大尺寸高温锻件双目视觉测量技术

论文摘要

大锻件作为重大设备的关键部件,在国家的工业振兴过程中扮演着重要角色。随着电力、造船、化工和冶金等行业的发展,大型锻件的需求量日益增加。对锻造过程中的大锻件尺寸进行实时测量和反馈对于指导加工和提高大锻件制造效率及材料利用率具有重要的理论意义和经济意义。本文结合国家重大产业对高质量大锻件的迫切需求,在国家重点基础研究发展计划(973计划)的支持下,对大锻件尺寸测量技术进行了比较全面的探索性研究,以期为提高自由锻造系统的锻造质量提供支撑。针对大锻件尺寸大,制造过程中伴随着高温、高压、强震动的特点,在对国内外大锻件测量技术进行分析研究的基础上,提出了基于双目视觉和光谱选择原理的高温大锻件尺寸测量技术,解决了高温状态下锻件图像的采集问题,实现了在利用平面模板标定相机参数基础上的点云三维重建与尺寸估算。研究工作主要包括以下内容:通过对锻件高温状态下能量辐射特性的分析,制订了采用带通滤光片滤除强光,施以外加辅助光源增加有效波段光能量的图像采集方案;达到了锻造温度下获取类似于常温环境中的锻件图像效果。采用方法灵活,标定精度较高的平面模板标定法,实现了摄像机内外参数的标定,并通过三维坐标重建验证了标定结果的准确性。针对彩色图像像素的向量值特点与传统梯度算子在提取彩色图像边缘过程中的不足,将彩色图像在RGB颜色空间分解,充分利用三通道颜色信息,在各通道图像边缘信息较为完整的前提下,采用级联中值滤波与梯度算子相结合的方法对各通道图像进行边缘检测,对得到的各边缘图像进行合成、孤立点剔除;最后对合成图像进行非极大值抑制得到便于后期特征提取的边缘图像。基于特征点的渐进式立体匹配方法。选用了运算效率高,角点定位性能好的Harris算子进行图像特征点的提取;通过基于灰度法的初始匹配、基于松弛法的误匹配剔除和基于极限约束的再匹配三个渐进的匹配过程对获得的特征点进行立体匹配,得到了较好的匹配效果。最后,利用像点与空间点的映射关系,建立了点云的三维重建数学模型,并实现了锻件表面的点云重建。通过实验证明,本文方法较为准确的获得了锻件的几何尺寸,为进一步实现锻件几何尺寸的精确测量打下了基础。同时本文的研究也对大尺寸锻件视觉测量系统的研究具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 三维非接触测量技术
• 1.2.2 大锻件测量的研究现状
• 1.3 课题来源及论文内容
• 2 双目立体视觉测量基础
• 2.1 双目视觉测量原理
• 2.2 坐标系统与成像模型
• 2.2.1 立体视觉系统中的坐标系
• 2.2.2 摄像机成像模型
• 2.3 双目视觉系统构成
• 2.4 本章小结
• 3 图像采集与相机标定
• 3.1 基于光谱选择原理的高温图像采集
• 3.1.1 采集方案设计
• 3.1.2 采集设备选择
• 3.1.3 图像采集实验
• 3.2 摄相机标定
• 3.2.1 摄相机标定参数
• 3.2.2 基于平面模板的摄像机标定方法
• 3.2.3 标定实验
• 3.2.4 自标定
• 3.3 本章小结
• 4 基于特征的立体匹配
• 4.1 立体匹配方法概述
• 4.2 特征提取
• 4.2.1 边缘特征检测
• 4.2.2 基于融合技术的彩色边缘检测算法
• 4.2.3 边缘检测实验
• 4.2.4 角点检测算法概述
• 4.2.5 基于Harris算子的角点检测
• 4.3 基于灰度相关的初始匹配
• 4.4 错误匹配消除方法
• 4.4.1 松弛算法
• 4.4.2 视差梯度
• 4.5 基于极线约束的鲁棒匹配
• 4.5.1 外极线约束
• 4.5.2 基础矩阵的鲁棒估计
• 4.5.3 利用极线约束进行鲁棒匹配
• 4.6 匹配结果
• 4.7 本章小结
• 5 三维点云重建
• 5.1 三维点云重建数学模型
• 5.2 重建实例及尺寸估算
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢