精确的线结构光中心提取算法研究

光条纹中心的精确提取是线结构光三维识别系统的重要环节。环境光干扰、被测物表面反射以及图像采集系统所产生的噪声都给光条提取增加了难度。文章提出了一种快速精确的线结构光条纹中心提取法。首先,对图像进行预处理,通过边缘法对结构光中心线进行边缘检测;然后,用均方灰度梯度法确定结构光中心法线方向;最后,对法线方向上像素进行灰度加权,从而精确提取出结构光条纹中心。实验结果证明,该算法光条纹中心的提取精度达到了亚像素级别。     

光切法形貌测量中光条中心的亚像素提取

为了在光切法三维形貌测量中快速准确提取光条的中心位置,保证测量精度,研究了一种光条中心的亚像素提取方法。将图像的灰度视为关于坐标的二维函数,在CCD拍摄的激光光条图像中求取灰度的偏导数和梯度,图像中每一点的梯度代表此点的灰度变化方向,将此方向简化为光条上的点的法线方向。对梯度的大小设定阈值并结合该点的灰度信息,提取图像灰度变化最激烈的部分,即光条饱和带的像素位置。对光条饱和带的每个像素,按照不重复计算的原则在梯度方向上和规定邻域内求灰度中心,得到精确到亚像素级的光条中心位置。此方法将光条曲线的法线方向简化为灰度的梯度方向,省去了求海赛矩阵以确定法向的步骤。实验证明,同等条件下,该方法的计算耗时为常规亚像素提取方法的10%。利用该算法进行实际测量,在200mm×200mm测量范围下,误差(3σ)为0.057mm,满足了测量对精确性和实时性的要求。     

一种多结构光条纹亚像素中心提取方法

在使用结构光方法进行工件或物体的三维信息快速测量中,需要对工件或物体投射多条结构光条纹,快速准确地提取各投射光条的中心是实现精确检测的关键问题之一。文中提出了一种多结构光条纹亚像素中心提取方法,首先扫描整个图像确定光条数目;接着提取各光条的边缘坐标信息;最后利用高斯拟合求取各光线条纹的亚像素中心。实验表明,该方法能有效识别多结构光条纹并提取其亚像素中心。     

连铸坯三维测量多线结构光的中心条纹快速提取

在利用多线结构光系统对大尺度连铸坯进行三维测量的过程中,线结构光中心条纹的提取精度是影响三维测量精度的重要因素。提出了一种对传统灰度质心方法进行优化的多线结构光中心条纹提取方法。对连铸坯表面激光横截面不满足高斯分布的线结构光条纹,利用图像背景差分的方式去除环境噪声,并根据线结构光条纹与背景间的灰度变化信息确定线结构光的边界,同时提取线结构光的感兴趣区域。根据光条在梯度方向上的灰度积分比例计算灰度质心法的自适应灰度阈值,利用灰度质心方法处理感兴趣区域提取出光条中心点,最后结合附近半径为5个像素的邻域内所定位的中心点进行质心重提取,获得连铸坯表面光条的亚像素中心坐标。现场测量结果表明：对反射特性不均匀的连铸坯表面的激光条纹光条中心进行提取,最终连铸坯边缘轨迹点的三维测量结果标准偏差在2 mm以内,该方法具有精度高、速度快、鲁棒性强的特点。     

鞋底信息扫描的光条中心提取方法研究

为了精确提取鞋底激光光条中心,首先对原始的激光光条图像进行了高斯滤波处理,有效去除了图像噪声,然后采用自适应阈值算法提取了激光光条中心。该方法在利用极值法得到光条的近似中心之后,在光条近似中心小区域内采用重心法计算,实现了激光光条中心的提取。实验结果表明,该算法能够准确地提取出光条中心,具有很强的抗噪声能力。     

钢轨磨损视觉测量的轮廓精确快速提取

为保证钢轨磨损动态视觉测量的高精度,综合图像获取和图像处理技术,实现了清晰光条图像获取和光条中心点亚像素坐标精确提取。根据光条与背景环境亮度的高对比度,提出一种依据光条亮度的相机自动曝光法,用于获取清晰的光条图像;分析图像光条法线方向的亮度衰变特征,采用动态阈值分割法初步提取光条,滤除图像背景的同时保留光条法线方向的亮度衰减信息;根据图像过度曝光信息确定光条中心点像素大致位置,再对分割的光条图像相对应像素位置点计算Hessian矩阵,获取光条中心点的亚像素坐标。采用MFC编写应用程序进行试验,在不同光照环境和背景物的干扰下,该方法可精确地提取光条中心,与经典Steger算法相比提取精度偏差为0.05pixel,运算时间节约40%。试验结果验证了该方法稳定性好,有较强的抗干扰能力,较好地满足钢轨磨损测量的现场要求。     

钢轨磨耗动态测量中激光光条中心的快速提取

针对钢轨磨耗动态测量中激光光条中心快速精确提取的问题,提出一种卡尔曼滤波和Hessian矩阵相结合的激光光条中心快速提取方法。首先,利用卡尔曼滤波实时预测钢轨磨耗动态测量中激光光条在图像中所在区域;然后,在预测的激光光条区域内,逐行搜索图像灰度最大点,将该灰度最大点作为激光光条图像中心的初始位置,在激光光条图像中心初始位置处利用Hessian矩阵计算得到光条中心的亚像素图像坐标;最终实现在激光光条区域内光条亚像素图像中心的快速提取。该方法显著减少了搜索区域及高斯卷积的数目,提高了激光光条中心提取的鲁棒性及速度。实验结果表明,在保证激光光条提取精度的前提下,每帧提取时间可达到1.6 ms。     

面向重建的结构光中心快速提取方法

在逆向工程的非接触光学测量系统中,准确、快速提取光条中心是保证获取实物表面形状数据精度和算法实时性的关键因素。根据激光强度符合高斯分布和光条边界的连续性特点,对传统的光条中心提取方法进行改进。考虑光条在图像中的形状和分布特征,通过从图像的不同位置和方向扫描得到光条中心,并比较了不同扫描方法所用的时间。利用本文方法重建了动车轮毂的三维轮廓。实验结果表明,本文方法比传统方法有明显提高,具有较强的实用性。     

一种基于双目立体视觉的激光线扫描技术

针对线结构激光扫描系统标定成本高,而双目立体视觉测量中立体匹配难的问题,提出了在双目立体视觉的原理上,结合线结构激光扫描的方法实现对被测物体的三维测量。该方法采用张正友相机标定方法对系统进行立体标定;采用BOUGUET’S法对左右相机图像进行立体校正;运用重心法进行激光中心线的精确提取。在图像校正的基础上,可快速实现激光中心线位置的立体匹配;再结合线扫描原理可完成对物体的扫描工作。最后,使用该系统对具有复杂自由曲面的鞋楦进行测量,结果表明:该方法能快速准确地测量出符合要求的三维数据。     

基于线结构光的空间圆几何参数测量方法

在双目视觉测量中,针对工件圆孔边缘特征点难以寻找,提出了把线结构光与圆孔边缘的交点作为特征点的方法,有效避免了匹配困难的问题。首先提取圆孔边缘像素点,根据最小二乘法拟合椭圆方程,在圆孔边缘上打出多条线结构光,提取工件表面上的激光条纹中心,并拟合出直线方程,联立两个方程,得到圆孔边缘点的像素坐标,结合两相机的内外参求出该边缘点的空间三维坐标,最后利用空间圆的几何特性拟合出圆孔的中心坐标和半径值。通过实验验证了该方法简单易行,灵活性高,精度较高。     

结构光直线光条图像特征的三步法提取

提出一种三步法直线光条图像特征自动提取方法。计算光条各点的HESSIAN矩阵以确定其法线方向,在法线方向利用泰勒级数展开求得光条中心点的亚像素图像坐标,利用光条中心点的空间位置连续性约束,将相邻光条中心点连接成曲线。采用直线近似方法将曲线拆分为独立直线。将位于不同独立直线上的共线点进行融合,构成新的融合直线,通过融合直线长度约束和近似直线的角度约束,分割出单一直线光条的中心点,采用最小二乘直线拟合方法得到结构光直线光条的方程。通过对真实图像的试验,结果表明,提出的三步法直线光条提取方法,能够自动提取出复杂背景中的直线光条,为线结构光视觉测量的现场应用奠定基础。     

基于遗传算法的结构光条纹中心检测方法

为提高结构光三维信息获取系统的精度,提出了一种激光条纹中心检测算法.该算法基于遗传算法并具有优化图像阈值选取的性能,可以很好地分割激光条纹.利用图像处理和方向模板的方法,在激光条纹的基础上进一步提取激光中心线.实验表明在合理选择遗传算法的交叉率和变异率的情况下,能够准确有效地获取结构光条纹中心,满足系统精度的要求.     

基于激光同步扫描图像的三维景物纹理映射

本论文分析了目前三维景物纹理映射的主要技术方法和存在的问题.本文以清华大学自主研发的三维激光与可见光同步扫描系统TH-3DLCS-2001为平台,提出了基于激光同步扫描图像的三维景物模型纹理映射方法.传统纹理映射方法中相机参数无法准确获知,限制了纹理映射的准确性.对此,在本文提到的方法中首先对同步扫描图像和三维激光扫描数据进行配准,估计相机内外参数,然后利用激光同步扫描图像作为中介,采用两步法进行高分辨率图像与激光扫描数据的全局和局部误差估计,最后在高分辨率纹理映射过程中进行反向误差补偿.实验表明本文提出的纹理映射方法是可行的,并且能够显著提高纹理映射的精度.     

双目视觉测量中等匹配点的光条中心提取

为了精确、快速提取激光条中心,使其提取结果更适用于工业现场特征尺寸的双目视觉测量,提出了一种等匹配点的激光条中心提取方法。利用灰度重心法粗提取出激光条中心点,计算灰度梯度方向,确定光条边界。接着,根据左右图像中激光条的粗提取结果确定基准光条,对另一幅图像中的对应光条进行插值。然后结合灰度梯度方向与插值结果对激光条进行重提取,得到等匹配点的亚像素中心坐标。最后,利用激光条中心点提取结果重建陶瓷平板、金属板表面及加工现场锻件表面的特征信息。实验结果表明,本文方法提取陶瓷板与金属板的激光条中心点的匹配率分别为99.887%与98.276%,宽度重建的相对误差分别为0.638%与0.488%,激光条中心提取结果能有效重建锻件表面的特征信息,满足工业现场对测量的精度、速度和鲁棒性要求。     

线结构光条纹中心全分辩率精确提取方法

线结构光三维坐标测量中,激光条纹中心的提取直接影响测量的分辩率与精度。本文提出了基于灰度阈值法提取条纹全分辩率初值中心,在初值处应用灰度梯度计算光条纹法向,最后在条纹法线方向精确计算光条纹能量中心的方法。实验结果表明,该方法有效地避免了被测体曲率变化大反而提取数据密度小的问题,提高了光条纹受被测物体表面调制后,条纹中心提取的精度,实现了条纹中心的全分辩率精确提取。     

基于激光线扫描三维重构的扩径管道直径及圆度测量方法

为了提高管道在扩径过程中圆度和直径的测量精度及效率,设计了一套基于激光线扫描三维重构的管道直径及圆度测量系统。系统利用激光线扫描传感器对管道外轮廓进行点云数据采集,结合上位机对图像数据进行滤波、去噪及分割,实现扩径管道外轮廓的三维重构,并利用最小二乘法计算重构的扩径管道直径和圆度。实验结果表明,该系统能够实现扩径管道直径及圆度的精准测量。     

基于二维平面靶标的线结构光标定

为实现对线结构光的高精度标定,提出一种新的基于二维平面靶标的线结构光标定算法。首先拟合图像坐标系下光条直线方程,通过图像坐标系与相机坐标系的转换关系求解相机坐标系下在图像中的光条直线方程;求解过相机坐标系原点与此直线所确定的平面方程,之后确定二维靶标平面在相机坐标系下的平面方程,此两平面的交线即为标定板上的光条直线在相机坐标系下的方程;每幅标定板图像均做以上处理,通过最终提取出的多组光条中心线拟合激光平面方程。实验表明,在一般的实验环境下,此算法弥补了以往算法的标定点少的缺陷,具有高精度和操作简便的优点,最大差值为0.006 mm。     

激光致熔池图像获取及质心提取方法研究

激光焊接已广泛应用于航空航天、汽车、船舶、医疗器械等领域关键部件的制造。为保证焊接质量,可使用工业CCD相机在焊接过程中实时检测熔池中心与焊缝间的偏差,并根据偏差进行调整。因此,首先要对激光致熔池获取和质心提取方法进行研究。由于激光焊接中熔池温度高,应用工业CCD相机直接拍摄熔池的图像无法进行图像处理。为拍摄熔池清晰图像,在对熔池辐射光线特性进行分析的基础上,结合工业CCD光谱响应特性,确定合适的采集熔池图像所需光谱波长范围。应用镜头前放置了所求波长滤光片的工业CCD相机,拍摄直接作用在304钢板上的激光致熔池图像,并对熔池边缘识别和熔池质心计算方法进行了研究。实验表明,所提出激光致熔池提取方法及质心计算方法有效。     

反求激光条纹中心的提取方法研究

在多关节三维测量仪的研究中，为了能较好的排除环境光干扰，提高光条中心的提取精度，作者提出了一种结合梯度法改进的阈值法和重心法相结合的光条中心提取算法。并且在实验室制造的HRE—Ⅰ型三维激光扫描仪上进行实验。最后，通过实验的方法证明该方法具有好的鲁棒性，排除了环境噪音的影响，提高了图像的清晰度，精度达到亚像素级。     

应用虚拟像平面方法的圆柱表面单目重建*

针对圆柱表面重建问题,采用单面阵相机和线结构光构成视觉系统。该视觉系统采用虚拟像平面相机模型,通过构建虚拟像平面上的虚拟投影图像去除畸变的影响,通过虚拟像点和相机光心确定投影射线。提出该模型下相机光心的定位方法;利用两个平行平面上的结构光条的虚拟图像实现结构光的标定。利用线结构光在圆柱表面的光条为空间中一条椭圆弧的特性,首先计算出光条点在结构光平面上的坐标,由此提取出椭圆特征;再利用椭圆的短轴长为圆柱直径的特性获得圆柱的空间方程,实现圆柱定位;最后利用光心和虚拟像点在标定平面的投影点确定投影射线,计算出虚拟像点在圆柱面上的投影点坐标,构成柱面点云,并恢复出圆柱表面图像。实际实验中该视觉系统的测量精度达到双目视觉系统的水平,说明了虚拟像平面方法的有效性。