基于工業(yè)攝影和機(jī)器視覺的三維形貌與變形測量關(guān)鍵技術(shù)研究

1、基于工業(yè)攝影和機(jī)器視覺的三維形貌與變形測量關(guān)鍵技術(shù)研究 三維形貌與變形測量在產(chǎn)品質(zhì)量控制、逆向設(shè)計、材料與工程結(jié)構(gòu)測試、生物醫(yī)學(xué)、文物保護(hù)等眾多領(lǐng)域中的需求日益增加。過去傳統(tǒng)的測量內(nèi)容和測量方法己經(jīng)不能滿足需要，物體的三維尺寸、表面形貌和運動變形數(shù)據(jù)的獲取成為測量領(lǐng)域的研究熱點和前沿課題。本文針對目前光學(xué)三維形貌與變形測量研究中存在的不足，采用理論分析和實驗研究相結(jié)合的研究方法，綜合機(jī)械工程、光學(xué)電子、計算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理和攝影測量學(xué)等多個學(xué)科對三維形貌與變形測量關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究。主要研究內(nèi)容和研究成果如下: (1>討論了光學(xué)三維形貌與變形測量技術(shù)原理和優(yōu)缺點，對研究現(xiàn)

2、狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。研究了工業(yè)攝影測量和機(jī)器視覺中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、攝影幾何約束、空間交匯和三維重建的基本理論。為本文的研究工作提供基本的理論依據(jù)。 (2)機(jī)器視覺系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定是三維測量技術(shù)中的關(guān)鍵問題之一，其標(biāo)定精度直接決定后續(xù)三維重建的精度。為進(jìn)一步提高視覺系統(tǒng)測量精度，提出了一種基于工業(yè)攝影測量的相機(jī)柔性標(biāo)定方法，給出了相機(jī)成像模型和十參數(shù)鏡頭畸變模型，并進(jìn)行了相機(jī)標(biāo)定實驗及重投影誤差分析。該方法使用不同尺寸的標(biāo)定板和標(biāo)定十字架，無需標(biāo)定物世界坐標(biāo)，可以對不同視場單個或者多個相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定參數(shù)初始值由攝影測量中相對定向和直接線性變換方法得到，然后使用捆綁調(diào)整算法整體優(yōu)化物方坐標(biāo)及相

3、機(jī)內(nèi)外參數(shù)。實驗結(jié)果表明，標(biāo)定重投影誤差小于0.0_5像素，標(biāo)準(zhǔn)尺(221.001士0.003mm)平均測量誤差0.03mm，與傳統(tǒng)方法相比，標(biāo)定精度有較大提高。 (3)系統(tǒng)地研究了單相機(jī)、雙相機(jī)和多相機(jī)的高精度三維重建方法，推導(dǎo)了在不同情況下的三維重建方程。提出了基于外插多頻相移的雙目面結(jié)構(gòu)光測量方法，并進(jìn)行了精度實驗驗證和誤差分析?；谕獠宥囝l相移的相位展開算法，相位展開過程主要依賴不同頻率正弦光柵圖像的相位主值，對被測物體表面顏色不敏感，無需表面處理，計算過程更穩(wěn)定，且可對每種頻率的相移均進(jìn)行相位展開，后續(xù)三維重建時使用多個連續(xù)的相位值進(jìn)行平均計算，提高了三維重建的精度。 (4)針對大型

4、結(jié)構(gòu)件變形，提出了一種基于工業(yè)攝影測量的三維靜態(tài)變形測量方法。該方法可以方便地獲得大型結(jié)構(gòu)件在不同載荷條件下的整體位移場信息。研究了同名點匹配和搜索算法，改進(jìn)了坐標(biāo)配準(zhǔn)算法，提高了坐標(biāo)配準(zhǔn)的效率，并實現(xiàn)了靜態(tài)變形測量數(shù)據(jù)中變形點的匹配，從而計算出實際的位移變形場。提出了一種相關(guān)拼合的算法，通過使用相關(guān)點進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)和相同變形點匹配，提高了相同變形點匹配的效率。 (5)針對全場位移和應(yīng)變測量，結(jié)合雙目立體視覺，提出了一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的三維應(yīng)變測量方法。研究了數(shù)字圖像相關(guān)方法的基本原理，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括相關(guān)系數(shù)、相關(guān)搜索、相關(guān)區(qū)域校正和位移場數(shù)據(jù)的平滑等。通過引入盒濾波思想，改進(jìn)了整像素相關(guān)

5、搜索算法，提高了匹配效率，對影響測量精度的因素進(jìn)行了分析并提出了散斑圖像光照不均勻的校正方法。 在上述理論與技術(shù)的基礎(chǔ)上，將研制的雙目面掃描系統(tǒng)、靜態(tài)變形測量系統(tǒng)、動態(tài)變形測量系統(tǒng)在大型飛機(jī)全尺寸形貌測量、汽車飯金件、電力塔架真型試驗、薄板焊接變形試驗、材料拉伸試驗中進(jìn)行了應(yīng)用和實驗，并取得了良好的效果。1緒論 本章主要論述了選題意義及應(yīng)用背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析及論文的主要研究內(nèi)容等。首先介紹課題背景、工業(yè)攝影測量和機(jī)器視覺的發(fā)展與聯(lián)系，然后對光學(xué)三維測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，最后介紹了論文的主要研究內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點。課題背景 制造業(yè)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展水平己經(jīng)成為

6、當(dāng)前衡量一個國家科技發(fā)展程度的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，世界上許多國家，尤其是發(fā)達(dá)國家都把先進(jìn)制造技術(shù)與信息科學(xué)技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)和生物科學(xué)技術(shù)同列為21世紀(jì)的四大支柱科技加以重視。現(xiàn)代測量技術(shù)是制造業(yè)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)，測量技術(shù)在一定程度上決定了制造業(yè)乃至整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平2-4。在過去的幾十年中，經(jīng)典的幾何量諸如長度、角度、平面度、直線度等的鋇量技術(shù)與檢測手段己經(jīng)日益成熟5。隨著先進(jìn)制造技術(shù)水平的提高，過去傳統(tǒng)的測量內(nèi)容和測量方法己經(jīng)不能滿足需要，物體的三維尺寸、表面形貌和運動變形數(shù)據(jù)的獲取成為人們在測量領(lǐng)域一個新的重要的研究方向陣”。 近年來，三維形貌與變形測量在產(chǎn)品質(zhì)量控制、逆向設(shè)計、材料于工程

7、結(jié)構(gòu)測試、生物醫(yī)學(xué)、文物保護(hù)等眾多領(lǐng)域中的需求日益增加yo-i6，見圖1-1。傳統(tǒng)接觸式三維測量技術(shù)速度慢、量程受限制、操作不方便，有時甚至無法測量m,is。光學(xué)三維測量具有非接觸、高精度和易于自動化的優(yōu)點，巨大的應(yīng)用需求，促使了光學(xué)三維測量技術(shù)的快速發(fā)展f191隨著計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像獲取設(shè)備和光學(xué)器件的發(fā)展子、計算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理和攝影測量學(xué)等多個學(xué)科，式三維形貌與變形測量己成為國內(nèi)外研究的熱點和前沿課題，涉及機(jī)械工程、光學(xué)電基于計算機(jī)視覺的非接觸。1.2工業(yè)攝影測量與機(jī)器視覺 1.2.1工業(yè)攝影測量概述 攝影測量(Photogrammetry)是一門通過分析記錄在膠片或電子載體上的影

8、像來確定被測物體的位置、形狀和大小的科學(xué)，屬于測繪學(xué)的分支學(xué)科27。它包括航空攝影測量、航天攝影測量和近景攝影測量等ZS。其中，近景攝影測量是指測量范圍小于100米，相機(jī)布設(shè)在物體附近的攝影測量29。攝影測量在工業(yè)測量和工程測量中的應(yīng)用一般稱為近景攝影測量或非地形攝影測量。它經(jīng)歷了從模擬、解析到數(shù)字方法的變革，硬件也從膠片像機(jī)發(fā)展到數(shù)字相機(jī)30。本文將針對工業(yè)測量應(yīng)用的數(shù)字近景攝影測量稱為工業(yè)攝影測量。近年來，隨著微電子和半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是固體陣列相機(jī)和計算機(jī)硬件的發(fā)展，使得工業(yè)攝影測量己進(jìn)入全數(shù)字近景攝影測量時代31 1.2.2機(jī)器視覺概述 機(jī)器視覺又稱計算機(jī)視覺，是一門新興的學(xué)科

9、，它的發(fā)展得益于神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)與認(rèn)知科學(xué)對動物視覺系統(tǒng)的研究，計算機(jī)視覺的研究目標(biāo)是使計算機(jī)具有通過二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力66。這種能力將不僅使機(jī)器能感知三維環(huán)境中物體的幾何信息，包括它的位置、形狀、姿態(tài)、運動等，而且能對它們進(jìn)行描述、存儲、識別和理解。伴隨著視覺認(rèn)知和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，利用計算機(jī)模擬人類的視覺系統(tǒng)成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。機(jī)器視覺己經(jīng)成為令人感興趣的前沿研究領(lǐng)域之一67。通過對人類視覺的模擬，可以幫助人類重新認(rèn)識人的視覺機(jī)理，從而在許多未知問題上產(chǎn)生重大突破。 近十年來，隨著機(jī)器視覺理論的迅速發(fā)展，它逐漸發(fā)展成一門由計算機(jī)技術(shù)、控制理論、人工智能和模式識別等

10、眾多領(lǐng)域交叉綜合的新學(xué)科，它在一些科技領(lǐng)域中卓有成效的應(yīng)用，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣，其應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大，涉及到機(jī)器人、工業(yè)檢測、醫(yī)學(xué)圖像分析、交通管理和軍事導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域。 1.2.3工業(yè)攝影測量與機(jī)器視覺的聯(lián)系 工業(yè)攝影測量是測繪學(xué)科的一個分支，它是通過對二維圖像進(jìn)行分析，測量物體在三維空間的形狀、位置，乃至物體的運動參數(shù)。攝影測量在近百年的歷史中經(jīng)歷了模擬、解析和數(shù)字?jǐn)z影三個階段。 機(jī)器視覺的研究目標(biāo)是使計算機(jī)具有通過二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力，這種能力將不僅使機(jī)器感知三維環(huán)境中物體的幾何信息，包括它的形狀、位置、和運動等，而且還能對它們進(jìn)行描述、存儲、識別和理解。 近年來，

11、共同的理論基礎(chǔ)、類似的處理方法和基于數(shù)字圖像測量技術(shù)等特征，使得工業(yè)攝影測量與機(jī)器視覺學(xué)科間的交叉越來越多。攝影測量中的圖像處理和特征識別方法來自機(jī)器視覺;反過來，攝影測量中的平差方法和誤差傳遞理論又為機(jī)器視覺所采用。學(xué)科間的交叉、融合是當(dāng)前研究領(lǐng)域的大勢所趨。本文正是順應(yīng)這種態(tài)勢，結(jié)合工業(yè)攝影測量和機(jī)器視覺理論來研究工業(yè)實用的物體三維形貌與變形測量關(guān)鍵技術(shù)。1.3基于工業(yè)攝影與機(jī)器視覺的三維測量技術(shù)綜述 1.3.1三維形貌與變形測量技術(shù) 光學(xué)三維形貌與變形測量技術(shù)經(jīng)過近年來的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出多種技術(shù)及方法。其中主要有:時間飛行法、全息干涉法、莫爾條紋法、結(jié)構(gòu)光方法(點、線、面)、數(shù)字?jǐn)z影測量

12、法和數(shù)字圖像相關(guān)法等，下面介紹幾種常用的三維測量方法，并分析在這些方面的研究發(fā)展情況。 1)時間飛行法 時間飛行法基于三維形貌對激光束產(chǎn)生的時間調(diào)制。原理如圖1-3所示。激光脈沖信號從發(fā)射器發(fā)出，經(jīng)待測物體表面反射后，沿近乎相同的路徑反向傳回接收器，檢測激光脈沖從發(fā)出到接收時刻之間的時間差，就可以計算出距離。結(jié)合掃描裝置使激光脈沖掃描整個物體就可以得到三維形貌數(shù)據(jù)。 時間飛行法的分辨率約為1 mm。若采用亞皮秒激光脈沖和高分辨率的電子器件，深度分辨率可達(dá)亞毫米級。采用時間相干的單光子計數(shù)法，測量lm距離，深度分辨率可達(dá)30 m;另一種稱之為飛行光全息技術(shù)的測量方法利用超短光脈沖結(jié)合數(shù)字重建，深

13、度分辨率可達(dá)6._5 m，這種方法的優(yōu)點是不存在陰影和遮擋問題。但是要得到較高的測量精度，對信號處理系統(tǒng)的時間分辨率有較高的要求。 _5)數(shù)字?jǐn)z影測量法 數(shù)字?jǐn)z影測量24系統(tǒng)如圖1-7所示，通過在物體的表面及其周圍放置標(biāo)志點，包括編碼點和非編碼點，然后從不同的角度和位置對物體進(jìn)行拍攝，得到一定數(shù)量的照片，經(jīng)過數(shù)字圖像處理、標(biāo)志點的定位、編碼點的識別，可以得到編碼點的編碼以及標(biāo)志點中心的圖像坐標(biāo)。利用這些結(jié)果，經(jīng)過相對定向、絕對定向、三維重建、以及平差計算，最后加入標(biāo)尺約束及溫度補(bǔ)償，可以得到標(biāo)志點準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)。 國外對攝影測量技術(shù)的研究起步較早，因此相應(yīng)的生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品比較多，比較典型的有美

14、國GSI公司的V-STARS系統(tǒng)、德國AICON 3D公司DPA-Pro系統(tǒng)、德國GOM公司的Tritop系統(tǒng)、加拿大EOS公司的PhotoModeler系統(tǒng)、挪威Metronor公司的Metrono:系統(tǒng)等88-93。工業(yè)攝影測量系統(tǒng)使用高分辨率數(shù)碼相機(jī)，從多個角度拍攝預(yù)先布置的圓形參考點和帶有編碼的參考點，然后自動三維重建，得到工件表面參考點的三維坐標(biāo)，精度可達(dá)0.1 mm/m。這些系統(tǒng)己經(jīng)大量應(yīng)用于航空、航天、汽車、輪船等領(lǐng)域的工業(yè)檢測以及逆向設(shè)計工作中。 數(shù)字?jǐn)z影測量能在較短時間內(nèi)準(zhǔn)確地獲得被測物體關(guān)鍵點的三維信息，從而實現(xiàn)物體的三維數(shù)字化建模，尤其適用于大型復(fù)雜工件的三維檢測，具有無

15、接觸、靈活、快速等優(yōu)勢，因此在反求工程、機(jī)械零件測量、虛擬現(xiàn)實等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。 6)數(shù)字圖像相關(guān)法 數(shù)字圖像相關(guān)法(Digital Image Correlation Method, DICM ) g0是一種光測力學(xué)變形測量方法。數(shù)字圖像相關(guān)法又稱為數(shù)字散斑相關(guān)法(Digital Speckle CorrelationMethod, DSCM。數(shù)字散斑相關(guān)方法是在二十世紀(jì)80年代由日本I. Yamaguchi和美國South Carolina大學(xué)的Ranson和Peter等人同時獨立提出的3 o I. Yamaguchi在研究物體小變形時，采用測量物體變形前后光強(qiáng)的互相關(guān)函數(shù)峰值來計

16、算物體的位移。同時，Ranson和Peter則采用電視攝像機(jī)記錄被測物體加載前后的激光散斑圖，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字灰度場，而后計算相關(guān)系數(shù)隨試湊位移及其導(dǎo)數(shù)的變化過程，找出相關(guān)系數(shù)的極值進(jìn)而得到相應(yīng)的變形參數(shù)。 數(shù)字圖像相關(guān)法的原理是通過圖像匹配的方法分析試件表面變形前后的散斑圖像，來跟蹤試件表面上幾何點的運動位移場，然后計算得到應(yīng)變場。在數(shù)字圖像相關(guān)法算法中，圖像匹配時常用圖像子區(qū)的相關(guān)性來衡量不同圖像上兩個子區(qū)的相似程度，因此該圖像子區(qū)常稱為“相關(guān)窗”。與其它變形測量方法相比，數(shù)字圖像相關(guān)法對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性更好，這是由數(shù)字圖像相關(guān)法的特性決定的。首先，數(shù)字圖像相關(guān)法處理對象是數(shù)字化的散斑

17、圖像，散斑圖像是指一類含隨機(jī)斑點分布的圖像，散斑指圖像中的隨機(jī)斑點。散斑可以由激光照在漫反射表面干涉產(chǎn)生;也可由特殊涂料(如啞光漆等)噴涂在試件表面形成(人工散斑);甚至某些材料表面的紋理也能直接構(gòu)成散斑(天然散斑)。后兩種散斑是圖像相關(guān)法測量中最常見的。因此，數(shù)字圖像相關(guān)法測量中散斑圖像在獲取時可直接采用白光照明。這一點克服了前面提到的以干涉為基礎(chǔ)的光測方法的缺點，也是數(shù)字圖像相關(guān)法具有更好的適應(yīng)性的直接原因。其次，數(shù)字圖像相關(guān)法歸根結(jié)底是一種二維數(shù)字圖像的分析方法。該方法的測量分辨率與成像系統(tǒng)的物面分辨率(指數(shù)字圖像上1個像素代表的實際長度)密切相關(guān)，物面分辨率高則測量分辨率高;數(shù)字圖像相

18、關(guān)法的an,量范圍取決于成像系統(tǒng)的視場范圍。因此，數(shù)字圖像相關(guān)法測量范圍和測量分辨率可以方便地進(jìn)行調(diào)整。這也是數(shù)字圖像相關(guān)法對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性更好的另一個原因。此外，數(shù)字圖像相關(guān)法實驗裝置簡單、實驗準(zhǔn)備快，數(shù)據(jù)處理自動化程度高，這些都使數(shù)字圖像相關(guān)法更方便易用，適應(yīng)性更好。 數(shù)字圖像相關(guān)法提出二十多年來，其理論研究和應(yīng)用發(fā)展非常迅速。正是由于數(shù)字圖像相關(guān)法具備上述特點，目前，在超大和超小試件變形測量、復(fù)雜材料變形測量和復(fù)雜環(huán)境變形測量等方面，數(shù)字圖像相關(guān)法具有很大的優(yōu)勢。隨著圖像采集設(shè)備、數(shù)字信號處理技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像相關(guān)法的測量分辨率和測量精度大大提高，應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展:借助各種

19、顯微鏡設(shè)備，數(shù)字圖像相關(guān)法可以實現(xiàn)微觀變形測量;利用高速攝影，數(shù)字圖像相關(guān)法還可以用于高速動態(tài)變形測量。 1.3.2三維形貌與變形測量研究現(xiàn)狀 綜上所述，三維形貌與變形測量研究己取得了很大進(jìn)展，部分技術(shù)己應(yīng)用于商業(yè)測量系統(tǒng)，包括數(shù)字工業(yè)近景攝影測量、條紋投影面結(jié)構(gòu)光三維形貌測量、數(shù)字圖像相關(guān)法動態(tài)變形測量等。在國際上，美國斯坦福大學(xué)、美國哈佛大學(xué)、德國亞深應(yīng)用科技大學(xué)、德國IAPG研究所、澳大利亞墨爾本大學(xué)等在三維形貌與變形測量方面均己開展了許多非常有意義的研究工作，并取得了較好的研究成果。國內(nèi)清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、四川大學(xué)以及華中科技大學(xué)等也開展了廣泛的研究，并取得了較好的階段性

20、研究成果。 1.3.3三維形貌與變形測量發(fā)展趨勢及存在的問題 通過以上分析，高速度、高精度、大尺度和復(fù)雜變形是光學(xué)三維形貌與變形測量的研究重點和難點，而這些難題正是機(jī)器視覺測量的發(fā)展趨勢。歸納起來主要有以下幾個方面: 1>高精度全自動測量 測量精度是測量領(lǐng)域永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)，對于機(jī)器視覺測量系統(tǒng)來說，影響測量精度的因素包括圖像獲取、圖像處理、相機(jī)標(biāo)定、立體匹配和三維重建等，其中，相機(jī)標(biāo)定和三維重建算法是影響視覺測量精度的關(guān)鍵因素。因此，研究高精度視覺系統(tǒng)標(biāo)定算法和三維重建算法是機(jī)器視覺領(lǐng)域的重要方向。 2)大尺寸、大變形三維測量 在航空、航天、汽車、輪船等工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，零部件的負(fù)載變形和熱變

21、形檢測需求隨著對于產(chǎn)品要求的提高而增多，同時對于產(chǎn)品在各個不同狀態(tài)下的形態(tài)檢測(如飛機(jī)機(jī)翼不同飛行狀態(tài)下的形態(tài)檢測)精度及效率要求越來越高，特別是大尺寸、大變形量測量，原有方法難以滿足需要。 3)位移場和應(yīng)變場三維測量 傳統(tǒng)的二維數(shù)字散斑相關(guān)方法，只能測量物體表面的面內(nèi)位移，而且要得到準(zhǔn)確可靠的測量結(jié)果，對于被測物體、被測物體的變形狀態(tài)以及成像系統(tǒng)還有一系列要求，包括被測物體表面近似平面、被測物體變形主要發(fā)生在面內(nèi)、攝像機(jī)光軸應(yīng)當(dāng)和被測面垂直等，這些條件在實際應(yīng)用中難以滿足，三維的位移場和應(yīng)變場測量是非常必要的，三維數(shù)字圖像相關(guān)方法尚不完善。 4)陰影遮擋問題 在工業(yè)現(xiàn)場測量環(huán)境中，往往存在遮

22、擋、陰影等因素，影響正常的測量過程。通過各種視覺方法實現(xiàn)的三維測量，陰影和遮擋問題是難以避免的，這是視覺測量研究中的瓶頸問題。針對這一問題，多年來人們花費了大量精力去研究和嘗試，也提出了很多解決問題的方法，但問題還遠(yuǎn)未得到根本解決。 _5)光滑金屬表面直接型面測量 使用機(jī)器視覺技術(shù)測量模具等高鏡面反射光滑金屬表面是一項困難的任務(wù)，雖然近年來在這方面取得了一些研究成果，但收效甚微。目前相對成熟的測量方法都需要在被測表面噴涂粉末或者啞光涂層，但這種方法降低了測量速度和測量精度。透明及無反射的特殊型面的三維測量也是視覺測量的難點。 6)海量測量點云后續(xù)處理問題 使用結(jié)構(gòu)光等視覺測量方法可以快速的得到

23、大量測量點云，在測量得到的點云中存在因遮擋、陰影等因素造成的孔洞和噪音點，在貼有標(biāo)志點的地方也會形成凸起和孔洞，多視場拼接中的數(shù)據(jù)融合問題。這些問題是點云后續(xù)處理的難點，近年來出現(xiàn)了大量的點云處理算法試圖解決這一難題，但距離實際應(yīng)用尚存在較大困難。1.4本文的主要研究內(nèi)容、目的和意義 1.4.1主要研究內(nèi)容 針對目前光學(xué)三維形貌與變形測量研究中存在的不足，本文采用理論分析和實驗研究相結(jié)合的研究方法，綜合機(jī)械工程、光學(xué)電子、計算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理和攝影測量學(xué)等多個學(xué)科對三維形貌與變形測量關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究。主要研究內(nèi)容如下: (1>基于工業(yè)攝影測量和機(jī)器視覺的基本理論，研究單

24、視幾何、雙視幾何和多視幾何中的約束方程及其定向方法。研究攝影測量中捆綁調(diào)整優(yōu)化算法的基本原理、數(shù)學(xué)模型和解算思路，討論捆綁調(diào)整算法可靠性和粗差剔除方法，為三維形貌與變形測量關(guān)鍵技術(shù)研究奠定理論基礎(chǔ)。 (2)研究相機(jī)成像畸變模型，采用十個修正參數(shù)補(bǔ)償相機(jī)鏡頭帶來的成像畸變(包括徑向畸變、偏心畸變、像平面畸變、焦距和主點誤差等)。研究基于工業(yè)攝影測量的相機(jī)柔性標(biāo)定方法和高精度圓形標(biāo)志點中心定位算法，通過標(biāo)志點中心檢測實驗和相機(jī)標(biāo)定對比實驗，驗證算法的精度和有效性。 (3)研究單相機(jī)攝影測量實現(xiàn)方案以及相關(guān)的核線匹配和三維重建算法，設(shè)計實驗框架并進(jìn)行精度驗證。研究基于外插多頻相移的雙相機(jī)結(jié)構(gòu)光測量方

25、法，通過標(biāo)準(zhǔn)球測量實驗研究了不同相機(jī)鏡頭對測量精度的影響規(guī)律。 (4)針對大尺度變形測量，研究基于工業(yè)攝影的靜態(tài)變形測量方法及其實現(xiàn)流程，研究相同變形點匹配和坐標(biāo)配準(zhǔn)算法。針對全場位移和應(yīng)變?nèi)S測量，研究三維數(shù)字圖像相關(guān)方法及關(guān)鍵技術(shù)，分析影響測量精度的因素。 (5)在上述理論與技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，將研制的雙目面掃描系統(tǒng)、靜態(tài)變形測量系統(tǒng)、動態(tài)變形測量系統(tǒng)在大型飛機(jī)全尺寸形貌測量、汽車飯金件檢測、電力塔架真型加載試驗、薄板焊接變形試驗、金屬材料拉伸試驗中進(jìn)行實驗應(yīng)用。 1.4.2目的和意義 本課題是國家863高科技計劃“大型復(fù)雜曲面產(chǎn)品的反求和三維快速檢測系統(tǒng)研究”項目的一部分，同時得到國家自然

26、科學(xué)基金項目“大型飛機(jī)風(fēng)洞試驗的三維視頻動態(tài)變形測量方法和實驗研究”的資助。高速度、高精度、大尺度和復(fù)雜變形測量是機(jī)器視覺三維測量中的難點和發(fā)展趨勢，屬學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。基于工業(yè)攝影和機(jī)器視覺的三維形貌與變形測量研究包括理論研究和技術(shù)探索，機(jī)器視覺是一個發(fā)展中的學(xué)科，其理論體系還不完備，新理論、新算法、新應(yīng)用還在不斷涌現(xiàn)。研究這一課題主要是研究新方法、提出新算法、應(yīng)用新技術(shù)，這就涉及到視覺計算、圖像處理、射影幾何、人工智能以及光學(xué)等方面理論和計算機(jī)、信息、光電器件與測量等方面技術(shù)。在理論研究和實驗研究的基礎(chǔ)上，將課題的創(chuàng)新成果應(yīng)用于生產(chǎn)實際，實現(xiàn)了使用自主研發(fā)的光學(xué)三維測量系統(tǒng)進(jìn)行大型飛

27、機(jī)全尺寸形貌的快速測量。該課題研究既具有重要的理論意義，又具有重大的實用價值，應(yīng)用前景非常廣闊，并能創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。4基于機(jī)器視覺的高精度三維重建研究4.1引言 利用相機(jī)成像數(shù)學(xué)模型從獲取的二維圖像恢復(fù)物體的三維形貌是機(jī)器視覺研究領(lǐng)域的經(jīng)典問題之一，多年來學(xué)者們提出了三維重建的多種算法，這些算法歸納起來主要分為三類:W己知圖像間的特征點的匹配關(guān)系，提取相機(jī)內(nèi)參數(shù)，計算各個視角圖像的位置關(guān)系，最后獲取三維信息，如近景攝影測量;(2>己知圖像間的對應(yīng)關(guān)系，包括相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣、旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，再通過投射光柵條紋，增加密集點相位匹配關(guān)系，實現(xiàn)三維形貌重建，如雙目立體視覺系統(tǒng);(3)直接從序列

28、圖像灰度恢復(fù)三維信息，如明暗恢復(fù)形貌(Shape from Shading，即SF'S) 132-134。其中，單相機(jī)三維重建適合應(yīng)用近景攝影測量技術(shù)實現(xiàn)，雙相機(jī)及多相機(jī)適合應(yīng)用立體視覺技術(shù)實現(xiàn)，直接從序列圖像灰度恢復(fù)三維信息的視覺算法尚不成熟，難以實現(xiàn)高精度的三維重建。 本章首先提出了攝影測量系統(tǒng)方案，然后根據(jù)這個方案，詳細(xì)闡述了核線匹配方法和三維坐標(biāo)計算方法，并對單相機(jī)三維重建精度進(jìn)行了實驗驗證。對雙相機(jī)面結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)的軟硬件組成和多頻外插密集點云相移測量技術(shù)進(jìn)行研究并搭建測試平臺，引入國際最新的VDI/VDE-2634光學(xué)系統(tǒng)精度測試標(biāo)準(zhǔn)，以此為依據(jù)設(shè)計并實施精度測試方案，通過

29、大量實驗對影響三維面結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)精度的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實驗分析并加以改進(jìn)，最終使單次測量精度可達(dá)0.03mm，能夠滿足大型復(fù)雜曲面工件快速檢測的精度要求。最后對整個測量過程進(jìn)行研究和總結(jié)，分析了測量過程中影響精度的因素。4.2單相機(jī)三維重建 4.2.1單相機(jī)三維重建原理 圖4-1為本文所采用的攝影測量系統(tǒng)方案流程。在獲取圖像之后，首先進(jìn)行標(biāo)志點檢測，得到標(biāo)志點亞像素級的圖像坐標(biāo)，高精度的標(biāo)志點檢測是保證整個攝影測量計算精度的基礎(chǔ)，如何對標(biāo)志點圖像中心進(jìn)行高精度的檢測己在第三章進(jìn)行了詳細(xì)介紹。得到標(biāo)志點中心之后，接下來就是利用這些圖像點中心坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)志點的三維重建，這一部分是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。 首先

30、按照公共標(biāo)志點數(shù)目的多少，選用兩幅圖片進(jìn)行相對定向，計算出五個外參數(shù)(使用共面方程列誤差方程，迭代運算)，如果此兩副圖像相機(jī)夾角小于30度則改用下一幅圖進(jìn)行相對定向，直到找出相機(jī)夾角大于30度的兩副圖片，完成相對定向，并重建出至少_5個編碼點的三維坐標(biāo)作為控制點。然后根據(jù)這些圖片包含的控制點數(shù)目，依次循環(huán)處理剩余的圖片:首先利用控制點定向該圖片，然后與己經(jīng)定向好的圖片分別搜索公共的未重建的編碼標(biāo)志點，然后重建出來。每定向完畢一幅圖片后，利用捆綁調(diào)整算法同時調(diào)整外參數(shù)和物體點的三維坐標(biāo)。所有圖片都定向完畢后，利用捆綁調(diào)整算法同時調(diào)整內(nèi)、外參數(shù)和物體點的三維坐標(biāo)。然后利用核線約束匹配并重建非編碼點

31、，再利用捆綁調(diào)整算法同時調(diào)整內(nèi)、外參數(shù)和物體點的三維坐標(biāo)。最后加入比例尺和溫度補(bǔ)償，得到最終的物體點三維坐標(biāo)。如果需要可以利用3-2-1對齊方法與數(shù)模進(jìn)行坐標(biāo)對齊以方便偏差分析。具體流程如圖4-1所示。 在利用控制點對照片進(jìn)行了定向之后，為了進(jìn)行平差計算，需要計算照片上其余標(biāo)志點(非控制點)的三維坐標(biāo)，即三維重建。三維重建包括標(biāo)志點匹配和計算三維坐標(biāo)兩部分。對于編碼點來說，可以利用其編號進(jìn)行直接匹配，對于非編碼點來說，需要通過其它方法進(jìn)行匹配。非編碼點的匹配常用的方法有基于特征的匹配38、最小二乘匹配135、核線約束條件匹配136等?；诤司€約束條件的匹配，如果只用兩張照片進(jìn)行匹配，產(chǎn)生錯誤匹

32、配的幾率較大，本文采用基于多張照片的核線匹配，極大的減少了誤匹配，取得了很好的匹配效果。4.3雙相機(jī)面結(jié)構(gòu)光三維重建 4.3.1雙相機(jī)面結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)構(gòu)成 三維面結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光非接觸式照相測量原理，結(jié)合結(jié)構(gòu)光、相位測量、計算機(jī)視覺等技術(shù)于一體，通過光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的條紋光柵到待測物體上，并由成一定夾角的兩個攝像機(jī)同步采集相應(yīng)圖像，然后對圖像進(jìn)行解碼和相位計算，并利用外差式多頻相移技術(shù)，將空間頻率接近的多個投影條紋解相，計算出兩個攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點的三維坐標(biāo)，從而實現(xiàn)物體的三維信息數(shù)字化和測量。 本文所開發(fā)的XJTUOM三維面結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)主要由光學(xué)投影儀、雙目數(shù)碼攝像

33、機(jī)和高性能計算機(jī)系統(tǒng)組成m。整個測量系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。硬件部分的工作主要包括掃描平臺的搭建，光柵投射器和數(shù)碼攝像機(jī)的性能參數(shù)選取等，軟件部分的工作主要是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理工作。 1)硬件結(jié)構(gòu)組成 1)光柵投射器:選用光學(xué)穩(wěn)定性較好的數(shù)字光柵投射器，分辨率為1280 x 1024 ; 2)數(shù)碼攝像機(jī):使用工業(yè)級數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，該攝像機(jī)在1280 x1024分辨率下的最大輸出可以達(dá)到7._5幀，而且提供二次開發(fā)SDK可以方便的對其進(jìn)行編程控制; 3)組合平臺一個:包括投影儀底座，相機(jī)萬向頭，連接桿，重型架等; 4)高性能計算機(jī)一臺:通過控制光柵投射器以及對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。整個系統(tǒng)的硬件部分結(jié)

34、構(gòu)如圖4-4所示。、數(shù)碼攝像機(jī)來完成整個掃描過程，2)軟件功能組成軟件部分實現(xiàn)的功能主要有:圖像采集、圖像預(yù)處理、攝像機(jī)標(biāo)定、立體匹配和三維重建，如圖4-_5所示:各部分的功能簡述如下:二維圖像的獲取是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，圖像采集質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)的步驟。l)本系統(tǒng)采用投影儀將經(jīng)過編碼的條紋光柵投射到實體上，通過兩個攝像頭同時采集實體圖像。 2)采集到的二維圖像包含了各種各樣的隨機(jī)噪聲和畸變，因此需要對原始圖像進(jìn)行預(yù)處理。圖像預(yù)處理的目的主要有兩個:一是改善圖像的視覺效果，提高圖像清晰度;二是使圖像變得更有利于計算機(jī)處理，便于各種特征分析，如特征點識別、定位等。 3)攝像機(jī)標(biāo)定是為了確定攝像機(jī)的位

35、置、屬性參數(shù)和建立成像模型，以便確定空間坐標(biāo)系中物體點與它在圖像平面上像點之間的對應(yīng)關(guān)系。攝像機(jī)標(biāo)定需要確定內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，內(nèi)部參數(shù)包括攝像機(jī)內(nèi)部的幾何和光學(xué)特性，外部參數(shù)是指相對一個物方坐標(biāo)系的攝像機(jī)坐標(biāo)系的三維位置和方向。本系統(tǒng)中，使用兩個攝像頭，需要在進(jìn)行測量之前同時進(jìn)行標(biāo)定。 4)立體匹配是指根據(jù)對所選特征的計算，依照一定的約束條件，建立特征之間的對應(yīng)關(guān)系，從而將同一個空間物理點在不同圖像中的映像點對應(yīng)起來，為后續(xù)的三維重建提供基礎(chǔ)。 5)三維重建是指在立體匹配得到視差圖像之后，恢復(fù)場景三維信息，并確定點云。影響距離測量精度的主要因素有:數(shù)字量化效應(yīng)、攝像機(jī)標(biāo)定誤差、特征檢測與匹配

36、定位精度等。 4.3.2多頻外差密集點云相移測量技術(shù) 三維面結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光非接觸式測量原理，如圖4-6所示，它結(jié)合結(jié)構(gòu)光、相位測量、計算機(jī)視覺等技術(shù)于一體，通過光柵投影裝置將數(shù)幅特定編碼的條紋光柵投射到待測物體上，并由成一定夾角的兩個攝像頭同步采集相應(yīng)圖像，然后對圖像進(jìn)行解碼和相位計算，并利用立體匹配技術(shù)和三角形測量原理，計算出兩個攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點的三維坐標(biāo)，從而實現(xiàn)物體的三維信息數(shù)字化和測量。 雙目視覺系統(tǒng)使用兩套光學(xué)鏡頭和CCD相機(jī)，采集光學(xué)投影裝置投射到物體表面的面結(jié)構(gòu)光，利用系統(tǒng)初始時的標(biāo)定值可解算出被測工件表面每個點的三維坐標(biāo)信息。 當(dāng)光柵圖案投射到被測物表面時，受物

37、體表面輪廓的調(diào)制，光柵條紋會產(chǎn)生形變，這種變形條紋可解釋為相位和振幅均被調(diào)制的空間載波信號。采集變形條紋并且對其進(jìn)行解調(diào)可以得到包含輪廓信息的相位變化，最后根據(jù)三角法原理計算出表面形貌，這類方法又稱為相位法。基于相位測量的三維輪廓測量技術(shù)的理論依據(jù)也是光學(xué)三角法，但與光學(xué)三角法的輪廓術(shù)有所不同，它不直接去尋找和判斷由于物體高度變動后的像點，而是通過相位測量間接地實現(xiàn)，由于相位信息的參與，使得這類方法與單純光學(xué)三角法有很大區(qū)別，其精度也有較大提高。 相位測量輪廓術(shù)需要精密的相移裝置和正弦性良好的條紋，相移不準(zhǔn)和投影條紋的非正弦性會對測量引入高次諧波誤差。隨著投影方式從早期的幻燈機(jī)投影到現(xiàn)在的LC

38、D(Liquid Crystal Display)及DLP ( Digital light processor)投影的發(fā)展，相移的準(zhǔn)確性己可以得到較好的保證。LCD和DLP一個顯著優(yōu)點是可編程性，可以根據(jù)需要在計算機(jī)內(nèi)產(chǎn)生有一定相差的若干幀相移條紋，然后按照相移順序由DLP依次投影到物體上，實現(xiàn)相移。這種相移方法可以實現(xiàn)零相移誤差，避免由于相移不準(zhǔn)引起的測量誤差。 相位測量輪廓法(PMP)的難點在于解包裹方法。目前常用解包裹方法為格雷Gray碼法136，如圖4-7所示: 投影Gray編碼的條紋時，第一次投影與待解相條紋節(jié)距相同的Gray碼條紋，并以攝像機(jī)攝取其圖像;第二次投影節(jié)距2倍于待解相條

39、紋的Gray碼條紋，同樣以攝像機(jī)攝取其圖像。以此類推，直到Gray碼條紋的節(jié)距達(dá)到視場一半時為止。 解碼時，首先把上面得到的各圖像進(jìn)行二值化;然后在圖像上任意一點，獲取該點在各圖像中的碼值(黑色圖像點的碼值為0，白色圖像點的碼值為1)，把獲取的各碼值按順序排列(Gray條紋節(jié)距大的其碼值排在前)，得到該點的Gray碼;將Gray碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼，然后再轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制碼，該十進(jìn)制碼就是該點所在條紋的級數(shù)。 格雷碼方法己經(jīng)比較成熟，其優(yōu)點是條紋定級非常方便，直接根據(jù)黑白分布求得格雷碼，再解碼便獲成功，算法實現(xiàn)簡單，易于實現(xiàn)產(chǎn)品化。但是缺點非常明顯:一是格雷碼只是用于對測量幅面的分級，對計算物體的相位

40、沒有幫助，無法提高測量精度;二是格雷碼的使用造成測量系統(tǒng)對測量工件的表面明暗比較敏感，黑白交界處容易受到噪聲的干擾，一般要噴顯影劑才能測量，無法測量較暗和表面劇烈變化的工件;三是單次測量幅面較小，一般小于400 mm o 對于格雷碼加相移的三維測量技術(shù)的缺點，國外一直在研究新的替代方法，提出了很多測量技術(shù)，其中外差式多頻相移技術(shù)是發(fā)展較快的方法。國內(nèi)外研究者以前提出過雙頻相移技術(shù)，雖然擺脫了格雷碼，提出了采用查找表法的雙頻相移技術(shù)、貝葉斯估計法的雙頻相移技術(shù)等，但是實際測量效果都不理想，大量試驗和理論證明采用雙頻相移技術(shù)無法滿足實際測量需要，外差式多頻相移技術(shù)是在雙頻相移技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的

41、，其光柵數(shù)目大于兩個，一般為3至6個，而且多種頻率光柵需要進(jìn)行多次相移，因此其技術(shù)難度大大增加。 采用多頻外插相移技術(shù)與傳統(tǒng)的格雷碼加相移相比，具有以下突出優(yōu)點: 1)測量工件不受明暗的影響。該技術(shù)放棄了格雷碼，采用多頻相移技術(shù)，因此該技術(shù)就避免了格雷碼帶來的問題，對測量工件的明暗基本不受影響，可在自然光照下，不用噴顯影劑就可測量大多數(shù)的工件。 2) au量幅面可以更大，而測量時間減少。如果采用格雷碼，測量幅面增大后，必須增加格雷碼的編碼位數(shù)，必須投射更多幅的格雷碼，增加了測量時間。外差式多頻相移技術(shù)更適于測量更大幅面的工件。 3)測量精度更高。采用格雷碼加相移的三維測量技術(shù)，其測量精度主要由

42、一幅光柵四次相移決定，格雷碼的使用沒有提高測量精度。而外差式多頻相移三維光學(xué)測量技術(shù)采用多個頻率的光柵相移，比只投射一種頻率的光柵精度更高，抗干擾能力強(qiáng)。 4)可以測量非連續(xù)、表面劇烈變化的工件。 這種方法分別投影多種不同空間頻率的條紋于待測面上，攝像機(jī)攝取變形的條紋圖，并利用相移法求取多種條紋的相位主值，把相位主值代入一個非常簡潔的表達(dá)式就可以恢復(fù)出條紋的真實相位。此解包裹過程針對各點單獨進(jìn)行，所以不會出現(xiàn)誤差傳遞的現(xiàn)象，可以有效保證點云識別的精確程度，比原來所采用的格雷碼結(jié)構(gòu)光投影加相移的方法更加精確，更能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場精密檢測的需要。 4.3.3光學(xué)系統(tǒng)的精度分析 1>光學(xué)鏡頭的性

43、能指標(biāo) 光學(xué)器件的光學(xué)性能規(guī)格對機(jī)器視覺系統(tǒng)的性能和精度有很大的影響。如何正確分析測量頭的光學(xué)性能規(guī)格，從而選擇出最適合測量需求的光學(xué)器件，對整個系統(tǒng)的測量精度有積極的意義。 視覺系統(tǒng)光學(xué)性能的4項最基本參數(shù)是視場(field of view )、分辨率(resolution ) ,工作距離(working distance)和景深(depth of field。同時根據(jù)不同的應(yīng)用需要，還要考慮包括焦距(f)、失真(distortion )、鏡頭畸變等特性30 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件組成來講，針對不同的被測物體，根據(jù)其大小、形狀、精度要求，選擇不同的鏡頭組和測量方式進(jìn)行測量，也對測量結(jié)果的精度有影響

44、。即使是針對同一幅面的測量要求，不同品牌、型號、焦段的鏡頭光學(xué)性能的差異，甚至同一型號鏡頭之間的個體差異，都會影響最終的測量精度和檢測結(jié)果。本章重點做了對光學(xué)系統(tǒng)的精度測試和選型工作。 2)三維光學(xué)系統(tǒng)精度測試的國際標(biāo)準(zhǔn) 針對三維光學(xué)系統(tǒng)的精度測試分析，本文研究并采用了VDI/VDE協(xié)會一一照相測量和自動控制(GMA，和德國照相測量和遙感協(xié)會的近距攝影工作組起草的VDI/VDE-2634標(biāo)準(zhǔn)。本規(guī)則自2002年提出Partl，并不斷修改完善，直至2006年提出的Part3是目前國際上針對光學(xué)測量系統(tǒng)進(jìn)行精度評估的最新標(biāo)準(zhǔn)。德國GOM公司在2007年的用戶大會上也開始提到該標(biāo)準(zhǔn)，并準(zhǔn)備將其ATO

45、S系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域。本文在國內(nèi)首先引入該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計并實施了針對三維面結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)的精度測試方案，并通過大量實驗，對XJTUOM三維面結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)的精度進(jìn)行評估和提高。 4.3.4影響測量精度的因素分析 通過對大量的實驗和實際測量工作，總結(jié)出三維面結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)的測量誤差主要表現(xiàn)為以下幾種形式: (1)采集數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)密度達(dá)不到要求。用這種不完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行點云擬合， 誤差較大，難以達(dá)到要求的測量精度。 (2)對同一表面的數(shù)據(jù)采集結(jié)果表現(xiàn)為多層點云。這種情況往往出現(xiàn)于大型工件。 (3)單幅采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響整體測量精度。 (4)多幅點云的拼接累積誤差過大，使測量結(jié)果出現(xiàn)明顯偏差。 (5

46、)點云拼接錯誤，導(dǎo)致較大測量誤差。 (6)測量結(jié)果中粗大點(噪音)數(shù)據(jù)過多。 針對上述問題，在前期點云采集的過程中，經(jīng)過多方面的實驗和測試分析，將產(chǎn)生較大測量誤差的主要原因歸納為:標(biāo)定不當(dāng);鏡頭組合選擇不當(dāng);測量順序不當(dāng);工件表面標(biāo)志點分布不當(dāng);工件被測表面預(yù)處理不當(dāng);后處理不當(dāng)?shù)取?.4多相機(jī)三維重建 在具體的工業(yè)測量作業(yè)環(huán)境中，往往存在遮擋、振動等因素，影響正常的測量過程，因此需要采用三個或者三個以上的相機(jī)組成測量系統(tǒng)，見圖4-21，避免遮擋問題，增加系統(tǒng)冗余度，提高測量精度。5三維變形測量方法研究5.1引言 隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，對于大型工件的靜態(tài)大變形的測量需求日益增加，如飛機(jī)蒙皮變形

47、、船舶殼體變形、汽車負(fù)載變形、大型水輪機(jī)葉片變形、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片變形、大型結(jié)構(gòu)件變形等。這些變形測量的結(jié)果，將為工件的加工設(shè)計提供可靠的參考依據(jù)。同時對于某些特殊要求下的檢測，如飛機(jī)機(jī)翼不同位置狀態(tài)下，左右機(jī)翼對稱性的檢測等，可以視為特殊的變形情況測量。而原有的測量手段，如應(yīng)變片測量僅能獲得被測物體局部的應(yīng)力應(yīng)變情況，并不能反映其整體的形狀變形;位移傳感器的測量量程有限，且無法反應(yīng)整體位移場的變形信息。而隨著ccD技術(shù)、計算機(jī)視覺技術(shù)等的發(fā)展，工業(yè)攝影測量技術(shù)研究有了長足的發(fā)展，使用攝影測量技術(shù)可以高效、準(zhǔn)確、非接觸地獲取被測物體表面所設(shè)置的關(guān)鍵點的三維空間信息。本章正是基于工業(yè)攝影測量技術(shù)，

48、研究了如何將各個狀態(tài)下的被測物體的三維空間信息相互匹配，從而獲得被測物體在多個變形狀態(tài)下的三維空間位移變形信息，實現(xiàn)大型工件靜態(tài)變形測量。 數(shù)字圖像相關(guān)方法作為一種非接觸式光測力學(xué)實驗方法，可用于測量物體的動態(tài) 數(shù)字圖像相關(guān)方法作為一種非接觸式光測力學(xué)實驗方法，可用于測量物體的動態(tài)變形。該方法所具有的優(yōu)勢，可以彌補(bǔ)一些傳統(tǒng)變形測量方法中存在的布線復(fù)雜費時、不易得到全場數(shù)據(jù)以及測量環(huán)境要求過高等不足。在深入研究國內(nèi)外己有變形測量理論的基礎(chǔ)上，考慮了實驗和實際工程測量需要，本文將立體視覺技術(shù)和數(shù)字圖像相關(guān)方法相結(jié)合，研究并實現(xiàn)了基于數(shù)字圖像相關(guān)法的三維動態(tài)變形測量方法。研究了數(shù)字圖像相關(guān)的基本原理

49、、相關(guān)系數(shù)、相關(guān)搜索算法以及相關(guān)區(qū)域校正模型，通過引入盒濾波改進(jìn)了整像素相關(guān)搜索算法。對影響測量精度的因素進(jìn)行了分析并提出了散斑圖像光照不均勻的校正方法。5.2靜態(tài)變形測量 5.2.1靜態(tài)變形測量原理 本文研究的靜態(tài)變形測量所采用的方法為:通過測量放置在被測物體上的標(biāo)志點在各個變形狀態(tài)下的空間三維坐標(biāo)信息的改變，從而反映出被測物體的整體位移變形場信息。采用攝影測量技術(shù)獲得大型工件上所放置的人工標(biāo)志點的三維空間信息，具有精度高、自動化程度高、放置簡單、工作量小等優(yōu)點。 圖_5-1為靜態(tài)變形測量系統(tǒng)測量流程圖。其中(a)為在線測量流程圖，Cb)為離線測量流程圖。 1)放置全球點 在被測物體四周，不

50、發(fā)生變形的位置(如地面、固定支撐物等)放置編碼標(biāo)志點作為全球點，全球點在后期坐標(biāo)配準(zhǔn)中使用。全球點的放置應(yīng)滿足: (a)全球點作為各個狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)，應(yīng)放置在不隨工件發(fā)生變形的位置，以保證變形過程中全球點的空間位置不發(fā)生改變。 (b)根據(jù)不同的工件尺寸和形狀，放置全球點時應(yīng)不少于4個，并且所有全球點應(yīng)不在同一平面內(nèi)。 (c)所有全球點所構(gòu)成的區(qū)域應(yīng)將變形工件包圍在內(nèi)。 2)放置標(biāo)志點 根據(jù)攝影測量的要求，在被測物體周圍和被測物體的表面放置(一般多為粘貼)標(biāo)志點(包括編碼標(biāo)志點和非編碼標(biāo)志點)，標(biāo)志點將隨工件的變形而改變空間位置，以作為后期反映工件變形量的計算數(shù)據(jù)。標(biāo)志點的放置應(yīng)滿足: (

51、a)標(biāo)志點作為后期變形計算的數(shù)據(jù)，應(yīng)緊密粘貼在工件的變形區(qū)域，使其在變形過程中不會發(fā)生脫落，粘貼時切勿折疊或弄臟變形點; (b)要求編碼標(biāo)志點的粘貼密度應(yīng)滿足每張照片中有大于4個編碼標(biāo)志點; (c)擺放非編碼標(biāo)志點時應(yīng)滿足各個方向的拍照都能看到8個點以上; (d)要求非編碼標(biāo)志點每2個點之間的距離應(yīng)大于變形工件每個變形狀態(tài)之間最大變形量的2倍。 3)獲取被測物體圖像信息 根據(jù)攝影測量技術(shù)要求，從不同角度對被測物體進(jìn)行拍攝，獲取被測物體的圖像信息，用于攝影測量重建。對變形狀態(tài)進(jìn)行取樣拍攝時應(yīng)滿足: (a)標(biāo)尺不要壓在工件上以免工件變形; (b>所有變形狀態(tài)中應(yīng)使用同一標(biāo)尺; (e)拍攝時相

52、機(jī)應(yīng)使用黑白模式，感光度Zoo為佳，光線特別暗時，可以調(diào)高感光度，但要注意拍攝時保持穩(wěn)定; (d)拍攝時相機(jī)應(yīng)使用自動對焦模式，閃光等處于打開狀態(tài);保持恒定焦距，在拍攝過程中不要調(diào)焦距; (e)拍攝時相機(jī)不要抖動，保證照片不要模糊; 帥按被測物大小不同，每個被測物應(yīng)拍攝30-100張不同角度的照片; (g)保證每張照片包含至少8個非編碼標(biāo)志點; (h)保證每個編標(biāo)志碼點至少在8張照片中出現(xiàn); (i)標(biāo)尺被整體拍到的次數(shù)在三次以上。 一般圖像由許多連續(xù)的交疊的圖像組成，比如在與被測物體成4_5度的方向順時針拍攝一周。選擇測量的標(biāo)尺，一般情況下兩個標(biāo)尺都要用。理想情況下物體的大小與標(biāo)尺應(yīng)為1: 1

53、，并且標(biāo)尺和被測量的物體至少在一張圖片中被完全包含，這樣會在很多相匹配的圖片中有很多共同的非編碼標(biāo)志點，可以提高測量精度，并且自動計算出非編碼標(biāo)志點。當(dāng)測量一個無法在一張圖像中完全顯示的大件物體時，可以使用拼接的方法。 4)加載變形 如果變形過程尚未結(jié)束則需要繼續(xù)進(jìn)行加載，使被測物體繼續(xù)變形。加載變形要求:加載變形不得改變?nèi)螯c的空間位置。 _5)狀態(tài)標(biāo)志點信息重建 通過對每個狀態(tài)所獲得的圖像信息進(jìn)行處理，將各個狀態(tài)的變形點信息進(jìn)行重建。各狀態(tài)的變形點信息的重建采用光學(xué)攝影測量的原理，包括對拍攝圖像的圖像識別以獲得標(biāo)志點在各個圖像上的中心坐標(biāo)，再通過捆綁調(diào)整和圖像匹配的方法對變形點的空間位置進(jìn)

54、行精確重建，并對每個變形點進(jìn)行編號。重建變形點信息應(yīng)滿足: (a)基準(zhǔn)狀態(tài)的全球點應(yīng)全部重建成功; (b)其余變形狀態(tài)的全球點數(shù)目應(yīng)多于4個; (c)各個變形狀態(tài)的標(biāo)尺使用成功; (d)所有變形狀態(tài)中的變形點信息均重建成功。 6)坐標(biāo)配準(zhǔn) 通過全球點進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)。根據(jù)全球點在不同狀態(tài)重建后的坐標(biāo)信息，使用本章中的坐標(biāo)配準(zhǔn)算法進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，將所有狀態(tài)下的變形點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下。 7)相同變形點匹配 根據(jù)各個狀態(tài)下的非編碼點坐標(biāo)，通過本章介紹的方法將相同非編碼標(biāo)志點在不同狀態(tài)下的編號信息置為相同，使相同變形點在各個變形狀態(tài)之間相互匹配。相同變形點匹配應(yīng)滿足:通過相同變形點匹配算法，將同一變形點在各個變形狀態(tài)下的編號信息置為相同。 8)計算變形量，繪制變形色譜圖 根據(jù)全球點所轉(zhuǎn)換的同一坐標(biāo)下的所有變形點的坐標(biāo)信息和ID編號信息，將相同ID編號的變形點相互匹配起來，計算坐標(biāo)信息在各個變形狀態(tài)下的差值，計算位移變形量的大小、方向并繪制位移變形色譜圖。計算位移變形量應(yīng)滿足:同一變形點在各個變形狀態(tài)下的ID編號信息應(yīng)為相同。 5.2.2坐標(biāo)配準(zhǔn)算法 在攝影測量過程中，各個變