基于自适应双目条纹投影的柱类零件空间状态测量关键技术研究
发布时间：2022-01-25 06:13
以柱类零件为代表的回转体零件,在机械制造等工业活动中有着广泛应用。尤其在自动化装配或复杂装配环境中,为实现精密装配、确保产品质量,对柱类零件的空间状态进行快速、精确检测具有重要需求。然而,柱类零件一般近无表面纹理,且以金属材质或复合材料为主,具有较高的反光特性等因素,均限制了柱类零件空间状态的精密测量。由于非接触、高速、高精度的优点,基于条纹投影的三维测量技术在人脸识别、工业检测、质量检验等方面得到了大量应用,成为近年来的研究热点。本文以高动态范围柱类零件的空间状态测量为研究对象,针对近无表面纹理特征、表面反光的测量难点,通过融合双目视觉和条纹投影测量轮廓术,提出自适应双目条纹投影方法,并对其关键技术进行了研究,重点解决了高精度相机标定问题、高动态范围条纹图像问题、条纹图像滤波问题、非完整点云圆柱拟合问题等。论文主要研究内容包括:（1）研究高鲁棒标定靶中心提取方法。标定靶中心提取是进行相机标定的基础,对圆特征标定靶图像的亚像素高精度分割、椭圆中心提取等进行了研究,基于模糊商空间理论提出了图像分割动态粒度矩阵空间模型,将图像分割问题描述为图像在不同粒度、不同层次上的转换和跳跃,通过信息熵...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２点激光法和线激光法??点激光法的测量原理是在物体周向布设１个或多个点激光传感器，通过设定物体??
一次只能测量一个小尺寸圆柱直径。基于多显微视??觉，Ｌｉｕ［ｌ（）］提出了空间长圆柱零件相对位姿估计方法，采用粗位姿估计反映多条边缘之??间的平均方向差，使其能够快速收敛；细位姿估计用于判断圆柱零件之间是否相互干??扰，在多边约束条件下提供更高的方向测量精度。Ｓｏｍａｎｉ［ｎ］提出了一种利用噪声??ＲＧＢ－Ｄ传感器进行目标检测和姿态估计的方法。它还可用于确定不完整的物体姿态，??包括对称物体的姿态。张玉纲等［１２］通过搭建由光学显微镜、ＣＣＤ相机和ＬＥＤ光源组成??的视觉检测系统，如图１．３所示，对Ｖ型槽中的圆柱体的边缘进行精确定位，通过与??事先标定值进行比较自动判断圆柱的直径。然而该方法无法检测圆柱的轴线向量。??图１．３显微视觉检测系统??郗珍妹［１３］开发了一台基于面阵ＣＣＤ的大范围细圆柱直径测量系统，该系统融合光??幕法和衍射法，提高了系统的测量范围，测量精度达到１０微米，然而系统过于复杂，??无法适用于在线检测。申晓彦［１４］针对轴对称构件几何尺寸测量需求，采用在圆柱周边??环绕多相机方式，从不同角度采集物体的图像。其原理是采用基于边缘的方式，对边??缘进行圆拟合，但受多相机标定误差、拟合误差的影响较大。郑顺义等１ｉ５］利用双目视??觉，提出基于模型和广义摄影测量理论的圆柱测方法，如图１．４所示，然而其采用??Ｃａｎｎｙ算子进行像素级边缘分割，降低了测量精度。通过圆柱测量实验，直径检测精??度可达到±０．０３ｍｍ，但计算模型过于复杂，且鲁棒性不高。??４??
?基于自适应双目条纹投影的柱类零件空间状态测量关键技术研宄???图１．４双目视觉检测圆柱??可以看出，受物体表面光滑、无纹理特征等因素的限制，视觉测量方法难以实现??精确的匹配，且难以测量柱类零件轴线。视觉测量方法通常基于边缘分割方法实现物??体的检测，可用于精度要求不高的场合。??１．２．２基于线激光的柱类零件空间状态测量研宄现状??Ｔａｍｕｒａ１１６１提出了一种利用激光测距仪对圆柱形物体进行精确远距离位置测量的系??统，利用最小二乘法或最大似然估计法来估计物体的中心位置。同样，Ｌｉｎｙ１１７１利用激??光测距仪来自动测量圆柱形物体的坐标，基于自适应距离法和扩展卡尔曼滤波得到了??近似最优解。Ｒｉｃｈｔｓｆｅｌｄ等［１８］提出了一种快速和稳健的方法，采用旋转激光测距仪扫描??工作台上的物体，可以从单一视图和变化的光照条件下，在稀疏和噪声范围数据中拟??合圆柱体。显然，文献［１６－１８］中的系统只估计了圆柱形物体的中心和直径，但无法测??量圆柱轴线方向。光条中心位置的准确提取是精密测量的前提，１＾１｜｜９］提出了一种自适??应线激光条纹中心提取方法，首先利用基于自适应阈值的功率变换来提高图像的对比??度，然后采用自适应双阈值Ｃａｎｎｙ边缘检测方法得到像素级的光条中心点，最后使用??Ｈｅｓｓｉａｎ矩阵提取亚像素级中心点。Ｄｅｍｅｙｅｒｅ等应用线结构光法测圆柱物体直径和??姿态，其理论基础是“三切线法”，即由三条切线可以定义一个圆，从而获得一个圆柱??物体的半径和轴线方向。Ｃｈｅｎ等［２２］提出了一种基于光截面传感器的圆柱物体半径和方??位测量方法，如图１．５所示。首先，对线激光测量数据进行粗略识别和准确筛选，有效?
【参考文献】：
期刊论文
[1]精密测量中的圆柱拟合算法研究[J]. 郝雪,毕超,刘京亮,丁灏. 航空精密制造技术. 2019(02)
[2]基于近邻搜索的激光点云数据孤立噪点滤波研究[J]. 张芳菲,梁玉斌,王佳. 测绘工程. 2018(11)
[3]基于高动态范围图像技术的高光误差补偿方法[J]. 吴雨祥,李明阳,杨眉,李绒,岳慧敏,刘永. 红外技术. 2018(10)
[4]基于多频外差的全频解相方法[J]. 刘飞,李佳鑫,赖俊霖,何春桥. 激光与光电子学进展. 2019(01)
[5]基于法向修正的双边滤波点云去噪处理[J]. 卢钰仁,张明路,吕晓玲,田颖. 仪表技术与传感器. 2018(07)
[6]基于自适应条纹投影的彩色物体三维形貌测量[J]. 陈超,高楠,王向军,张宗华. 光学学报. 2018(08)
[7]基于自适应条纹投影的高反光物体三维面形测量[J]. 王柳,陈超,高楠,张宗华. 应用光学. 2018(03)
[8]一种圆柱面拟合方法[J]. 袁建刚,潘轶. 工程勘察. 2017(12)
[9]基于离群点探测准则和主成分分析的点云平面拟合效果研究[J]. 丁鸽,赵若鹏,卞磊,陈艳华. 测绘地理信息. 2017(03)
[10]多频外差原理相位解包裹方法的改进[J]. 陈松林,赵吉宾,夏仁波. 光学学报. 2016(04)
博士论文
[1]高动态范围光亮表面的结构光三维形貌测量方法研究与实现[D]. 林辉.广东工业大学 2017
[2]基于云制造的单件定制生产智能调度关键技术研究[D]. 刘觅.重庆大学 2016
[3]基于结构光的三维感知系统关键问题研究[D]. 丛鹏宇.北京理工大学 2015
[4]粒度格矩阵空间模型及其应用研究[D]. 郝晓丽.太原理工大学 2009
硕士论文
[1]基于随机采样一致性的散乱堆放棒料的位姿识别系统研究[D]. 朱思斯.湖北工业大学 2019
[2]基于面结构光立体视觉的三维测量技术研究[D]. 章登极.深圳大学 2018
[3]条纹投影轮廓术的高效立体匹配方法研究[D]. 杨洋.深圳大学 2018
[4]高精度三维测量关键技术的研究[D]. 王帅.北京邮电大学 2018
[5]高动态范围光栅投影三维测量技术研究[D]. 李韶旭.东南大学 2018
[6]三维激光扫描点云数据分类去噪及空洞修复算法研究[D]. 陈雪荣.长安大学 2017
[7]基于CCD的大范围直径测量系统研究[D]. 郗珍妹.北京交通大学 2015
[8]基于PMP的钢轨表面缺陷检测研究[D]. 于跃.西南交通大学 2015
[9]高精度面结构光三维测量方法研究[D]. 赵必玉.电子科技大学 2015
[10]基于双目结构光的三维测量技术研究[D]. 阳鹏程.浙江大学 2014
本文编号：3608033
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２点激光法和线激光法??点激光法的测量原理是在物体周向布设１个或多个点激光传感器，通过设定物体??
一次只能测量一个小尺寸圆柱直径。基于多显微视??觉，Ｌｉｕ［ｌ（）］提出了空间长圆柱零件相对位姿估计方法，采用粗位姿估计反映多条边缘之??间的平均方向差，使其能够快速收敛；细位姿估计用于判断圆柱零件之间是否相互干??扰，在多边约束条件下提供更高的方向测量精度。Ｓｏｍａｎｉ［ｎ］提出了一种利用噪声??ＲＧＢ－Ｄ传感器进行目标检测和姿态估计的方法。它还可用于确定不完整的物体姿态，??包括对称物体的姿态。张玉纲等［１２］通过搭建由光学显微镜、ＣＣＤ相机和ＬＥＤ光源组成??的视觉检测系统，如图１．３所示，对Ｖ型槽中的圆柱体的边缘进行精确定位，通过与??事先标定值进行比较自动判断圆柱的直径。然而该方法无法检测圆柱的轴线向量。??图１．３显微视觉检测系统??郗珍妹［１３］开发了一台基于面阵ＣＣＤ的大范围细圆柱直径测量系统，该系统融合光??幕法和衍射法，提高了系统的测量范围，测量精度达到１０微米，然而系统过于复杂，??无法适用于在线检测。申晓彦［１４］针对轴对称构件几何尺寸测量需求，采用在圆柱周边??环绕多相机方式，从不同角度采集物体的图像。其原理是采用基于边缘的方式，对边??缘进行圆拟合，但受多相机标定误差、拟合误差的影响较大。郑顺义等１ｉ５］利用双目视??觉，提出基于模型和广义摄影测量理论的圆柱测方法，如图１．４所示，然而其采用??Ｃａｎｎｙ算子进行像素级边缘分割，降低了测量精度。通过圆柱测量实验，直径检测精??度可达到±０．０３ｍｍ，但计算模型过于复杂，且鲁棒性不高。??４??
?基于自适应双目条纹投影的柱类零件空间状态测量关键技术研宄???图１．４双目视觉检测圆柱??可以看出，受物体表面光滑、无纹理特征等因素的限制，视觉测量方法难以实现??精确的匹配，且难以测量柱类零件轴线。视觉测量方法通常基于边缘分割方法实现物??体的检测，可用于精度要求不高的场合。??１．２．２基于线激光的柱类零件空间状态测量研宄现状??Ｔａｍｕｒａ１１６１提出了一种利用激光测距仪对圆柱形物体进行精确远距离位置测量的系??统，利用最小二乘法或最大似然估计法来估计物体的中心位置。同样，Ｌｉｎｙ１１７１利用激??光测距仪来自动测量圆柱形物体的坐标，基于自适应距离法和扩展卡尔曼滤波得到了??近似最优解。Ｒｉｃｈｔｓｆｅｌｄ等［１８］提出了一种快速和稳健的方法，采用旋转激光测距仪扫描??工作台上的物体，可以从单一视图和变化的光照条件下，在稀疏和噪声范围数据中拟??合圆柱体。显然，文献［１６－１８］中的系统只估计了圆柱形物体的中心和直径，但无法测??量圆柱轴线方向。光条中心位置的准确提取是精密测量的前提，１＾１｜｜９］提出了一种自适??应线激光条纹中心提取方法，首先利用基于自适应阈值的功率变换来提高图像的对比??度，然后采用自适应双阈值Ｃａｎｎｙ边缘检测方法得到像素级的光条中心点，最后使用??Ｈｅｓｓｉａｎ矩阵提取亚像素级中心点。Ｄｅｍｅｙｅｒｅ等应用线结构光法测圆柱物体直径和??姿态，其理论基础是“三切线法”，即由三条切线可以定义一个圆，从而获得一个圆柱??物体的半径和轴线方向。Ｃｈｅｎ等［２２］提出了一种基于光截面传感器的圆柱物体半径和方??位测量方法，如图１．５所示。首先，对线激光测量数据进行粗略识别和准确筛选，有效?
【参考文献】：
期刊论文
[1]精密测量中的圆柱拟合算法研究[J]. 郝雪,毕超,刘京亮,丁灏. 航空精密制造技术. 2019(02)
[2]基于近邻搜索的激光点云数据孤立噪点滤波研究[J]. 张芳菲,梁玉斌,王佳. 测绘工程. 2018(11)
[3]基于高动态范围图像技术的高光误差补偿方法[J]. 吴雨祥,李明阳,杨眉,李绒,岳慧敏,刘永. 红外技术. 2018(10)
[4]基于多频外差的全频解相方法[J]. 刘飞,李佳鑫,赖俊霖,何春桥. 激光与光电子学进展. 2019(01)
[5]基于法向修正的双边滤波点云去噪处理[J]. 卢钰仁,张明路,吕晓玲,田颖. 仪表技术与传感器. 2018(07)
[6]基于自适应条纹投影的彩色物体三维形貌测量[J]. 陈超,高楠,王向军,张宗华. 光学学报. 2018(08)
[7]基于自适应条纹投影的高反光物体三维面形测量[J]. 王柳,陈超,高楠,张宗华. 应用光学. 2018(03)
[8]一种圆柱面拟合方法[J]. 袁建刚,潘轶. 工程勘察. 2017(12)
[9]基于离群点探测准则和主成分分析的点云平面拟合效果研究[J]. 丁鸽,赵若鹏,卞磊,陈艳华. 测绘地理信息. 2017(03)
[10]多频外差原理相位解包裹方法的改进[J]. 陈松林,赵吉宾,夏仁波. 光学学报. 2016(04)
博士论文
[1]高动态范围光亮表面的结构光三维形貌测量方法研究与实现[D]. 林辉.广东工业大学 2017
[2]基于云制造的单件定制生产智能调度关键技术研究[D]. 刘觅.重庆大学 2016
[3]基于结构光的三维感知系统关键问题研究[D]. 丛鹏宇.北京理工大学 2015
[4]粒度格矩阵空间模型及其应用研究[D]. 郝晓丽.太原理工大学 2009
硕士论文
[1]基于随机采样一致性的散乱堆放棒料的位姿识别系统研究[D]. 朱思斯.湖北工业大学 2019
[2]基于面结构光立体视觉的三维测量技术研究[D]. 章登极.深圳大学 2018
[3]条纹投影轮廓术的高效立体匹配方法研究[D]. 杨洋.深圳大学 2018
[4]高精度三维测量关键技术的研究[D]. 王帅.北京邮电大学 2018
[5]高动态范围光栅投影三维测量技术研究[D]. 李韶旭.东南大学 2018
[6]三维激光扫描点云数据分类去噪及空洞修复算法研究[D]. 陈雪荣.长安大学 2017
[7]基于CCD的大范围直径测量系统研究[D]. 郗珍妹.北京交通大学 2015
[8]基于PMP的钢轨表面缺陷检测研究[D]. 于跃.西南交通大学 2015
[9]高精度面结构光三维测量方法研究[D]. 赵必玉.电子科技大学 2015
[10]基于双目结构光的三维测量技术研究[D]. 阳鹏程.浙江大学 2014
本文编号：3608033
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