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光笔双目视觉测量系统的研究

作　者: 刘一宇
导　师: 罗意平
学　校: 中南大学
专　业: 交通设备与信息工程
关键词: 测量光笔双目视觉测量大尺寸三坐标测量张正友标定
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 92次
引　用: 2次
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内容摘要

随着大型装备制造技术的发展,大尺寸工件测量需求和测量技术之间的矛盾日益突出,在对便携式测量系统充分研究的基础上,设计了光笔双目视觉测量系统。系统具有测量方便、灵活、量程大、测量精度较高等优点,为一般精度要求大尺寸测量提供了一种新的测量技术。对光笔双目视觉测量系统的测量原理、镜头标定方法、光点中心坐标提取等问题进行了深入的研究。实验研究证明了在有效的测量范围内系统具有较高的测量精度。主要的研究工作包括以下几个方面：(1)研究不同规格的发光二极管成像对光笔测量的影响。选取了不同光色特性、发光强度、发光结构的发光二极管进行了对比实验,分析了二极管产生眩光的原因,并采取多种方法限制眩光的产生。(2)根据摄像机透视变换原理建立了包含镜头畸变的双摄像机透视模型。研究一种适合现场快速高精度的标定方法,采用张正友标定法对摄像机进行了标定实验,对标定的结果和误差的原因进行了分析,纠正摄像机的畸变误差。(3)研究并设计出了一种用于双目视觉测量系统的七光点式测量光笔。(4)研究从图像中精确计算椭圆像点中心坐标的方法。采用改进的Otsu算法进行图像预处理,采用Canny方法提取图像的轮廓边缘点,进一步实现图像轮廓跟踪和边缘点序列化,提出了基于二维高斯曲面拟合函数的椭圆轮廓中心点坐标值亚像素提取方法。论文提出了七点式测量光笔结构,该结构具有左右对称的冗余设计,并利用共线三点透视原理和空间点三角形相似原理,最大限度的减小测量误差,提高了光笔测量仪的鲁棒性；实现了像点椭圆轮廓的提取和编码序列化。采用基于二维高斯曲面拟合函数的椭圆形像点中心坐标提取方法,通过对比实验说明该方法是稳定可靠的。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-13
  1.1 大尺寸测量技术的现状  8-11
  1.2 课题研究意义和主要的研究内容  11-13
    1.2.1 课题研究的意义  11
    1.2.2 课题研究的主要内容  11-13
第二章光笔双目视觉测量系统的构成  13-19
  2.1 图像采集设备  13-15
  2.2 测量光笔光源系统  15-19
    2.2.1 发光二极管的发光特性及主要参数  15-16
    2.2.2 发光二极管驱动电路设计  16-17
    2.2.3 发光二极管成像效果实验  17-19
第三章光笔双目视觉测量原理  19-40
  3.1 双目视觉三坐标测量系统摄像机模型  19-24
    3.1.1 摄像机透视变换模型  19-21
    3.1.2 镜头畸变模型  21-22
    3.1.3 双目立体视觉模型  22-24
  3.2 摄像机的标定方法  24-28
    3.2.1 基于径向约束的Tsai两步标定法  24-26
    3.2.2 基于平面标定板的张正友标定法  26-28
  3.3 双目视觉张正友标定实验  28-30
    3.3.1 标定实验  28-30
    3.3.2 实验结论  30
  3.4 光笔视觉测量原理  30-40
    3.4.1 n点透视问题及其解的唯一性证明  31-33
    3.4.2 系统理论模型的建立和求解  33-35
    3.4.3 采用最小二乘法对控制点三坐标进行空间直线拟合  35-37
    3.4.4 七点型光笔双目视觉测量模型  37-40
第四章测量光笔功能结构的设计  40-47
  4.1 光笔笔架结构的改进  40-42
  4.2 光笔的尺寸设计  42-45
    4.2.1 光笔的尺寸参数设计  42-45
    4.2.2 光笔的形状和位置公差设计  45
  4.3 光笔的加工工艺  45-47
第五章光笔双目视觉测量系统的图像数据处理  47-63
  5.1 点光源数字图像边缘提取和轮廓识别  47-57
    5.1.1 图像的预处理和图像增强  47-50
    5.1.2 图像的边缘检测  50-53
    5.1.3 基于Freeman算法的二维图像轮廓跟踪  53-54
    5.1.4 点光源图像轮廓的识别  54-57
  5.2 点光源椭圆轮廓中心坐标的提取  57-63
    5.2.1 灰度质心法  58
    5.2.2 最小二乘椭圆拟合算法  58-59
    5.2.3 二维高斯曲面椭圆拟合  59-61
    5.2.4 实验与结论  61-63
第六章测量系统的精度分析和实验  63-69
  6.1 光笔测量系统理论精度和误差分析  63-65
  6.2 测量系统实验  65-69
    6.2.1 直棒型光笔测量实验  65-66
    6.2.2 七点型光笔测量实验  66-67
    6.2.3 实验结果对比与分析  67-69
第七章光笔双目视觉测量系统软件设计  69-77
  7.1 光笔双目视觉测量系统软件设计方案和开发环境  69-70
    7.1.1 设计方案  69
    7.1.2 软件开发环境  69-70
  7.2 图像采集模块的程序设计  70-71
  7.3 标定和测量模块的程序设计  71-73
    7.3.1 张正友标定模块的程序设计  71-72
    7.3.2 空间三坐标测量模块的程序设计  72-73
  7.4 数据管理模块的程序设计  73-77
第八章结论与展望  77-79
  8.1 结论  77-78
  8.2 后续工作  78-79
参考文献  79-83
致谢  83-84
攻读硕士学位期间主要的研究成果  84

光笔双目视觉测量系统的研究

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