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光学三坐标系统标定的研究

作　者: 高宁
导　师: 申作春
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 光学三维传感相位轮廓术系统标定
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 71次
引　用: 2次
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内容摘要

随着科学技术和工业生产的发展,对表面轮廓、几何尺寸、各种模具及自由曲面的测量工作越来越多,精度也要求越来越高。传统的机械接触式测量法(如探针式),由于存在测量时间长,需进行测头半径的补偿、不能测量较软质材料等局限性。为此,人们寻求能够克服上述缺陷的三维测量办法,非接触的光学投影式三维相位轮廓术正是在这一要求下出现的。相位测量轮廓术是根据观察物体上条纹的变形情况来测量物体三维形貌的。它将成正弦变化的结构光投影到物体表面上,在另一个方向上用CCD接收经过物体表面调制后的结构光。投影条纹的相位会在一个2π周期内变换N次,从而我们可以通过多幅相移条纹图来计算得到截断的相位图。再通过相位展开算法将截断相位展开为连续相位,最后根据标定方法将所获得物体空间相位及像素坐标转换成实际空间坐标。本论文的工作是在已有的研究工作基础上,重点研究了系统的标定,给出了一种标定系统横向坐标的方法,分析了此标定方法的标准偏差,并给出了一个纠正倾角误差的方法。主要研究工作如下:在设计三维坐标测量系统时,由于加工、安装等原因,系统的各参数不可能准确确定。要实现三维形貌的测量,在安装好系统后必须进行标定,以确定相位-高度的映射关系系数及摄像机坐标到空间坐标的映射关系。我们首先建立两个坐标系:摄像机坐标系和实际空间坐标系。摄像机坐标系:以导轨为z轴(单位:相位),以摄像机拍摄图像默认的像素坐标为横向XY坐标轴。实际空间坐标:以导轨为z轴,以图像上左上角第一个圆心为圆点,且保证两个坐标系的坐标轴平行,从而形成最简单的单点透视。然后做一在要求精度范围内的移动导轨,和一标定靶面,靶面上画有排列整齐的圆,各圆圆心距离已知且固定(则实际空间坐标已知)。使靶面在导轨上移动,拍摄几个z位置处所对应得靶面的相位图以及摄像机直接拍摄的图像。通过空间相位图与z位置的坐标来确定高度-相位的转换关系系数。通过图像上各圆圆心的像素坐标与已知的实际空间坐标的映射,使用统计回归分析方法来确定像素坐标与实际空间坐标的转换关系。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-13
  1.2 光学三维传感概述  13-17
    1.2.1 被动三维传感  13-14
    1.2.2 主动三维传感  14-17
  1.3 相位轮廓术的关键技术  17-19
    1.3.1 国内外研究现状  18-19
    1.3.2 目前相位轮廓术存在的主要问题  19
  1.4 本论文的主要研究内容  19-21
第2章基本原理  21-34
  2.1 相位轮廓术  21-26
    2.1.1 相移原理  21-22
    2.1.2 相位展开  22-24
    2.1.3 极点和截断线  24-26
  2.2 透视变换  26-29
    2.2.1 点的透视变换  26-27
    2.2.2 空间立体的透视变换  27-29
  2.3 统计基本原理及最小二乘回归法  29-32
    2.3.1 统计基本原理  29-31
    2.3.2 最小二乘回归算法  31-32
  2.4 本章小结  32-34
第3章标定装置及Z坐标的标定  34-44
  3.1 测量系统构成  34-37
  3.2 标定原理  37-39
  3.3 Z坐标的标定  39-43
  3.4 本章小结  43-44
第4章系统XY坐标标定与水轮机叶片的测量  44-77
  4.1 XY坐标的标定  44-63
    4.1.1 标定平面内各圆圆心像素坐标的获取  44-48
    4.1.2 圆心的空间变化轨迹  48-57
    4.1.3 标定平面内XY坐标的标定  57-63
  4.2 倾角修正  63-72
  4.3 批次测量间的标准偏差  72-76
  4.4 本章小结  76-77
第5章水轮机叶片的测量  77-84
  5.1 水轮机叶片测量简述  77-78
  5.2 逆向工程软件  78-80
  5.3 水轮机叶片测量实验及结果  80-83
  5.4 本章小结  83-84
结论  84-85
参考文献  85-90
致谢  90

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