基于双目立体视觉的大范围光笔测量系统研究

针对先进制造业对大型工件大范围精密尺寸的测量需求,根据双目立体视觉测量原理,设计了一套光笔式大视场三维测量系统,并对其中的关键技术进行了深入研究。该系统主要由贴有编码标志点的光笔、CCD相机、便携式三脚架、大型十字标靶和安装有测量软件的计算机组成。利用编码标志点易于识别、且具有唯一身份信息的特点,设计了操作简单、使用方便的光笔,解决了复杂场景下光笔难以识别和大视场下基于双目立体视觉测量系统难以实现高精度测量的难题。试验结果显示,该测量系统在2~6m的测量距离内测量误差0.2mm,能够满足大型工件的高精度现场测量要求。     

大视场远距离视觉测量系统的分步标定

为了克服工程大视场标定精度不高、标靶加工难度大以及现场操作繁琐的问题,本文基于工业近景摄影测量基本原理提出一种大视场多相机内、外参数的分步标定方法。首先,根据相机透视投影模型,在近距离采用小幅面标靶和角锥体法完成相机前截面内参数的解算;然后,在远距离被测空间内布置若干编码标志点,利用多片后方交会原理计算得到相机外参数;最后,对相机内、外参数进行整体光束平差优化,实现精确标定。为验证该方法的可行性和精度,进行了大视场视觉测量实验,测量结果表明本文标定方法的重投影误差小于0.08像素;外场试验实测10 m直升机旋翼总距角的相对误差小于0.1°。该方法可实现相机内参数标定实验室进行、外参数标定外场完成的操作分离。     

大视场多像机视频测量系统的全局标定

针对大视场多像机视频测量系统的全局标定,提出并实现了一种基于近景摄影测量技术的高精度像机标定方法.首先,设计一种带有标志点的十字架形标定参考物,十字架正反两个表面粘贴有环形的编码标志点和圆形的非编码标志点.然后,在现场用工业摄影测量系统XJTUDP重建出双面标定十字架的精确结构尺寸数据;将标定十字架在公共视场范围内依次摆出多个姿态,并控制多像机同步拍摄各姿态的图像.最后,为大视场像机选择10参数非线性成像模型,对采集的图像组依次进行标定运算,标定出各像机的内参数和畸变参数,并全局定向出各个像机在统一坐标系下的外方位参数.实验结果表明,该标定方法的重投影误差小于0.05 pixel;利用标定结果测量高精度标准尺长度,相对误差小于1/4 000,可满足大视场多像机视频测量对精度和效率的要求.     

基于双目立体视觉的齿轮端面高度测量方法

为了实现齿轮端面高度的高精度非接触式测量,提出基于双目立体视觉的齿轮端面高度测量方法。创新性地使用可滑动固定基线距离的单目CCD相机代替传统的双目相机获取齿轮双目图像。在获取双目图像后,通过双目相机标定实现齿轮图像立体矫正。基于改进的SGBM算法对矫正后的双目图像进行立体匹配,获取视差图和相机坐标系下平面三维坐标点,对上下平面的三维坐标点进行最小二乘拟合,从而获取上下平面的深度信息,上下平面深度相减即可实现齿轮端面高度的测量。使用直齿轮进行了视觉测量实验,实验结果表明,提出的测量系统及方法具有较高的精度和稳定性。     

构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉标定

为了提高立体视觉系统在大视场下的测量精度,基于误差溯源思想提出了一种构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉系统标定方法,克服了大尺寸高精度标定物难以制造等问题。对影响立体视觉系统测量精度的主要因素进行分析,列出视觉测量系统的误差溯源链,解析了大视场视觉系统精度瓶颈的原因。借助激光跟踪仪,运用非线性最小二乘单位四元数算法求解坐标系刚体变换,获取大范围高精度的空间点阵,构建虚拟靶标。在相机畸变模型中考虑了三阶径向畸变和二阶切向畸变参数,并使用Levenberg-Marquardt迭代算法进行标定参数求解,进一步提高系统精度。实验构建了一套测量空间约为4m×3m×2m的双目立体视觉系统,通过对某型号高精度直线导轨进行点距测量,在测量距离3m处,152组不同长度的横向距离测量的误差算术均值为-0.003mm,误差标准差为0.08mm。测量精度相较于传统的平面标定法有较大提升。     

光笔式大视场三维视觉测量系统

针对先进制造业对大型装备大范围精密尺寸测量需求,根据双目立体视觉测量原理设计了一种光笔式大视场三维视觉测量系统.基于透视投影变换下的时针顺序和共线性不变量设计了光笔特征点空间分布模式,实现了特征点的准确识别与接触探头坐标的计算.应用双目立体视觉传感器的透视投影和齐次坐标三维测量模型,以一维基线尺靶标自由移动和基准长度约束为核心,通过本质矩阵E的线性求解结合非线性优化实现了其结构参数的现场精确标定.研制了由光笔、双目立体视觉测量系统、便携式三脚架、一维基线尺靶标和测量软件构成的大视场三维视觉测量系统,完成了机器人本体表面三维数据的稠密测量实验,在7 m×4.7m测量范围内系统的测量精度优于0.2 mm.实验显示设计的光笔式大视场三维视觉测量系统在光笔结构、发光点识别方法和系统标定方法上均具有新的思路.     

飞机结构件运动数据的动态视觉测量系统

基于近景摄影测量理论和立体视觉技术,提出并实现了一种针对机身结构件在飞行状态下的轨迹、姿态、位移、变形等多种运动数据的动态视觉测量方法.研究了基于工业近景摄影测量的多相机快速自标定方法;飞行状态下相机动态定位及抖动消除技术;刚性结构件的运动轨迹及姿态的快速求取和通过多相机(≥3)协作实现非编码标志点阵列的精确匹配等多项关键技术.在模拟飞行环境下的实验结果表明,相机标定的重投影误差小于0.03 pixel,系统的运动轨迹姿态测量精度可达0.01 mm/1 m,关键点位移变形测量精度可达0.05 mm/1 m,基本满足飞机测试行业的精度和可靠性测量标准.     

基于张正友平面模板法的双目立体视觉系统标定

为验证基于张正友平面模板法标定双目视觉系统方法的准确性与合理性,首先分析了双目立体视觉系统的原理,然后论述了双目立体视觉的系统标定原理、方法,以及利用张正友平面模板法进行标定的步骤,通过标定双目立体系统的内部参数和外部参数,应用视差原理,能够确定空间某点的三维坐标,实验验证了文中提出的基于张正友平面模板法标定双目视觉系统方法的准确性与合理性。     

接触线双目视觉测量系统标定及立体校正方法研究

由于单个相机的镜头焦距和像面中心位置均存在偏差,且镜头成像存在畸变,而双目测量系统的两个相机的相对位置参数也不可避免存在误差,这将直接影响双目测量结果的可靠性与精度。因此,必须对每个相机的参数及两相机的位置关系进行精确标定。利用张正友的平面模板两步法对相机的内参数矩阵、外参数矩阵、镜头畸变参数和两相机的相对位置关系进行标定;然后,基于所得到的标定结果,应用bouguet立体校正方法对两相机拍摄的一对图像进行校正。实验结果表明,两相机的平均重投影误差均小于0.2个像素,达到了比较理想的标定精度。而且,通过bouguet立体校正,可使得非共面、非行对齐的一对图像实现共面和行对齐,充分证明了标定结果的准确性与可靠性。对接触线及类似目标的双目测量系统设计开发与标定提供了重要参考与理论依据。     

空间点的立体视觉传感器标定方法

给出了一种基于随机空间点的立体视觉传感器高精度标定方法.该方法无需求解单个摄像机的内外参数,而是将立体视觉传感器透视变换矩阵中的元素作为未知量,当已知一组由高精度三坐标测量机提供的三维空间点坐标及其对应的图像点坐标时,即可利用奇异值分解法求解出各未知量的最小二乘解,从而避免了使用各类标定模板时由于加工和测量误差引入的标定误差.最后用标定过的立体视觉传感器对一组随机空间点进行三维坐标测量,与坐标测量机给出值进行比较表明,在误差最大的X轴方向,测量误差＜0.05 mm,在Y轴和Z轴方向,测量误差＜0.01 mm,证明了该方法的有效性.     

高速列车动态包络线测量一种现场快速标定方法

列车动态包络线是评定列车安全运行的一项重要指标,基于双目立体视觉的方法是目前能够实现速度超过200 km/h列车动态包络线测量的唯一方法.因受到大视场和标定时间的严格限制,便携的标定设备、易于搭建的靶标和快速的标定算法便成为标定过程需要满足的三个条件.本文提出一种新的基于双目立体视觉的大视场现场快速标定方法,设计轻型便携靶标,靶标上40个反光标记点表示铁轨坐标系,并用于计算双相机内外参数.并且,双相机仅需同时拍摄一张靶标图像,就能实现双相机内外参数快速一体化标定.实验结果表明,该方法测量精度可达±1 mm,能够满足高速列车动态包络线测量现场标定要求.     

A novel way of understanding for calibrating stereo vision sensor constructed by a single camera and mirrors

As a kind of binocular stereo vision system, stereo vision sensor constructed by a single camera and mirrors (SSCMs) has been paid increasing attention for three-dimensional measurement applications due to its low cost, high efficiency and synchronization. Currently, the existing model for SSCM considers the real camera as two half-Field-of-View (FOV) virtual cameras formed by reflection effects of the mirrors. The calibration methods based on this conventional model are either complicated to operate or deriving non-identical system parameters. To solve the problem, a novel model and the corresponding calibration approach are presented, which take the sensor as an integrated structure with the viewpoint that the camera captures two virtual points formed by the same object point due to the reflection effects of the mirrors. Also, the calibration and the measurement accuracy evaluation functions are discussed. Both simulated and real experiments compare the calibration and the measurement error of the proposed method with the two traditional methods. The results show that the proposed approach has higher measurement accuracy and more robust than the traditional methods, which meet high-precision requirements for low-cost three-dimensional measurement applications.     

双目立体摄影测量中的标定方法

针对立体摄影测量中的双目立体摄影测量,利用透视变换方法及矩阵转换知识建立了双目立体摄影测量系统的空间三维坐标数学模型,提出一种不需要迭代求解摄像机参数的标定方法,避免了迭代算法收敛速度慢、耗时多的缺点。该标定方法只需对标定板在不同角度拍摄一组图像,在无需控制任何运动参数的情况下,通过成像过程中不同坐标系之间的转换,实现了像素坐标与基准坐标之间的直接转换。该算法快速、精确、简便。实验结果表明,该标定算法可达到相对误差为0．2的精度。     

立体视觉和三维激光系统的联合标定方法

双目立体视觉和三维激光扫描是移动机器人环境探测与建模的常见传感测量方法。为实现两个系统的数据融合应用,必须为二者的测量坐标系建立数学关系,即对其进行传感器之间的位姿联合标定。为此提出了一种基于三维特征点距离匹配的联合标定新方法,设计了一种镂空棋盘格作为标定板。使用双目立体相机提取棋盘格角点三维坐标信息,使用激光测距雷达扫描获取镂空区域中心点三维坐标,最终通过最小化两组特征点的理论与实际测量距离的平方差获取两传感器坐标系之间的旋转矩阵和平移向量。进行的联合标定测量实验结果表明了该方法的准确性和可靠性。     

火箭喷管运动视觉测试精度的校准与实验

基于新型双轴摇摆直线升降运动校准装置,提出了一种喷管运动视觉测量系统的校准方法。首先,将校准装置提供的摆心、摆角的标准值与视觉测量系统的测量值在空间上对应起来,通过校准装置提供给喷管模型2次不同轴的摆动,推导出视觉运动测量系统的世界坐标系与喷管摆角坐标系之间的位姿关系。然后求解出二者位姿矩阵和平移向量,在视觉运动测量系统中建立喷管的摆角坐标系;通过时间同步系统向校准装置和视觉运动测量系统发送同步时间基准信号和同步触发信号,同步二者的采样时间,实现标准值与测量值在时间上的对应关系,完成摆动动态数据的直接比较。最后对喷管运动视觉测量系统进行了校准实验,分析了喷管在±12°的摆动空间内不同位置的摆心、摆角的测量误差。实验结果表明,在运动范围内摆角的最大测量误差为0.093°,摆心的最大测量误差为0.832mm。     

大视场双目视觉传感器现场标定方法

针对大视场视觉测量应用,分析了摄像机和双目视觉传感器的数学模型,提出了一种基于基线尺的大视场双目视觉传感器标定方法。在测量空间内任意多次摆放基线尺,两摄像机拍摄基线尺图像。利用基本矩阵及基线尺上两特征点之间距离的约束,采用线性解和非线性优化方法结合同时估计摄像机的内部参数以及双目视觉传感器的结构参数。该标定方法操作简单,标定效率高,无需初始参数即可估计双目立体传感器的全部参数。实验结果表明该方法在6000mm×4500mm的范围内可以达到0.06mm的测量精度,适合双目立体视觉传感器的现场标定。     

基于虚拟立体视觉的气液两相流三维测量系统的标定

研究了基于虚拟立体视觉的气液两相流三维测量系统的标定技术。首先,基于单台高速摄像机和两组反射镜组构建虚拟立体视觉测量系统,建立高速摄像机透视投影变换模型以及虚拟立体视觉三维测量模型,对虚拟立体视觉系统中摄像机及虚拟立体视觉传感器进行标定。用靶标基准球模拟气泡在水中的分布,以其空间距离作为测量评价指标,比较了不同标定方法对三维重建精度的影响。实验结果表明,将标定参照物置于水箱内,并且分别对左、右虚拟摄像机及传感器进行标定,三维重建精度最高,测量空间距离绝对误差优于0.13 mm,相对误差优于0.49%。实验认为,对基于虚拟立体视觉的气液两相流三维测量系统进行标定时,必须充分考虑折光分光光路以及管壁折射对三维重建所带来的影响。     

基于单目摄像机的光学立体标定技术

为了构建一种基于单摄像机的三维视觉系统,提出了重构光学标定点三维坐标、计算重构误差和优化标定参数的方法。通过移动高精度位移平台,构建三维视觉系统,计算左右摄像机位的初始参数,引入质心坐标法计算两摄像机位间的旋转平移矩阵,利用最优三角剖分法重构光学标定点的三维坐标,计算并最小化重构误差,对标定参数进行优化。实验表明：重构误差直接反映了三维重建的效率,该方法的精度和鲁棒性得到了显著的提高;实物外形测量的误差从0.1123 mm减小到0.0191 mm,标准差从0.1838减小到0.1275。该方法适合应用于三维视觉系统标定质量的评估。