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微（小）型物体视觉测量与重构方法研究

作　者: 周朗明
导　师: 郑顺义
学　校: 武汉大学
专　业: 摄影测量与遥感
关键词: 视觉测量 三维重构 仿射不变特征 微(小)型物体 轮廓切割 序列影像 规则格网 模型简化
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着计算机技术的迅速发展和视觉传感器成本的降低,视觉测量和重构技术依靠其非接触、高精度、准实时化的优点在制造和装备业的产品品质管控(Quality Control,QC)中发挥着越来越重要的作用。近些年来,加工制造方法和工艺的改进,带来了微(小)型产品(尺寸为2mm～100mm)的数量不断增加,相对应的视觉测量任务也逐渐增多并且提出了一些新的要求,如检测精度高、速度快、误判率低等。本文针对微(小)型物体视觉测量与重构中的难点,以几种微(小)型物体(电子连接器、医学牙齿模型、医用注射器、珠宝、小型非标零件)为研究对象,从二维和三维视觉测量两个方面出发,对微(小)型物体几何特征提取和识别、精密外形快速重构、三维特征测量、模型简化等具体问题进行了研究。论文的主要工作和创新点包括：1.针对微(小)型电子产品的二维几何和瑕疵的视觉测量及检测需求,介绍了一种基于最小二乘和权重函数的几何特征(直线、圆、椭圆)鲁棒性提取算法,并以几何特征作为骨架信息完成了对平面瑕疵的定位和识别。2.针对微(小)型电子产品的表面特征识别需求,提出了一种较为通用的仿射不变特征识别算法。该算法综合利用伪Zernike不变矩及SIFT匹配,能有效地解决发生旋转、缩放、平移等特征的识别和分类。3.针对纹理缺乏、形状规则的全凸微(小)型物体快速三维重构需求,提出一种基于多视轮廓线的重构算法(Shape from closed contours,SFCC),能在极短的时间内(40sec以内)得到被测目标精密的mesh模型。该算法基于序列轮廓影像,通过初次切割和精密切割两个步骤直接恢复面模型。基于该算法,设计和装配了相应的硬件设备,以钻石和注射器针头为实验目标进行了测试,其中基于SFCC方法恢复的三维钻石模型量测得到的线元素和角元素的精度分别可达到0.3mmm,0.03°,满足钻石切工等级监控的需求。4.针对复杂的不规则的微(小)型物体表面点云的拼接需求,提出一种基于旋转平台的快速拼接算法,该算法利用空间点云的柱面约束标定旋转平台,进而实现对任意角度点云的自动拼接,无需人工后处理和标志点约束,能很好的同各类三维扫描仪进行结合实现复杂物体的表面点云快速拼接,点云拼接精度同业类领先的拼接算法得到的结果相当(拼接误差为0.3mm)。5.基于点云数据,推导了三维空间几何特征(平面、球、圆柱体)的拟合公式,针对平面特征以平面度的提取进行了测试,针对球和圆柱体一款非标零件进行测试,完成了该零件上的球、圆柱特征的提取。6.基于三角网数据,提出了一种利用多方向断面线约束的最优格网简化算法,该算法能高效的对密集三角网数据进行简化,可分别输出四边形和三角形格网数据,通过同原始数据的比对,简化后的误差控制在0.04mm以内。并以口腔学科中牙模应力性分析为测量需求,将本算法生成的牙模格网数据导入三维有限元分析软件,成功的获取到应力性分析数据。

全文目录


博士生自认为的论文创新点  7-8
致谢  8-12
摘要  12-14
Abstract  14-16
1 绪论  16-28
  1.1 研究背景与意义  16-24
    1.1.1 视觉测量与重构的定义及其应用领域  17-19
    1.1.2 微(小)型物体视觉测量与重构的特点  19
    1.1.3 微(小)型物体视觉测量与重构国内外研究现状  19-23
    1.1.4 微(小)型物体视觉测量与重构发展趋势  23-24
  1.2 论文内容与结构安排  24-28
    1.2.1 论文主要内容  24-26
    1.2.2 论文的结构安排  26-28
2 微(小)型物体二维视觉测量与检测方法  28-58
  2.1平面几何特征的鲁棒提取及瑕班检测  28-39
    2.1.1 几何特征拟合  28-37
    2.1.2 瑕疵检测  37-38
    2.1.3 实验结果  38-39
  2.2 仿射不变的表面特征识别方法  39-51
    2.2.1 伪Zernike不变矩  41-44
    2.2.2 SIFT特征匹配  44-45
    2.2.3 仿射不变的特征识别流程  45-46
    2.2.4 实验结果  46-51
  2.3 连接器视觉检测自动化系统  51-58
    2.3.1 视觉检测自动化硬件设备  52-53
    2.3.2 视觉检测软件系统  53-55
    2.3.3 连接器视觉检测解决方案  55-58
3 规则凸面微(小)型物体三维重构与测量方法  58-87
  3.1 多视闭合轮廓重构原理  59-60
  3.2 多视轮廓线的三维重构  60-78
    3.2.1 高精度闭合轮廓的提取  62-66
    3.2.2 闭合轮廓线的定义及坐标转换关系  66-71
    3.2.3 基于多视轮廓线及合并面的空间切割  71-78
  3.3 实验结果  78-87
    3.3.1 序列影像硬件采集设备  78-79
    3.3.2 钻石目标的闭合轮廓线提取  79-80
    3.3.3 钻石三维刻面形状恢复  80-81
    3.3.4 钻石刻面分类及三维量测  81-85
    3.3.5 注射器针头三维重构及测量结果  85-87
4 不规则微(小)型物体三维重构与测量方法  87-124
  4.1 基于编码结构光和核线约束的三维重构  88-94
    4.1.1 格雷码编码原理  88-89
    4.1.2 格雷码和核线约束的三维重构  89-93
    4.1.3 实验结果  93-94
  4.2 基于旋转平台的多视点云配准  94-105
    4.2.1 三维柱面空间约束  95-101
    4.2.2 旋转平台参数解算过程  101-102
    4.2.3 点云配准过程  102-103
    4.2.4 实验结果  103-105
  4.3 基于点云的几何特征提取和拟合  105-113
    4.3.1 平面特征拟合  105-106
    4.3.2 球特征拟合  106-107
    4.3.3 圆柱体特征拟合  107-113
    4.3.4 实验结果  113
  4.4 利用多层断面线的规则格网简化  113-124
    4.4.1 DSM获取  114
    4.4.2 多方向断面线的生成  114-119
    4.4.3 规则格网点的生成  119-121
    4.4.4 实验结果  121-124
5 总结与展望  124-127
参考文献  127-136
攻博期间发表的与学位论文相关的科研成果目录  136-137
附录：部分章节中的彩图  137-141

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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