大尺度范围内视觉测量技术研究

论文摘要

大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope，简称LAMOST）是由中国科学院建设的国家九五大科学工程之一。LAMOST是一架横卧南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。 在LAMOST光纤定位系统中，对光纤端部位置的检测是光纤定位系统中的关键问题之一。需要检测装置对光纤端部的几何位置进行检测，以检验光纤的定位精度。 在光纤定位单元研制过程中，搭建了光纤端部位置检测装置。在对光纤端部的检测中，三坐标测量机、万能工具显微镜测量等传统的检测技术已经无法满足高精度、非接触、快速检测要求。为此，中国科学技术大学精密机械与精密仪器系邢晓正教授，结合他所设计的并行可控式双回转光纤定位方案，设计了基于面阵CCD摄像机的视觉测量系统，用于对定位单元上的光纤位置进行非接触、快速检测。这一检测方案已经成功地应用于中间试验系统，中间试验系统已经于2003年10月顺利通过了LAMOST工程指挥部组织的专家组的验收。 在中间试验系统光纤位置检测装置的基础上，针对目前正在进行的小焦面系统，我们提出了基于多个分离式标定靶的差分坐标标定方法，用于对LAMOST小焦面系统中大视场视觉测量系统的摄像机标定。在2006年8月30日，LAMOST工程指挥部领导对大视场内摄像机的差分标定方法进行了检查，对这一差分标定方法给予认可。 本文作者作为LAMOST光纤定位研制组的主要成员之一，始终负责光纤端部位置的检测工作，主要完成了如下工作内容： 1．首先搭建了基于面阵CCD摄像机的光纤端部位置检测装置。研究了目

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 视觉测量技术的简介
• 1.1.1 传统测量技术
• 1.1.2 视觉测量技术
• 1.1.3 视觉测量技术的发展方向
• 1.1.4 视觉测量技术的关键问题
• 1.2 LAMOST光纤定位系统简介
• 1.2.1 LAMOST简介
• 1.2.2 并行可控式光纤定位系统
• 1.3 LAMOST定位系统光纤位置测量中的关键问题
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 视觉测量系统的构成
• 2.1 视觉测量系统组成
• 2.1.1 图像获取单元
• 2.1.2 图像处理单元
• 2.2 目标点检测技术
• 2.2.1 特征点检测原理
• 2.2.2 特征点检测算法
• 2.2.2.1 极值法
• 2.2.2.2 光重心法
• 2.2.2.3 灰度加权平均法
• 2.2.2.3.1 灰度加权平均检测算法
• 2.2.2.3.2 灰度加权平均法与极值法的对比
• 2.2.2.4 曲面拟合法
• 2.2.2.4.1 二维高斯拟合算法
• 2.2.2.4.2 拟合算法中的二次迭代
• 2.2.2.4.3 实验结果
• 2.2.2.5 相关分析法
• 2.2.2.6 边缘提取法
• 2.3 特征点检测技术中检测稳定性的主要影响因素
• 2.3.1 照明光源的影响
• 2.3.2 CCD性能的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 单标准靶的视觉测量系统标定方法
• 3.1 视觉测量中的主要误差来源
• 3.1.1 摄像机的误差
• 3.1.1.1 摄像机自身装配误差
• 3.1.1.2 摄像机安装到测量现场时的位置误差
• 3.1.2 光学成像系统引入的误差
• 3.1.2.1 径向畸变
• 3.1.2.2 离心畸变
• 3.1.2.3 薄透镜畸变
• 3.2 常用的摄像机三种标定方法
• 3.2.1 经典标定方法
• 3.2.2 主动视觉中的标定方法
• 3.2.3 自标定方法
• 3.3 视觉测量系统中的经典标定方法
• 3.3.1 标定靶的结构
• 3.3.2 标定方程
• 3.3.2.1 标定方程的建立
• 3.3.2.2 标定结果分析
• 3.3.3 标定方程阶数n的选择
• 3.3.4 标定靶尺寸的分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于分离式标准靶差分标定技术
• 4.1 多个分离式标靶的标定方法
• 4.1.1 分离式标定靶标定方法
• 4.1.2 分离式标定靶的位置
• 4.1.3 分离式标靶标定中的主要技术难点
• 4.2 多个分离式标定靶的差分标定方法
• 4.2.1 基于差分坐标的标定技术
• 4.2.2 小标定靶的尺寸选择
• 4.2.3 各标定靶相对位置对标定结果的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 大视场单摄像机的标定
• 5.1 九孔板的标定实验
• 5.1.1 实验装置介绍
• 5.1.2 差分标定方程的建立
• 5.1.3 实验结果分析
• 5.2 小焦面系统CCD测量装置的标定
• 5.2.1 小焦面系统CCD测量装置
• 5.2.2 CCD测量装置的标定
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结及展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 大视场视觉测量中的拼接技术展望
• 6.3 线阵CCD扫描梁测量装置展望
• 6.3.1 信号处理单元
• 6.3.2 CCD单元的工作原理
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢