摘要

　　立體視覺(jué)測量技術(shù)是模擬人類(lèi)視覺(jué)成像原理,采用兩臺攝像機從不同角度獲取物體的圖像,通過(guò)對圖像進(jìn)行特征點(diǎn)的提取以及立體匹配,最終建立物體的三維模型,該技術(shù)是物體三維重建的重要方法之一,其理論研究和應用技術(shù)的發(fā)展將對醫療、國防、農業(yè)、工業(yè)產(chǎn)生重要的影響。本文對立體視覺(jué)與多頻外差相移技術(shù)相結合的方法在逆向工程中的應用進(jìn)行相關(guān)論證,對其中的關(guān)鍵技術(shù)做了系統而深入的研究,并進(jìn)行了詳細的闡述。

　　本文首先對基于立體視覺(jué)的多頻外差相移技術(shù)在三維測量中的應用進(jìn)行了系統闡述,本測量系統通過(guò)DLP投影儀向被測物體投射正弦光柵,并用兩個(gè)CCD攝像機同時(shí)拍攝投影光柵圖,之后運用相位移法與外差原理相結合來(lái)完成對相位的展幵,利用立體視覺(jué)原理完成立體匹配,點(diǎn)云提取和重構并完成模型的三維重建。

　　通過(guò)對復雜曲面的測量和對比結果顯示,證明了其能夠得到高精度的測量數據。

　　其次,本文對立體視覺(jué)深度測量原理及系統的標定過(guò)程進(jìn)行論述。應用VC程序實(shí)現了張正友的平面模板標定法,并進(jìn)行實(shí)驗研究和比較。結果表明該方法簡(jiǎn)單快捷并且它是符合本次實(shí)驗精度的攝像機標定方法。

　　最后本文重點(diǎn)對如何去除條紋圖中存在的噪聲問(wèn)題進(jìn)行了研究。由于條紋圖中不僅包含著(zhù)隨機噪聲而且還存在系統噪聲,這些噪聲會(huì )擾亂條紋圖的調制光強分布,其不僅影響條紋圖的處理精度,甚至會(huì )影響測量結果的準確性,使得到的數據顯示錯誤的結果。因此,本文提出基于并行標記技術(shù)的小區域旋濾波噪聲消除法。并綜合運用前面所述的各種技術(shù),完成了對空間物體的三維信息恢復系統的平臺建立并進(jìn)行了驗證。

　　關(guān)鍵詞:雙目立體視覺(jué)相移多頻外差原理攝像機標定旋濾波三維重建

Abstract

　　The binocular stereo vision is principle of measurement is similar to image-forming principle of human view. The binocular stereo vision system is composed of two cameras to get the images of object to be tested. Based on image feature extraction and matching. Then the geometric model of measured object is set up. The stereo vision is one of the important methods to reconstruct 3D models of hypostatic object. The development of its theoretic research and application technology will bring more and more influences to medical、 national defense、agriculture and industry. And in this paper, formulation the reverse engineering with multifrequency heterodyne phase shift technology based on binocular stereo vision, the key techniques of the measurement method are systemically investigated in the thesis.

　　Firstly, the key techniques of the measurement method of multifrequency heterodyne principle are systemically investigated in the thesis. The measuring system uses binocular vision sensor to record projection sinusoidal gratings from the DLP projector, combination of stereo vision principle completed stereo matching,point cloud acquisition and reconstruction,the 3D of object was reconstructed. The experimental results show that the system can accomplish complex free-form surface measurement and the data is complete, reliable and high precision.

　　Secondly, 3-D visual principle and camera calibration are discussed emphatically. On the basis of Zhang's plane calibration method and make improvements, we conducted a series of experiments. Experiments show that the method is a high-precision camera calibration method, and the method is quick and simple.

　　Finally, this article focuses on the removal of the noise in the interferogram is researched,interferogram in either random noise or system noise will disturb the interferogram of the sinusoidal modulation of light intensity distribution, which greatly affect the accuracy of fringe pattern processing. Or even come to the wrong result, interferogram processing accuracy depends on how to removal these noise. For these reasons,in this paper, the proposed labeling technique based on a small area parallel spin filtering noise reduction algorithm, and conduct experiments. Integrated use of various techniques described earlier,the three-dimensional information space object recovery experiments.

　　Key words: Binocular stereo vision phase shift Multifrequency heterodyne principle Camera calibration spin filtering 3D reconstruction

　　對于模具型腔設計來(lái)說(shuō),模具上的缺陷將會(huì )全部復制到成型樣件上,即導致最終產(chǎn)品也繼承了樣件的全部缺點(diǎn),造成產(chǎn)品外觀(guān)光順性差、準確度低、協(xié)調性差。另外傳統的模具制造方法手工修模量大,間隙不均勻,需反復修模試模,質(zhì)量不穩定,加工周期長(cháng)。如果采用數控設備加工模具,為檢驗數控刀軌的正確性,還要進(jìn)行蠟模試切。傳統方法致命弱點(diǎn)是生成的模具型腔不具備修改性及重新設計的能力。

　　而如今,逆向工程(RE,Reverse Engineering)技術(shù)⑴的迅速發(fā)展使的快速成型成為可能,利用逆向工程設計模具型腔可以盡量避免上述問(wèn)題,最終設計出符合要求的模具型腔。

　　當然,逆向工程技術(shù)也有其局限性,因為逆向工程技術(shù)并不是孤立的。逆向工程的實(shí)施過(guò)程是多領(lǐng)域、多學(xué)科的協(xié)同過(guò)程,逆向工程的整個(gè)實(shí)施過(guò)程包括了測量數據的采集/處理、CAD/CAM系統處理和融入產(chǎn)品數據管理系統(PDMS)的過(guò)程,需要各種技術(shù)人員高度地協(xié)同和融合。因此,逆向工程技術(shù)和測量技術(shù)、CAD/以M軟件,以及從業(yè)人員的技術(shù)素質(zhì)有著(zhù)千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。在現有設備下如何在滿(mǎn)足低成本、數字化的前提下,設計出一種可以快速而準確的完成對復雜曲面的數據采集與恢復的測量系統,具有非常重要的意義。

　　逆向工程技術(shù)(RE, Reverse Engineering)是20世紀80年代中后期興起的一種新型的現代制造技術(shù)。其與傳統的正向設計有很大差別,因為該技術(shù)不僅在成型方法上采用了與傳統方法相反的思路,而且在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)運用了與傳統方法截然不同的流程,目前,逆向工程技術(shù)已經(jīng)成為新產(chǎn)品快速幵發(fā)的最有效的技術(shù),它對制造業(yè)的沖擊與提升具有廣泛而深遠的影響。

　　逆向工程(RE,Reverse Engineering,亦稱(chēng)反求工程)[2]其基本流程如圖1-1所示,即根據已存在的產(chǎn)品,反向推出該產(chǎn)品的相關(guān)數據(如產(chǎn)品圖紙或數模等),它對現有的產(chǎn)品、零件或三維原型利用三維測量設備快速、精確地測量出工件表面輪廓的三維坐標(即點(diǎn)云)或輪廓,最后利用這些點(diǎn)云重建實(shí)物的CAD模型,逆向工程是產(chǎn)品功能導向(Product Oriented),因為其不僅可以重構產(chǎn)品的原型,還可對重構的產(chǎn)品進(jìn)行相應的技術(shù)消化、進(jìn)一步改進(jìn)、深化和功能提升,以達到產(chǎn)品快速創(chuàng )新幵發(fā)的目的。

　　(1)數據獲取。物體表面數據獲取指應用3D數字化測量設備或相應的測量方法測出物體表面點(diǎn)的三維坐標數據,它是逆向工程中的重要環(huán)節。逆向工程中根據測量頭是否與物體表面相接觸,可分為接觸式與非接觸式兩類(lèi)。接觸式測量應用測量頭與物體表面相接觸來(lái)測量其表面點(diǎn)的三維坐標值;非接觸式則是運用聲、光、磁等原理為基礎,在應用相應設備和算法轉換來(lái)測量和記錄物體表面的三維坐標,本文應用的是基于立體視覺(jué)的光學(xué)非接觸測量法。

　　(2)數據處理。數據處理技術(shù)決定著(zhù)后續模型重建過(guò)程的準確性,其目的在于獲得完整一致的CAD模型的數據量,即用完整的點(diǎn)云數據信息來(lái)表示模型的形狀。

　　應用相應的軟件和算法來(lái)對點(diǎn)云數據進(jìn)行延長(cháng)、相交、剪切、填充、修補等操作,進(jìn)而重建完整的模型信息。對于構造的CAD模型進(jìn)行檢測與修正,主要包括精度和模型曲面品質(zhì)的檢測與修成等方面,目前精度評價(jià)主要靠數據模型和CAD模型比較,即對點(diǎn)云數據和模型進(jìn)行3D距離比較來(lái)判定點(diǎn)云質(zhì)量。

　　(3)模型重建與加工成型。三維模型重建是逆向工程中極為關(guān)鍵和復雜的一步,其中曲面三維重構是整個(gè)過(guò)程中的核心。經(jīng)過(guò)曲面重構后,得到的模型為曲面模型,將構造好的曲面模型輸入到CAD軟件中再將曲面模型轉換成實(shí)體模型為后續快速成型準備。利用數控機床可對其進(jìn)行實(shí)物模型的加工。在與所產(chǎn)品原型進(jìn)行比較和測量,可以驗證零件與原設計存在的不足,從而使產(chǎn)品的設計更加完善。

　　立體視覺(jué)測量技術(shù)在模具中的應用：

徑向畸變

切向畸變

標定板圖像

攝像機相對位置的標定

雙目測量系統

用相移法標定投影儀

投影儀捕獲的棋盤(pán)圖

標定球投影圖

目錄

　　摘要
　　Abstract
　　第一章 緒論
　　　　1.1 逆向工程概述
　　　　　　1.1.1 逆向工程基本概念
　　　　　　1.1.2 逆向工程關(guān)鍵技術(shù)
　　　　1.2 逆向技術(shù)發(fā)展現狀
　　　　　　1.2.1 接觸式測量
　　　　1.2.2 非接觸式測量
　　　　1.3 課題的提出及研究目的與意義
　　　　　　1.3.1 課題的提出
　　　　　　1.3.2 研究目的與意義
　　　　1.4 課題的主要內容和本文的章節劃分
　　　　本章小結:
　　第二章 多頻外差相移測量技術(shù)原理
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 相移技術(shù)概述
　　　　2.3 相位展開(kāi)算法
　　　　　　2.3.1 空間相位展開(kāi)法
　　　　　　2.3.2 時(shí)間相位展開(kāi)法
　　　　　　　　2.3.2.1 Gray編碼相移法
　　　　　　　　2.3.2.2 多頻外差相移法
　　　　2.4 條紋參數確定
　　　　2.5 數字相移
　　　　本章小結:
　　第三章 立體視覺(jué)原理及測量系統的標定
　　　　3.1 立體視覺(jué)深度測量原理
　　　　3.2 攝像機標定
　　　　　　3.2.1 參考坐標系
　　　　　　3.2.2 攝像機模型
　　　　　　3.2.3 攝像機標定概述
　　　　　　3.2.4 攝像機位置標定
　　　　3.3 攝像機標定的實(shí)現
　　　　3.4 投影儀標定概述
　　　　本章小結
　　第四章 測量系統構成及圖像預處理
　　　　4.1 系統硬件組成
　　　　4.2 系統軟件組成
　　　　4.3 圖像予頁(yè)處理
　　　　　　4.3.1 圖像去噪
　　　　　　4.3.2 圖像增強
　　　　　　4.3.3 邊緣檢測
　　　　　　4.3.4 Harris角點(diǎn)特征匹配
　　　　　　4.3.5 匹配試驗
　　　　本章小結:
　　第五章 三維恢復實(shí)驗與結果
　　　　5.1 實(shí)驗流程與結果
　　　　5.2 實(shí)驗精度評價(jià)
　　　　5.3 附錄:
　　第六章 結論與展望
　　　　6.1 總結
　　　　6.2 展望
　　致謝
　　參考文獻
　　作者簡(jiǎn)介
　　攻讀碩士學(xué)位期間研究成果
　　原創(chuàng )性聲明
　　論文使用授權聲明

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