大型自由曲面移动式三维视觉测量系统

本文介绍了一种移动式三维视觉测量系统，用于大型物体自由曲面的测量。传感器采用双目立体视觉方式，并结合编码结构光技术，使匹配过程简化。传感器移动到大型物体周围对各局部区域进行测量。采用一个平面靶标作为中介，建立了传感器位姿变换矩阵的优化目标函数，根据靶标上多个特征点求解出该矩阵，即拼接矩阵。传感器在各个位置所测三维数据通过拼接矩阵统一到全局坐标系下。视觉测量系统在2个位置对维纳斯石膏像进行了测量，并进行拼接。结果表明，该测量系统操作简单，适用范围广；x、y、z坐标拼接RMS误差分别为0．038mm、0．022mm和0．135mm。     

基于空间编码投影法测量三维大物体面形

三维图像拼接技术是实现大型物体形貌测量的关键技术。本文在图像控制点约束的基础上,提出了一种实现三维图像拼接的新方法,即将一伪随机空间编码投射到一大型物体表面,然后用CCD在不同视角拍摄不同视场中的物体,利用重叠区域相同的某一窗口特征点进行配准,采用四元组法求取坐标转换矩阵,从而实现大范围自由曲面三维形貌的测量。实验结果表明：基于空间编码的图像拼接新方法,可以实现大尺度三维面形的测量。     

应用空间编码投影法测量三维大物体面形

三维图像拼接技术是实现大型物体形貌测量的关键.本文在图像控制点约束的基础上,提出了一种实现三维图像拼接的新方法,即将一伪随机空间编码投射到一大型物体表面,然后用CCD在不同视角拍摄不同视场中的物体,利用重叠区域相同的某一窗口特征点进行配准,然后采用四元组法求取坐标转换矩阵,从而实现大范围自由曲面三维形貌的测量.实验结果表明:应用空间编码的图像拼接新方法町以实现大尺度三维面形的测量,拼接数据相对误差＜0.8%.     

大型物体自由曲面测量技术研究

本文针对大型物体自由曲面测量中,传感器单元测量区域小等问题,提出了一种基于粘性目标实现空间图像拼接的方法.采用基于旋动理论,利用相邻图像块中三个粘性目标的空间位置信息确定视觉测量系统姿态的变化,完成空间图像块的拼接.相关实验表明,基于粘性目标实现空间三维图像数据的拼接是可行的,拼接数据空间点距离的相对误差小于0.6%.     

便携式激光扫描三维形貌测量系统

介绍了基于双目立体视觉的便携式激光扫描三维形貌测量系统,该系统的测头部分安装了5个激光器,将 扫描速度提高了5倍,而且采用两个摄像机同时摄取扫描激光光条图像,避免了对投射激光的标定过程。根据立 体视觉原理,经图像匹配,可计算得到光条上所有点的空间位置和深度,即被测空间曲面的三维信息。阐述了非 接触三维形貌测量的原理和方法,试验结果证明了系统的可行性和适用性。     

采用光学定位跟踪技术的三维数据拼接算法

为了实现大型自由曲面的三维面型测量,提出了采用光学定位跟踪技术的数据拼接方法。平面靶标作为中介,固定在测量系统上,靶标上的特征点在测量坐标系中的坐标通过中介坐标转换法获得。利用双目立体视觉构建跟踪定位系统,并以跟踪坐标系为全局坐标系,获取平面靶标上特征点的三维全局坐标,求得测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵,将测量传感器在不同位置下所测的各子区域的三维数据统一到全局坐标系下,完成大型自由曲面的全局测量。对平面靶标上100个点进行两次测量,实验结果表明：单次测量精度为0.08mm,拼接均方误差小于0.237mm。该方法操作简单、可行,能满足一般的精度要求。     

结合线结构光立体视觉和条纹反射法的三维轮廓检测系统

三维轮廓检测能力决定了光学自由曲面开发的进度和应用的范围。基于条纹反射法检测原理提出了一种结合线结构光立体视觉和条纹反射法的三维轮廓检测系统。该系统主要用于光学自由曲面轮廓的检测,以立体视觉测量得到的光学自由曲面轮廓数据作为初值,结合相位测量偏折法测量数据的迭代,得到精度更高的光学自由曲面轮廓测量结果。实验结果表明,该系统可测量直径为300 mm、倾斜角范围为±20°的自由曲面光学元件,系统的复合测量能力强,光学自由曲面的测量不确定度小于±1μm。     

基于单经纬仪的视觉测量三维数据拼接方法

本文针对大型自由曲面三维视觉测量中的数据拼接问题，建立了经纬仪透视投影模型，提出了以平面靶标为中介坐标系，以经纬仪坐标系为全局坐标系的三维数据拼接方法。在大型自由曲面的若干测量子区域附近放置一个平面靶标，通过视觉传感器拍摄平面靶标上的特征点，求得视觉传感器坐标系到靶标坐标系的变换矩阵；通过经纬仪观测靶标上的特征点，求得靶标坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。因此，可求得视觉传感器坐标系到经纬仪坐标系的变换矩阵。将视觉传感器所测得的各子区域的三维数据统一到了经纬仪坐标系下，即完成了大型自由曲面的全局测量。经实验验证，数据拼接的RMS误差小于0．487mm。     

大面积形体的三维无接触精确测量的研究

对大面积形体实现高精度三维无接触检测,是三维检测技术研究的难点和热点。提出了基于编码标志点的框架拼接法,采用数码相机三维重构与结构光三维扫描技术相结合的方法,实现了大面积形体的三维精确测量。阐述了大面积形体测量拼接框架构造的基本原理,对其中的关键技术如数码相机的标志点三维检测与重构,局部点云与空间框架的拼接进行了介绍,并给出了检测实例。实验表明该系统具有操作方便、测量范围大、测量精度高等的特点。     

采用立体视觉实现子孔径拼接测量的工件定位

为了实现大口径光学元件的子孔径拼接干涉测量,提出了采用立体视觉进行光学元件位姿测量的方法,建立了基于双目视觉的子孔径拼接测量系统。介绍了圆形子孔径拼接干涉测量的原理,基于齐次坐标变换分析了其对工件定位的要求;引入了立体视觉辅助测量系统,建立了通用测量模型,利用双目视觉获取不同子孔径测量时与工件刚性连接的特征点的三维全局坐标,在完成全部子孔径测量后利用四元数法求取各子孔径相对于全局坐标系的转换矩阵,然后利用优化拼接算法将各子孔径数据统一到全局坐标系下,完成大口径光学元件的全局测量。最后利用该系统实现了对口径为150mm平面和100mm球面的检测。实验结果证明,在本系统中,立体视觉系统平移定位精度优于0.1mm,转动测量精度优于0.01°,可为优化拼接算法提供一个有效的初始值,该方法能够快速给出各子孔径间的相对坐标变换且不产生误差累积方法简单且可靠。     

大孔径管道4自由度内部检测机器人系统

从结构、控制系统及软件结构等几个角度介绍一种大孔径管道内部检测4自由度机器人系统原创设计方案。由于独特的可变性结构设计,使该机器人能够根据不同规格的被测对象,自动调整本体结构,使其检测有效范围在φ550～1000之内。该系统能够快速完成大型管道内整体三维表面数据采集,在此基础上在线给出表面品质特性分析报告及任意位置内部直径高精度的测量结果。在机器人控制系统的设计中为了克服环境振动干扰对系统检测精度带来的影响,提出自适应振动干扰控制策略,为检测装备在噪声环境下保证检测精度提供了一种有效的解决方案。该系统的软件集数据采集、数据处理、模型构建及表面品质评估功能于一体,而且界面友好操作方便。系统的激光扫描精度可达0.002mm,与高精度内径千分尺检测结果比较差值小于0.005mm。     

快速成型技术三维激光扫描测量方法的研究

为适应新时代对现今产品少量多样化的需求 ,如何运用新的测量技术 ,快速将产品的3- D外形数字化 ,建立成 3- D CAD图档 ,便成为逆向工程关键的技术之一。本文利用非接触式3- D测量探头 ,采用线激光及双 CCD采集技术 ,建立一套逆向工程测量系统 ,快速将样品的3- D外形数字化 ,并利用边缘检测、滤波技术和曲线、曲面处理建模重构技术 ,建立 3- D曲面模型 ,缩短了产品的设计时间。     

成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法研究

在中医舌诊的客观化研究中,舌面的彩色三维数据能为医生提供更全面的信息,提高诊断的准确性。提出了一种基于成像光线追踪的舌面彩色三维成像方法。在成像光线追踪模型的基础上,引入光平面约束,以准确确定成像点到空间测量点的映射,结合2个线结构光传感器的扫描测量,分别获取舌头上表面及下表面完整的三维信息,并根据空间测量点到成像点的映射,完成颜色渲染,获取对应测量空间点的颜色信息。设计并研制了舌面彩色三维成像系统,进行了测量及精度验证实验,实验结果表明该方法可以准确获取舌面的彩色三维信息。     

机械零件三维形貌的光栅投影测量系统

建立了一种基于虚拟复合光栅的三维形貌测量系统 ,利用两种频率光栅的合成投影 ,实现物体表面突变部分的测量。测量系统适用于机械零件的三维形貌检测 ,并且得到令人满意的测量结果。     

基于彩色条纹投影术的三维形貌测量

物体表面三维形貌数据的获取在智能制造、航空航天、文物保护、医疗卫生、远程教育等领域有着广泛的应用。三维形貌数据的获取受限于系统硬件的性能,特别是现有数字投影系统的投影速度,无法快速测得物体面形的三维形貌。彩色成像和投影系统的出现,为并行多颜色通道三维成像系统提供了新的研究方向。详细综述了基于彩色条纹投影术的三维形貌数据测量研究的现状。具体包括彩色条纹投影术的基本原理、彩色条纹调制和解调相关技术、三维成像系统的标定、以及未来的研究方向。接着给出几个利用彩色条纹投影术获取物体表面三维形貌和彩色纹理的实例。为彩色条纹投影术测量物体表面三维形貌数据提供了详尽的综述,并指明了未来潜在的研究新方向。     

A New Method of Non-Contact Measurement for Microtopography in Semiconductor Wafer Implementing a New Optical Probe Based on the Precision Defocus Measurement

In this paper, a new method of non-contact measurement has been developed for 3D topography for a semiconductor wafer, implementing a new optical probe based on precision defocus measurement. The developed technique consists of the new optical probe, precision stages, and the measurement/control system. The basic principle of the technique is to use the reflected slit beam from the specimen surface to measure the deviation of the specimen surface. The defocusing distance can be measured by the reflected slit beam, where the defocused image is measured by the proposed optical probe, giving very high resolution. A distance measuring formula has been proposed for the developed probe, using the laws of geometric optics. A precision calibration technique has been applied, giving about 10 nm resolution and 72 nm four-sigma uncertainty. In order to quantitise the micro pattern on the specimen surface, some efficient analysis algorithms have been developed to analyse the 3D topography pattern and some parameters of the surface. The developed system has been successfully applied to measure the wafer surface, demonstrating the line scanning feature and the excellent 3D measurement capability.     

基于轨迹包络的三坐标测量空间曲面求交算法的研究

本文提出了基于轨迹包络的三坐标测量空间曲面求交算法,并分别讨论了同向表面与异向表面的求交过程,在三坐标测量中,该方法可直接利用采样数据进行求交计算,具有过程简单、速度快等特点,是一种简便易行的空间曲面求文算法。     

基于三维傅里叶变换的胸腹表面测量

鉴于人体胸腹表面三维运动测量在精确放疗等医学领域中的重要应用背景,提出一种三维傅里叶条纹分析与三频时间相位展开相结合的三维傅里叶变换胸腹表面测量方法。投射一幅不同频率三原色余弦条纹组成的图案,每采集一幅图像就能实现相应时刻胸腹表面的三维形状测量;将动态条纹图像序列作为一个三维序列整体,通过三维傅里叶变换并结合三维高斯滤波器提取折叠相位。无干扰时其均方根误差不超过0.005rad,峰谷值误差不超过0.015rad,其抗干扰能力高于二维傅里叶条纹分析和其他胸腹表面三维傅里叶条纹分析方法;通过三频时间相位展开方法进行折叠相位展开,在限定条件下绝对相位的误差不超过折叠相位的误差。理论分析和实验结果表明,本文方法能实现人体胸腹表面的三维动态测量。     

新型自由曲面三维激光扫描系统

从机械结构、控制系统及操作系统结构等几个角度介绍一种三维激光扫描系统设计方案。系统集成了先进的数据处理技术、激光扫描技术、先进控制技术及机器人技术,有效地借助于光机电一体化技术实现了表面检测及三维表面模型重构智能化及自动化。系统由具有电驱动装置的激光测头、C形滑臂、升降旋转台、电控系统及主控计算机组成。通过所设置测量参数,系统能够对不同的被测物体进行扫描路径规划,进而通过激光测头、C形滑臂及转台的全自动协调控制完成无盲点三维表面测量任务。试验结果表明,该三维激光扫描系统的扫描精度达到0.1 mm,速度为10 000点/s,能够应用于小型工件及模型、模具表面数据检测及模型重构。     

基于白光扫描干涉的振动补偿方法

研制了一种基于白光波长扫描干涉法的表面形貌抗振反馈测量系统,介绍了白光扫描干涉法的相位提取算法和相位去包裹算法,对声光可调滤光器低速率扫频时产生的非线性误差进行了算法修正,设计了用于振动补偿的DSP硬件控制模块,并搭建了抗振反馈测量系统。在不同振动环境下,对研磨12级的标准样块进行了三维表面形貌测量以及粗糙度参数评定。结果表明,施加低频振源后的粗糙度评定参数大小为未施加任何振源的粗糙度评定参数大小的2倍左右,开启系统振动反馈后,粗糙度评定参数接近最大允许值,说明本测量方法能在一定程度上消除振动噪声的影响,保证测量的顺利进行。二维、三维表面评定结果对比表明,三维表面评定能更全面地表现被测表面的形貌特征。