多相机测量中相机外部参数优化与高精度姿态识别

发布时间：2020-06-05 07:53

【摘要】：数字图像相关(Digital Image Correlation,简称DIC)方法,以其光路简单、对环境要求低、非接触全场测量等优势,已经发展为光测力学研究领域最为活跃的三维变形测量技术。然而,由于受到相机空间分辨率、图像噪声以及分析手段的制约,DIC方法的测量精度和测量范围尚不能满足大多数科学研究和工程测量的需求。进一步提高DIC方法的测量精度、扩大测量范围已成为广大学者重点关注的研究课题。基于双相机及多相机视觉原理的数字图像相关测量方法,可以用于多尺度下材料或结构全表面,尤其是复杂表面三维形貌及变形测量。在多相机测量中,相机的位置与姿态,即相机的外部参数是影响变形测量精度的重要因素,本文将通过优化相机外部参数和相机姿态实时校正,构建高精度多相机测量系统,以满足大范围、高精度三维变形测量的需求。相机基线距和光轴夹角决定了相机的位置与姿态,从双相机视觉原理的数学模型出发,分析两者与测量误差之间的关系,为双相机测量寻找外部姿态参数的优化范围。结合外部参数优化与实际测量要求,实现了小尺度复杂变形及界面滑移的高精度三维变形测量。利用人机交互小视场标定方法,首次采用三维DIC方法记录并分析吕德斯带演化过程及运动特征,将吕德斯效应的实验研究拓展至三维小尺度范畴。还将三维DIC方法应用于碳纤维增强复合材料-钢界面黏结性能的实验研究中,对界面剥离扩展过程进行直接观测,获得了比现有方法更为准确的界面黏结-滑移关系。为解决双相机测量柱形构件时存在的视场受限、测量误差大等问题,建立了离散布置多相机三维变形测量系统,利用多套双相机子系统同步测量柱形表面的不同区域,实现了柱形构件的高精度全周变形测量。由于测量过程中相机位姿变化会直接影响变形测量精度,采用基于散斑场的相机外参标定方法,根据预先标定的相机内参和散斑图像相关匹配结果,使用相对定向算法计算相机之间的相对外参,实现相机姿态实时校正,避免相机位姿变化引起的测量误差。通过相机姿态变化实验和球墨铸铁容器跌落试验,验证了相机姿态实时校正的必要性和有效性。为玄武岩纤维增强复合材料加固钢筋混凝土柱的轴压试验搭建了离散布置多相机系统,通过相机姿态实时识别,对良好的测试环境和稳定的系统安装可以有效减小相机位姿变化进行了实验论证,并直观再现了圆柱全周表面变形及破坏过程中的应变分布规律。论文还利用离散布置多相机系统,精确记录了碳纤维增强复合材料加固方钢管的全周屈曲形态,为钢构件的屈曲性能实验研究提供了直观的三维测量方法。建立了连续布置多相机三维变形测量系统,将多个相机统一至全局坐标系下,形成一个整体的三维测量系统,实现了大曲率及大长细比全表面的高精度完整变形场测量。相机布置形式和视场重叠范围,决定了多个相机之间的位姿关系,影响着多相机测量精度。论文对连续布置多相机系统的优化布置进行了实验研究,四点弯实验、玻璃板平移实验和橡胶梁三点弯实验都验证了系统的测量精度。以钢筋灌浆套筒曲面变形测量为例,建立了针对大曲率复杂表面的连续布置多相机系统,测量了套筒表面的三维形貌及变形,与双相机测量、电阻应变片以及有限元分析结果相比较,证明了该系统具有足够的测量精度,为研究灌浆套筒的连接性能提供了全新的高精度测试手段。为了提高大长细比全表面变形的测量精度,设计建立了连续布置多相机系统,利用该系统进行了珊瑚礁混凝土梁抗弯试验,直观记录了梁表面变形分布及裂缝扩展过程,DIC计算结果与位移计测量结果高度吻合,为大长细比构件提供了可靠的三维测量方法。论文根据实际测量要求,从外部参数优化和相机姿态识别两个方面出发,构建多尺度下高精度的双相机测量系统和多相机测量系统,大大提高了DIC方法的测量精度,扩大了被测对象的测量范围,在很大程度上满足了工程材料及结构的三维变形测量需求。
【图文】：

以获得待测点位移，由位描述。字图像相关测量中的硬件系统进行介2.3 小节介绍常用的线性成像模型和参数；在 2.4 小节对相机标定方法进介绍数字图像相关方法的基本原理，节总结本章主要内容。步，照明可以从一定程度上增加目标对于变形测量，，仅仅自然光是远远不Light Emitting Diode）光源，采用直、环形等任何形状的光源，适用范围和加工的输出功率为 25W、电压为 2种光照强度的测试环境。

IDS[6]UI-3370CP CMOS 相机，图像分辨率为 2048 × 2048 像素，最高相机采用 USB 3.0 接口，实际传输速率可达到 400 MB/s。多相机测量]GRAS-50S5M-CCCD相机，图像分辨率为 2448×2048像素，拥有双在保证数据传输带宽的基础上，同时满足多相机串联需求，如图 2.3参数见表 2.1。表 2.1 两款相机的主要参数号传感器类型传感器尺寸像元尺寸（μm）分辨率（像素）帧频（帧/s）CPCMOS 1" 5.5 2048 ×2048 75 rey5M-CCCD 2/3" 3.45 2448 ×2048 15 就需要镜头，如图 2.4 所示，镜头参数包括靶面尺寸、焦距、视场角口等。一般需要根据被测物尺寸、视场大小、工作距离等实际测量要寸和接口类型等参数进行镜头选型。除此之外，相机的安装和固定都用如图 2.5所示的 Benro 碳纤维三脚架。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O348.1

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本文编号：2697740