类型传感器全局校准技术

针对白车身视觉检测系统中传感器数量多、种类各异、分布空间大、位置关系复杂等问题,提出了一种适用于工业现场的多视觉传感器全局校准技术。基于坐标系间接统一法,设计多个精密立体靶标作为坐标系转换中介,利用激光跟踪仪获取现场校准数据,在单位四元数数学模型的基础上,求解两坐标系间最优转换矩阵,将固定式传感器和柔性传感器的测量坐标系统一到全局坐标系。该方法已在某企业在线测量项目中成功应用,现场只需完成传感器坐标系与全局坐标系转换关系标定,降低了复杂现场环境对多传感器全局校准的限制,简化了校准过程,提高了环境适应性,校准后检测系统各向测量精度均优于±0.2 mm,满足白车身在线测量精度要求。     

双视角三维测量系统同时标定方法

针对现有标定方法在相机无公共视场情况下的局限性,本文提出使用双平面标定板对双相机进行同时标定的方法。通过推导两个相机与两个标定板间的坐标变换,将待标定相机与参考相机的相对位姿关系的求解转换为较为成熟的手眼标定方程求解。通过实验验证:该方法可实现双相机的同时标定,且方法的绝对误差不超过0.089 mm,较为可靠;在双视角三维测量系统中,与相位-深度的累积误差不超过0.116 mm,可为进一步的数据融合提供可靠的初值。此外,由于本方法灵活方便,可适用于多视角三维测量系统的同时标定。     

用于机器人视觉的大景深便携式三维扫描系统

针对机器人视觉对便携式三维扫描系统的大景深要求,利用Scheimpflug条件对CCD平面进行偏转,成功地将扫描系统的景深从30mm提高到了100mm以上;并根据CCD偏转后的摄像机模型,在理论上完整地推导了便携式集成三维扫描系统的物像关系方程。针对景深扩大后带来的测量精度降低的问题,提出了一种对系统全景深范围进行分段校准的新方法,提高了测量精度与系统分辨率。三维重建时,根据被扫描物体所对应的图像点在像平面上的不同位置分别调用不同的标定参数将二维图像坐标转变为物体的空间坐标,测量精度可以达到0.06mm。     

Three-dimensional optical high-resolution profiler with a large observation field: foot arch behavior under low static charge studies

Our aim is to describe a method for detecting small deformations from a three-dimensional (3D) shape of large lateral dimensions. For this purpose the measurement method is based on the simultaneous utilization of several 3D optical systems and the phase-shifting technique. In this way, the following problems appear: optical distortion due to the large field observed, nonlinear phase-to-height conversion, conversion of image coordinates into object coordinates for each 3D optical system, and coordinate unification of all optical systems. The resolution is 50 microm with a field of view of 320 mm x 150 mm. We used this system to study the 3D human foot arch deformation under low loads in vivo. First results indicate the hysteresis behavior of the human foot under a low load (50 to 450 N).     

基于相位测量的摄像机标定方法

提出一种新的摄像机标定方法,该方法基于2D共面参照物摄像机标定方法和相移技术.首先由摄像机记录已知相位分布的平面,通过相移计算出相位分布.对任意标定平面,两个正交相位分布与平面坐标的对应关系已知,由此可以建立像素坐标与2D平面坐标的一一对应关系.将该已知相位分布的平面在空间中放置不同的位置,分别完成上述测量,即可根据2D共面参照物摄像机标定方法完成摄像机的高精度标定.该方法避开了复杂的标定特征点提取,大大增加了2D标定数据量,提高了标定精度.实验和计算机模拟表明,该方法简单、可靠和精度高.     

自动图像校正原理与方法及在火车导轨图像测量中的应用

提出了一种操作简便的隐参数校正方法。通过校正板上特征点的世界坐标和对应的畸变图像中的图像坐标求出两坐标系之间的转换矩阵元素——隐参数,再由隐参数将被测图像还原到世界坐标系中,得到相当于摄像机在与测量平面垂直并且镜头不存在任何畸变的情况下拍摄得到的图像,并进行图像测量。将此方法应用于火车导轨磨耗图像测量中,现场测试的结果表明,图像校正精度可达0.2 mm,测量系统精度达到0.5 mm,符合标准要求。     

Accurate phase–height mapping algorithm for PMP

In phase measurement profilometry (PMP), the projector can be regarded as another camera according to the reversibility of the light path principle. The relationship of projecting spatial points to image plane of camera and projector is studied, and the phase–height mapping equation without projector distortion is obtained. The equation is then expanded to a polynomial for the convenience of calibration. Furthermore, the relation between the distortion value and the phase is investigated. Finally the phase–height mapping algorithm considering projector distortion and its polynomial expression are acquired. The accuracy of approximation is studied and compared with another two existing algorithms by computer simulation. It is revealed that the absolute error of the new algorithm expressed with quartic polynomial reaches 5.380× 10^?3 mm and its standard deviation reaches 3.354× 10^?4 mm under general lens distortion. The accuracy of the new algorithm is the highest among the three algorithms. In experiment, the standard deviation of the measurement reaches 0.04 mm even though the result is affected by measurement error.     

采用时间相位展开的高度坐标校准方法

在相位测量轮廓术中,需要建立空间相位分布和高度坐标之间的映射关系,这一过程又称为系统校准。本文提出了一种基于时间相位展开的高度坐标校准方法。对于模块校准过程中虚拟平面的连续相位分布的恢复以及它们之间准确相对位置的恢复问题,采用了负指数序列的时间相位展开。该方法具有过程简单的特点,对平面校准的标准偏差为0.20mm。实验结果证明了该校准方法的有效性和可行性。     

多目视觉测量系统的光束法平差改进

为了消除三维扫描测量机器人系统中工业机器人定位误差对测量结果的不利影响,搭建了多目视觉测量系统对三维扫描测头进行空间同步定位。由于系统中相机与标志点之间的距离变化较大,标志点重投影误差难以评价空间定位误差,另外受相机标定精度影响,光束法平差对三维坐标修正不明显。为解决上述问题,本文改进了光束法平差,在传统光束法平差的误差方程中引入摄影比例尺,再将整体参数的优化分为两步,先修正相机内、外参数,再修正被测点三维坐标,以提升系统的三维重建精度。实验结果表明,在对一维基准尺长度的测量实验中,测量结果与参考值之间的偏差小于0.300 mm,标准差不大于0.110 mm,满足三维扫描测量机器人系统的应用需求。     

一种通用的工业机器人位姿检测方法

为满足带有不同末端执行器的工业机器人系统的绝对位姿检测需求,提出一种通用的检测方法。其基本原理是以激光跟踪仪测量固定在机器人末端的4个参考点从而间接测量机器人的绝对位姿,并与指令位姿比较实现机器人位姿准确度和位姿重复性检测;其中,参考点坐标及机座坐标系通过多姿态约束同步标定,并设计非线性标定算法。通过末端带有制孔执行器的KUKA KR210 R2700工业机器人的位姿检测实验表明：该检测方法的准确性可满足机器人位姿检测的需要,且无需特殊的机械工装,具有良好的通用性;基于多姿态约束的非线性标定方法具有良好的鲁棒性,可有效的减小因机器人运动模型不准确引起的标定误差。