基于角点特征的平面绝对位移测量技术研究

论文摘要

三坐标测量机是对工件轮廓、形位尺寸等进行测量的主要通用仪器。由于其结构复杂、系统庞大、价格昂贵使得应用受限。因此作者开发了一种基于虚拟坐标的新型三坐标测量机。虚拟坐标测量机是建立在数字图像处理技术上,突破了传统的测量方法,对传统测量机的主体进行简化,实现三维空间的位移尺寸测量。坐标测量机的实质是取得测头或工件的位移信息,因此位移测量是一种基于虚拟坐标的新型三坐标测量机的关键技术。本文对基于角点特征的平面绝对位移测量技术进行了研究,主要包括测量系统标定、位移测量以及平面位移测量实验。测量系统标定是本系统的关键技术,也是平面位移测量的基础。测量系统标定包括摄像机标定和工作台标定。摄像机标定目的是确定摄像机的畸变系数,在本系统中采用两步法进行了摄像机的标定,最后通过实验确定了摄像机的畸变系数并且确定了摄像机的像素当量；工作台标定的目的是实现特征点的描述与确定其理想位置。在工作台定位中,首先通过CCD摄像机拍摄工作台图片,然后通过特征角点提取算法提取图片特征角点并将角点数据存储。在特征角点提取中,分别介绍了四种特征提取算子并通过实验分析对比了它们的优缺点,并最终选择Harris算子作为特征角点提取算法。位移测量是整个系统的最终目的,也是关键之一。本文在位移测量中,提出了基于灰度向量匹配的方法来实现位移测量。该方法是以特征角点为基础,以其周围8领域作为角点的描述,同时以分层搜索法为搜索策略来实现图片的粗定位。最后通过位移计算公式求出位移。最后,在提出具体理论的基础上,通过详细的实验验证在该论文中提出的新的测量方法的可行性。在实验过程中,首先对基于灰度向量匹配方法的粗定位作了可行性验证,并通过位移计算公式完成了精确定位,最后进行了平面位移测量的具体实验,并通过实验数据的分析对特征角点提取算法作了优化,实验结果表明优化后的提取算法在精度上提高了一个像素。由此得出,在本论文中提出的基于灰度向量匹配的平面绝对位移测量方法具有可行性,通用性,具有现实意义。该测量理论和方法的提出丰富了数字图像领域测量的理论与方法,为后续研究提供了借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 三坐标测量机的国内外发展状况
• 1.1.2 测量方式的发展状况
• 1.1.3 数字图像测量技术的现状及应用
• 1.2 课题来源
• 1.3 本课题主要内容及关键技术
• 1.4 本章小结
• 2 测量原理
• 2.1 前人研究成果概述及分析
• 2.1.1 基于数字图像特征区域的匹配测量
• 2.1.2 基于数字图像特征区域匹配测量的方法存在以下问题
• 2.1.3 基于人工标志的平面位移测量
• 2.1.4 基于人工标志的平面位移测量方法存在的问题
• 2.1.5 基于模板匹配的绝对位移测量
• 2.1.6 基于模板匹配的平面位移测量方法存在的问题
• 2.2 本课题测量原理
• 2.2.1 本课题测量原理
• 2.3 本文中采用的测量方法
• 2.3.1 测量方法描述
• 2.3.2 实现该测量方法的四个过程
• 2.3.3 测量方法特点
• 2.3.4 主要技术指标
• 2.4 本章小结
• 3 测量系统标定
• 3.1 摄像机标定
• 3.1.1 常用摄像机标定方法
• 3.1.2 影响测量精度的因素分析
• 3.1.3 本课题摄像机标定方法
• 3.1.4 像素当量
• 3.2 工作台标定
• 3.3 特征角点提取研究
• 3.3.1 角点特征概述
• 3.3.2 角点特征提取算法提取误差分析
• 3.4 本章小结
• 4 绝对位移测量
• 4.1 图像匹配算法综述
• 4.2 图像匹配的关键技术
• 4.2.1 相似性测度
• 4.2.2 特征匹配策略
• 4.2.3 匹配过程中需要注意的问题
• 4.3 基于灰度向量的平面绝对位移的测量
• 4.3.1 匹配算法原理
• 4.4 本章小结
• 5 平面绝对位移测量实验
• 5.1 实验装置
• 5.1.1 实验装置
• 5.1.2 实验过程描述
• 5.1.3 实验数据
• 5.2 算法优化
• 5.2.1 特征角点提取优化算法
• 5.2.2 基于优化算法的二维位移测量实验及实验分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢
• 附录A
• 附录B