基于相移偏折法的高反射表面面形测量技术

利用单相机所采集的图像实现了对光滑高反射表面面形的直接检测.首先利用相机获取参考平面在标准平面镜中的镜像,然后通过参考平面上的点与归一化成像平面上图像点之间的密集折返对应关系,求得待测镜面的深度距离,从而实现对高反射表面面形的测量.通过光线追迹将该测量过程转化为求解物空间中关于两对应光线束之间的相交问题.以相位为载体获取面形梯度分布,求得该表面的法向量场,并求解相应的反射光线束.通过光线追迹对该光线束与相应入射光线束求“交点”检测高反射表面.对标准平面镜进行实验检测,测量得到的面形平面度为0.19 mm.采用传统方法与本文所提方法对汽车后视镜进行检测,所得检测结果对应点之间的平均距离为0.15 mm,验证了本文方法检测镜面面形的有效性.     

基于L-K局域光流的空间视线坐标法面形测量技术

提出了一种基于L-K局域光流的空间视线面形测量技术.测量系统由一个投影仪和一个CCD摄像机组成,采用小投影角度的投影方式.通过投影光线与视线(观测光线)的交点坐标,直接计算得出被测物体三维面形高度分布,其中条纹图中观察位置的变化由L-K光流算法计算得到.建立了在点光源投影条件下投影光线与视线交点坐标、光流与被测物体面形高度之间的关系.模拟与实验结果证明该方法能够准确恢复被测物体高度.与传统面形测量方法不同,视线光流面形测量技术不需要采集多幅条纹图像,也无需计算条纹频率和物体相位值,只需两幅条纹图即可恢复物体面形高度分布.     

折反射全向相机镜面位姿的自标定方法

在已知镜面和透视相机参数的情况下,提出一种不需要任何其他标定物的折反射全向相机镜面位姿的自标定算法,只需要折反射相机采集任意一幅图像即可估计出反射镜面与透视相机之间的旋转和平移。利用镜面外边缘所成的像,通过平面圆位姿估算方法获得两个候选位姿;再利用透视相机镜头边缘的成像,同时进行镜头边缘参数估计和镜面位姿选择。该标定方法操作简单,精度高,适用于非单视点相机的标定。仿真和真图实验结果证明了该方法的有效性。     

一种新的非球面零朗奇检测法

提出一种新的零朗奇检测法用于测量大口径非球面镜的面形。利用光线追迹和正弦条纹的相位信息设计补偿正弦光栅。使用透射液晶显示屏显示补偿正弦光栅并作为相移装置。一个离轴点光源发出的光被镜面反射后通过补偿正弦光栅,摄像机记录携带镜面偏差信息的相移条纹图。通过对相移条纹图的分析确定被测镜面的实际横向像差以及对应的理想横向像差,然后基于朗奇检测的几何原理得到被测镜面的偏差梯度,对其积分获得被测镜面的偏差,进而重建被测镜面的三维面形。与传统的零朗奇检测法相比,这种方法可以消除补偿光栅上每个条纹带边缘的锯齿形状,而且可以获得镜面上足够多的待测点信息。计算机模拟和初步实验验证了该方法的可行性。     

基于条纹反射术的槽式抛物面单元镜面形测量

针对太阳能热发电槽式抛物面聚光器单元镜面形测量的问题,采用条纹反射技术和时域相移解包裹技术相结合的方法,在三维轮廓测量系统模型的基础上,建立了一个结构简单、易操作的测量系统。在对系统设备无任何严格要求的前提下,利用投影仪向投影屏幕上投射正弦条纹,由相机拍摄记录单元镜反射产生的条纹,根据标定的系统参数及三维轮廓测量系统模型来计算单元镜表面面形。通过现场实验,获取了单元镜的面形分布情况,结论证明该测量方法的可行性。该测量系统的建立为以后的测量工作提供了一定的参考,并在太阳能热发电领域有很好的应用前景。     

激光投影成像式运动目标位姿测量与误差分析

为了实现室内运动目标位姿的高精度测量,建立了一套激光投影成像式位姿测量系统.该系统利用两两共线且交叉排列在同一平面上的点激光投射器作为合作目标捷联在运动目标上,通过与光斑接收幕墙的配合共同组成运动目标位姿测量基线放大系统,利用高速摄像机实时记录幕墙上投影光斑的位置,利用摄像机标定结果求解投影光斑的世界坐标,利用投影光斑之间构成的单位向量建立运动目标位姿解算模型.最后,根据测量原理推导了图像坐标提取、摄像机外部参数标定、光束直线度与目标位姿解算结果之间的误差传递函数.实验结果表明,当摄像机的视场范围为14 000mm×7 000mm时,测量系统的姿态角测量精度为1′(1δ),位置测量精度为5mm,且误差大小与目标位姿测量误差传递函数理论计算值一致,验证了本文提出的目标位姿测量方法与测量误差传递模型的准确性,能够满足目标位姿测量高精度的要求.     

显示器面形对拼接偏折术测量精度的影响研究

偏折术作为一种高精度的面形检测方法,其测量精度不仅依赖于系统参数的标定精度,还受到显示器面形的影响,尤其是对于常用的基于平面镜反射模型实现系统标定的偏折术测量系统,显示器面形还会直接影响系统参数的标定精度。为了研究显示器面形对拼接偏折术测量精度的影响,首先预设了不同形变量的显示器面形,再依据提出的计算方法分析了其对系统标定精度以及测量精度的影响,结果证明显示器面形不仅会降低系统参数的标定精度,还会在待测元件的面形测量结果中引入较大的低阶项及高阶项误差。最后通过与实验结果对比,进一步验证了所提出方法的正确性,该研究为拼接偏折术检测系统的测量误差提供了一种定量计算分析方法。     

基于线面模型的偏折术测量方法

将传统的反射光线与入射光线求交问题转化为反射光线与入射光线所在平面的求交问题并构建线面模型.使用点光源替代传统连续面光源,通过检测入射光线上两点或多点光源的投射光线确定入射光平面,通过反射光线和入射光平面求交确定镜面三维点.基于镜面位姿标定方法提出线面偏折术系统的标定方法,只需一次标定即可用于镜面测量.仿真分析了位姿关系标定结果对系统重建精度的影响.系统测量最大误差为0.25mm,误差均方根值为0.073mm.实验验证了所提方法的可行性,实验结果表明该方法具有较高的测量精度.     

基于傅里叶条纹分析的多摄像机标定方法

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傅里叶条纹分析方法.将已知相位分布的平面二维正弦灰度调制条纹图作为平面标定靶,通过傅里叶条纹分析方法计算出两个截断正交相位分布,利用截断正交相位分布并结合二维正弦条纹图特点提取相应的图像特征点,建立像素坐标与2D平面坐标的对应关系.将该二维平面靶在摄像机成像空间中放置不同的位置,并完成相应的特征点提取,根据2D共面参照物摄像机标定方法即可完成摄像机标定.该方法利用平面相位测量的高准确度来提高标定特征点的提取准确度,从而提高标定准确度.实验对双摄像机系统进行了标定,标定后该系统对标定靶进行测量,标准偏差达到0.010 mm.     

基于条纹反射的非球面镜三维面形测量

提出一种利用条纹反射原理测量非球面镜的新方法.测量过程中,利用液晶屏显示正弦条纹,由摄像机记录由待测镜面反射产生的条纹图.并将显示屏和摄像机分别沿待测镜面轴向移动.摄像机在每个移动位置上,记录下显示屏移动前后产生的两幅条纹图.通过相移方法,得到条纹图的相位信息后,对摄像机上每个象素点,能在待测镜面卜找到一个对应待测点,并在获得该待测点的梯度信息的同时,获得该点位置坐标信息.最后通过积分,恢复待测镜面的三维高度信息.该方法不需辅助反射镜与干涉仪,能更加方便灵活地测量非球面镜.并且该方法有较好的抗噪性能,在噪声较大的情况下,仍能对非球面镜进行测量.模拟及初步实验均验证了该方法的可行性.     

一种微米级高度台阶镜面条纹反射的三维测量系统

提出了一种检测微米级高度衍射台阶结构的条纹反射三维检测方法.对条纹反射光路的理论分析表明,合理选择入射光线角度和液晶屏放置角度以及液晶屏像素尺寸等系统参数,条纹反射系统能够分辨微米乃至亚微米级的镜面台阶.实际构建了一套微米级台阶镜面条纹反射测量实验装置;采用四步相移法进行条纹相位解算,运用移动屏幕方法确定反射光线方程,结合三角交汇原理,对待测台阶镜面进行三维重构.实际测量了名义值为5μm和10μm的台阶镜面,测量结果不确定度在0.5μm内,和商业仪器测量结果的偏差<0.5μm,证明了设计方法的可行性.本文结果对于包含衍射台阶结构的光学元件三维测量研究具有一定的借鉴意义.     

Flexible geometrical calibration for fringe-reflection 3D measurement

System geometrical calibration is a challenging task in fringe-reflection 3D measurement because the fringe displayed on the LCD screen does not lie within the camera's field of view. Commonly, a flat mirror with markers can accomplish system geometrical calibration. However, the position of the markers must be precisely located by photogrammetry in advance. In this Letter, we introduce a calibration method by use of a markerless flat mirror. Experiments in phase measuring deflectometry demonstrate that the proposed method is simple and flexible.     

3D coordinate measurement based on inverse photogrammetry and fringe analysis

A method based on inverse photogrammetry and fringe analysis is presented for 3D coordinate measurement. Measurement system mainly consists of a micro-camera fixed on one end of a measuring rod, a measuring probe on the other end and a liquid crystal display screen for displaying 2D fringe pattern in the measurement. In the measurement process, the probe contacts the surface of the measured object, and the CCD camera captures the stripes image on displays screen. The coordinates of camera principal point in the world coordinate system may be determined by the phase information carried in the fringe pattern. The coordinate relations between the principal point of the camera and the measuring probe can be determined with a least square optimization technique in camera coordinate system. This method has the advantage of large measurement range, good flexibility, and portable, which is suitable for field measurement. A result of our method is compared with that of the Coordinate Measuring Machine (CMM), which shows that the measurement accuracy of this method can meet accuracy requirement of the field measurement in large dimension.     

基于条纹反射的类镜面三维面形测量方法

提出了一种基于条纹反射和相移技术的类镜面三维面形测量的新方法。首先在平板显示器上显示正弦条纹,然后用CCD相机分别记录由待测面和标准面反射的正弦条纹像,通过相移得到各自的相位分布,与标准面相位分布相比较得到待测表面起伏引起的相位变化。推导了相位变化量与待测表面梯度的对应关系,分别对待测面进行水平和垂直两个方向光栅相位测量,通过计算可得到梯度分布并由梯度分布恢复待测表面面形。同时初步分析了影响条纹反射技术测量精度的因素。测量中,光栅由计算机产生,可以实现精确的相移,而且可以方便地调节光栅的周期及方向,通过预设标记点来引导相位展开有效地解决待测面和标准面的条纹对应问题。实测了建筑用釉面瓷砖表面起伏,验证了该方法的可行性。     

六自由度机构位姿的单相机照相测量研究

用单相机对新型的六自由度机构样机的六个自由度位移进行了非接触式照相测量。简要回顾了照相法的研究概况及该测量研究的工作背景;介绍了相机标定原理及具体标定方法。建立了被测样机的CAD模型,进行了自由度位移仿真,将仿真结果作为理想数据与实测数据进行比较,从而获得测量误差,并对测量误差进行了初步分析。探讨了单相机照相测量法的应用前景。     

补强片自动贴片系统高精度手眼标定方法

针对补强片自动贴片系统的手眼标定问题,为了消除相机安装的垂直度偏差带来的误差,提出了一种新的手眼标定方法。使用标定板得到相机的外参数,将外参数与常规的二维标定模型相结合,从而间接计算出相机坐标系与机器人基础坐标系的齐次坐标转换矩阵,使手眼标定模型扩展为三维。三维模型的标定计算误差小于0.1 m,相比二维模型降低了1个数量级,有效提高了标定计算精度。利用厚度较小的菲林修正齐次坐标变换矩阵的Z方向分量,系统具有较高的定位精度,手眼标定的误差绝对值小于0.015 mm,有效减小了误差均值,设备性能得到大幅提高。该方法在系统可控自由度有限的情况下,能够得到手眼标定问题的唯一解,提出的三维模型中包括了相机的完整姿态信息,相比常规的标定方法没有相机安装等额外的限制条件,能有效提高系统的手眼标定精度。     

点光源反射镜法向标校技术

针对基于反射式点光源进行在轨辐射定标过程中反射镜法向标校建模不够完善的问题,提出基于反射镜与相机几何模型的反射镜法向标校及矢量控制算法.通过解算模型求解相机与反射镜间的几何误差,建立了太阳图像质心坐标与反射镜法向之间的关系,可实现多点自动化标校反射镜法向,提高镜法向标校及系统指向精度.实验结果表明,利用解算后的几何模型反解不同时刻质心坐标进行多点反射镜法向标校,相机观测太阳像素角分辨率标准误差分别为:X轴方向0.02165°、Y轴方向0.01982°,综合角分辨率误差为0.02936°,优于太阳观测器对反射镜法向标校精度.实现了相机观测太阳取代人工借助太阳观测器观测太阳的自动化镜法向标校,扩展了标校灵活度,系统综合指向精度优于0.1°,为固定实验场联网自动化集中控制不同能级梯度的点光源阵列在轨辐射定标和调制传递函数检测奠定基础.     

一种三维数字成像系统的多视点姿态估计方法

为校准多视场深度数据,提出基于条纹投影的三维数字成像系统的多视点姿态估计方法。该方法至少在两个视点分别向被测物体投射出一组正交条纹图,利用条纹投影和相位重建技术,将相位图映射为物体的三维空间坐标。进而,利用投影仪的投射过程是摄像机成像过程的逆过程,建立投影仪的投射平面和摄像机的成像平面的对应关系,将“极线几何约束”应用到基于条纹投影的主动三维视觉的姿态估计问题,并在考虑测量数据受噪声影响的条件下,建立了求解视点姿态参量的数学模型。通过优化求解非线性方程可以获得多视点的姿态估计参量。所设计的实验及结果证明了所提出方法的有效性。     

基于无约束系统的结构光三维测量方法

针对传统结构光系统进行三维测量时,要求满足双瞳平行于参考平面和摄像机光轴垂、直于参考平面这两个强约束条件,建立了新的系统结构,去除了平行和垂直的约束,摄像机和投影仪位置可自由摆放.基于该无约束系统结构,提出了一种新的系统标定方法,通过重建"投影仪摄像机参考平面"三者的空间关系,可以简便而精确地获取传统"高度相位"公式中参量:双瞳的距离和摄像机到参考平面距离;同时,推导了无约束系统结构下新的物相关系方程和高度计算公式.实物测量结果证明,基于无约束系统的结构光三维测量方法可操作性强,测量精度可达0.1 mm.     

Real-time camera pose estimation based on volleyball court view

The use of technology in sports has increased in recent years. One of the most influential of these technologies is referee support systems. Team sports such as volleyball require accurate and robust tracking systems that do not affect either the players or the court. This paper introduces the application of intrinsic and extrinsic camera calibration in a 12-camera volleyball referee system. Intrinsic parameters are calculated by using the classic pinhole model and Zhang’s method. To perform extrinsic calibration in real time, the volleyball court is treated as a global calibration artifact. Calibration keypoints are defined as court-line intersections. In addition, a new keypoint detection algorithm is proposed. It enables achievement of an accurate camera pose in regard to the court. With all 12 cameras calibrated in a common coordinate system, a dynamic camera stereo pair creation is possible. Therefore, with known ball 2D image coordinates, the 3D real ball coordinates can be reconstructed and the ball trajectory can be estimated. The performance of the proposed method is tested on a synthetic data set, including 3Ds Max rendering and real data scenarios. The mean camera pose error calculated for data biased with keypoint detection errors is approximately equal to 0.013% of the measurement volume. For the real data experiment with a human hand phantom, it is possible to determine the presence of the human phantom on the basis of the ball reflection attitude.