光笔式双目立体视觉系统的研究

论文摘要

本文针对现代测量系统发展过程中对中小型零件快速测量的需求,以摄像机、激光器和光笔等设备为载体,对光笔式双目立体视觉系统的工作原理和转换模型以及系统标定等问题,从理论和实践上进行了深入的研究和探讨,提出了一种新的现场标定及测点转换方法,并通过对实物进行测量和误差分析,证明了该系统有较高的测量精度。本文的研究内容主要有以下几个方面:1.利用径向排列约束两步标定技术,结合对系统转换模型的分析,建立了摄像机的透视成像模型,并对摄像机的畸变进行校正,完成对摄像机的标定。2.利用重心法提取光斑中心。为了提高光斑中心的提取精度,重心法计算时利用阈值排除无关背景值以及利用交比不变求得的系数进行畸变校正。3.确定光笔上LED的数量及分布规律。考虑到摄像机视场大小,图像清晰度以及点光光源约束等因素,本系统设计了合理的光笔结构。4.确定LED中心三维坐标。利用双目立体匹配原理,求取点光源中心三维坐标。5.确定测量点三维坐标。利用七个LED中心三维坐标和七点中心到笔尖距离,运用最小二乘法计算笔尖即测量点三维坐标。这种基于光笔的双目立体视觉测量系统摆脱了依靠外部机构驱动的常规非接触测量的方法,大大提高了系统的工作效率。同时能够满足较高测量精度的要求,摆脱了拘泥于精密测量仪器的束缚,具有测量方便、便于携带、成本低、精度更高的优点,具有较高的实用价值。本文的创新之处在于提出了光笔式三维测量系统的测量点转换模型,以及利用双目立体匹配求取特征点三维坐标的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 三维测量技术研究现状
• 1.1.1 三坐标测量机技术
• 1.1.2 三维测量技术的应用
• 1.2 机器视觉在三维测量中的应用
• 1.2.1 摄像机标定问题的提出
• 1.2.2 双目立体视觉测量技术
• 1.3 本课题的研究意义及主要研究内容
• 2 光笔式三维测量系统构成及工作原理
• 2.1 系统组成与工作原理
• 2.1.1 光笔式三维测量测量系统组成
• 2.1.2 光笔式三维测量测量工作原理
• 2.2 系统结构优化设计
• 3 摄像机标定
• 3.1 摄像机数学模型的建立
• 3.1.1 理想摄像机成像模型
• 3.1.2 考虑镜头畸变的摄像机成像模型
• 3.2 靶标设计与特征点提取
• 3.2.1 靶标的设计
• 3.2.2 标定点的提取
• 3.3 基于径向排列约束的摄像机参数求解
• 3.3.1 摄像机参数的构成
• 3.3.2 径向排列约束（RAC）的基本原理
• 3.3.3 共面条件下的RAC 两步标定法
• 3.3.4 主点的确定
• 3.4 实验与结论
• 3.4.1 实验
• 3.4.2 结论
• 4 测量点三维坐标转换关系的建立
• 4.1 点光源光斑中心的精确提取及相互定位
• 4.1.1 椭圆曲线拟合法
• 4.1.2 灰度重心法
• 4.1.3 考虑镜头畸变的光斑中心坐标
• 4.1.4 点光源光斑中心的相对定位
• 4.2 双目匹配实现像面坐标到三维坐标转换
• 4.3 光笔笔尖位置的确定
• 4.4 实验
• 5 测量系统控制软件设计
• 5.1 图像采集
• 5.2 软件界面
• 5.3 标定流程和测量流程
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 个人简历
• 致谢