论文题目: 复杂面形的光学三维测量相关技术研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械电子工程
作者: 何海涛
导师: 陈明仪
关键词: 逆向工程,条纹投射技术,相位分割,系统标定,多视角拼接,虚拟圆柱
文献来源: 上海大学
发表年度: 2005
论文摘要: 逆向工程技术是随着计算机技术的发展和成熟以及数据测量技术的进步而迅速发展起来的一门新兴学科与技术。它的出现,改变了原来CAD系统中从图纸到实物的设计模式,为产品的迅速开发以及快速原型化设计提供了一条新的途径。样件的三维数据获取是逆向工程第一步,从已知的采样数据点出发,才能实现复杂曲面的建模、改进、制造。 本文依托上海市光科技专项课题“先进制造中的光学三维传感与重建系统研制”,以条纹投射测量系统在逆向工程中的应用为着眼点,主要研究复杂面形的光学测量及其相关技术,为逆向工程提供一个高效、高精度的物体面形数据采集方法。 本文选择DLP投影机作为条纹投射设备,CCD摄像机作为条纹图像记录设备,构建了以条纹投射技术为原理的多视角测量系统,并研制出具有自主知识产权的仪器装置和配套测量软件,利用该测量系统实现了复杂面形的三维测量。为实现以上目的,本文对相关技术进行了研究。 1、单视角测量的相位分割技术 本文综合分析了包裹相位的解包裹技术,表明变频条纹投射结合时域相位解包裹技术是解决相位不连续,含有噪声点的相位解包裹最有效的方法。由于零件的几何结构,如不连续台阶、含有孔、洞的曲面等复杂面形,以及条纹投射时局部镜面反射,遮挡造成的阴影,暗背景等情况,单视角测量时部分区域不可测,即该区域测得的数据是不可靠的。为剔除这类无效数据,本文提出了采用基于调制度阈值自动分割技术,和改进的基于调制度——背景共生矩阵模型的最大熵处理方法,通过计算调制度——背景共生矩阵的二维阈值,指导相位分割,自动识别物体轮廓有效测量区域。单视角缺损的一些数据可以通过改变测量视角和曲面拼接技术来恢复。 2、条纹投射系统标定技术 传统的条纹投射测量系统必须满足一定的约束条件,因此存在系统标定可操作性不强,耗时且精度不易保证的问题。本文对测量系统的一般几何设置情况作了详细的推导与分析,提出了一种标定新方法:引入摄像机横向标定技术,采用基于神经网络的修正方法对参考平面的横向坐标进行误差补偿,获得标定参考面图像对应像素的精确横向坐标分布;为此,选用专门设计的标定面板——黑白相间的方形格,亚像素级提取方格顶点为特征控制点,用于摄像机标定;取板上白色方格区域的相位数据对标定板平面的相位分布作最小二乘拟合,获得整个像面的连续理论相位分布,进而得到三维坐标与图像像素的映射关系。该技术使得标定过程大大简化,可同时进行相位——深度标定和横向坐标标定,提高了标定的可操作性和检测精度。 3、基于虚拟圆柱的多视角拼接技术 多视角拼接技术的基本思想是:使相邻子视角部分重叠,利用重叠区域面形信息建立其相对空间位置关系,据此利用坐标变换将多视角面形统一于同一坐标系下。圆柱坐标下多孔径扫描拼接技术的迭代算法,解决了三维物体特别是回转物体面形的拼接测量,其关键在于坐标变换方程的线性简化,以及误差求解与坐标变换的迭代操作,保证了误差求解的精确性。然而,圆柱坐标下的多孔径扫描拼接方法针对复杂面形,例如凹面形状,由多个曲面片构成的非G~1连续曲面等面形的拼接测量遇到了困难。为了突破以上限制,本文提出了基于虚拟圆柱的拼接方法。根据被测面形不同视角的重叠区的几何特征,构造虚拟圆柱,使得其局部面形的近似回转轴与虚拟圆柱的轴线重合,将原圆柱坐标系平移到一个新的位置——移动后的z轴与虚拟圆柱的轴线重合,于是圆柱坐标下的多视角拼接算法在这
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1．1 引言
1．2 三维测量技术及应用
1．2．1 三维测量技术综述
1．2．2 光学三维测量技术的实用性及商业化
1．3 光学三维测量技术的发展趋势
1．4 课题来源及选题的意义
1．4．1 课题来源
1．4．2 选题意义
1．5 本文的主要研究内容
参考文献
第二章 相位测量有效测量区自动识别技术
2．1 引言
2．2 相位分析技术
2．2．1 包裹相位求解技术
2．2．2 相位解包裹技术
2．3 基于相位分割的有效测量区自动识别技术
2．3．1 基于调制度自动分割的物体轮廓有效测量区域自动识别方法
2．3．2 基于调制度——背景共生矩阵模型的最大熵阈值处理方法自动分割相位
2．4 实验
2．5 本章小结
参考文献
第三章 系统标定方法的研究
3．1 引言
3．2 投射系统的几何分析
3．3 系统的构成及标定策略
3．3．1 系统构成
3．3．2 深度——相位标定
3．3．3 横向标定
3．3．4 成像畸变修正
3．3．5 标定流程
3．4 计算机模拟
3．5 标定实验
3．6 本章小结
参考文献
第四章 多视角拼接技术中的虚拟圆柱方法
4．1 引言
4．2 圆柱坐标系下的多视角拼接技术
4．2．1 圆柱坐标下的坐标转换方程
4．2．2 圆柱坐标下多视角拼接迭代方法
4．3 基于虚拟圆柱的曲面拼接方法
4．3．1 基本原理
4．3．2 虚拟圆柱的建立
4．3．3 基于虚拟圆柱的坐标转换方程
4．3．4 匹配点的确定
4．4 计算机模拟
4．5 本章小结
参考文献
第五章 三维面形测量系统简介及实测重建结果
5．1 引言
5．2 三维面形测量系统构成
5．2．1 测量系统软件
5．2．2 测量系统硬件
5．3 三维实测结果
5．3．1 帕萨特轿车前车灯反射体的测量结果
5．3．2 石膏头像的测量结果
5．3．3 人体模特模型的测量结果
5．3．4 机箱散热盖的测量结果
5．3．5 三维测量与CAD系统的集成
5．4 本章小结
第六章 总结与展望
6．1 总结
6．2 展望
作者在攻读学位期间公开发表的论文
作者在攻读学位期间所作的项目
致谢
发布时间: 2005-09-16
参考文献
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- [2].基于白光干涉轮廓尺寸与形貌非接触测量方法和系统[D]. 常素萍.华中科技大学2007
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