線結(jié)構(gòu)光視覺檢測系統(tǒng)的標定與測量-研究

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1、萬方數(shù)據(jù)長春工業(yè)大學碩士學位論文1．1研究背景和意義第一章緒論在現(xiàn)實的生產(chǎn)和生活中，為了能夠全面而準確的描述所要測量物體表面的信息，需要獲得物體的三維信息，因此對物體的三維信息測量在測量領(lǐng)域成為一個重要的分支。它主要應用在電子、紡織、汽車、機械加工等現(xiàn)代工業(yè)中[1捌。隨著現(xiàn)代自動化生產(chǎn)及機械加工的復雜程度的增加，對所加工零件的檢測精度要求也逐漸增高，特別是對一些形狀復雜的、易變形的、帶有孔心距和曲面輪廓的零件，原始的三維檢測方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求【3,4】。對新的三維檢測技術(shù)的研究是時代和發(fā)展趨勢下的必然。三維測量分為兩種

2、：接觸式、非接觸式【5,6】，其中比較典型的早期接觸式測量的代表是三坐標測量機，它是運用精密儀器，在當前比較前沿的數(shù)控、計算機、光學和電子等技術(shù)的基礎上實現(xiàn)的。在這種方法中，會有探針接觸在物體表面，原理就是通過控制探針的移動來測量物體表面三維信息，這種方法精度雖然比較高，但是卻有很大的缺點。一方面，在測量過程中，移動的探頭很容易劃到被測物體的表面而損傷到零件；另一方面，這種方法的速度比較慢，因此效率會比較低。在對曲面比較復雜的物體進行跟蹤時也比較困難，因此可靠性也低【7】。三坐標測量機的結(jié)構(gòu)比較復雜，對周圍的環(huán)境的要求也比較大，適

3、用的范圍也因此大大受到限制，所以接觸式測量對環(huán)境要求高、速度慢、可靠性低、效率低等缺點無法滿足現(xiàn)代工業(yè)高效率高精度的要求。最近的十幾年，人們開始轉(zhuǎn)向?qū)Ψ墙佑|式測量的研究。在計算機技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展的帶領(lǐng)下，非接觸式測量方法成為國內(nèi)外科研人士在對物體的三維檢測中的重點研究方向。這種方法不再需要測量設備接觸物體表面，避免了物體會受到設備的擠壓，進而使測量的精度得到了提高，因此是一種較為理想的測量方法。視覺檢測是現(xiàn)代非接觸式測量技術(shù)中重要的一種技術(shù)，根據(jù)主動光源的有無，可以分為被動三維視覺和主動三維視覺兩種。被動三維視覺又主要包括單目

4、視覺和雙目立體視覺，其中雙目立體視覺又稱為立體視差法。主動三維視覺是通過光源照射被測物體或者使視覺系統(tǒng)主動的運動來獲得物體的三維信息。比較具有代表性的主動三維視覺方法是編碼光法和結(jié)構(gòu)光法【8】。其中結(jié)構(gòu)光法在測量的過程中要同時利用到可控光源和圖像。不同的結(jié)構(gòu)光光源所投射出的光條形狀不同，根據(jù)不同的光條形狀，結(jié)構(gòu)光法又可以分為點結(jié)構(gòu)光法、線結(jié)構(gòu)光法以及編碼結(jié)構(gòu)光法等【9】。在計算機、光學和圖像處理等技術(shù)發(fā)展的帶動下，具有非接觸、量程大、速度快、光條信息易于提取等優(yōu)點的線結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測技術(shù)也日趨成熟，在測量技術(shù)中的發(fā)展前景也越來越

5、好。線結(jié)構(gòu)光視覺檢測技術(shù)是計算機視覺測量中的一項重要技術(shù)，它運用光學三角法原理，根據(jù)視覺原理，用激光光源發(fā)出的一束光掃描物體，從打在萬方數(shù)據(jù)長春工業(yè)大學碩士學位論文物體上發(fā)生畸變的光條圖像獲得被測物體表面上的三維信息【10】。這種技術(shù)不僅提高了測量的精度，速度也大大提高，因此在機械加工、零件的檢測、醫(yī)療整形、汽車制造等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。線結(jié)構(gòu)光視覺檢測系統(tǒng)精度的高低，取決于能否在采樣位置處準確的確定圖像中激光光條中心的位置。因此，提取光條中心的精度將會直接影響到整個結(jié)構(gòu)光視覺檢測系統(tǒng)的檢測精度。所以，專門對光條中心的提取方

6、法進行研究是很有必要的；再次線結(jié)構(gòu)光視覺檢測系統(tǒng)的標定對整個檢測系統(tǒng)精度的影響也是不可忽略的，也是應該進行研究的重要問題。因此，對線結(jié)構(gòu)光視覺檢測系統(tǒng)的標定和測量問題進行研究，具有很大的實際意義。1．2結(jié)構(gòu)光的視覺檢測1．2．1線結(jié)構(gòu)光法簡介線結(jié)構(gòu)光常常被看作一條光帶。如下圖1．1所示，激光器投射出一光束，這條光束經(jīng)過一個柱面鏡，然后就在空間內(nèi)形成了一個激光平面。當這個激光平面和所測的物體的表面相交時，就會在物體的表面形成一個比較亮的光條。這里的光條會隨著物體表面的深度的變化而發(fā)生調(diào)制，物體表面深度的大小決定了光條會發(fā)生畸變的程度

7、，物體表面上存在的物理間隙則會使光條變得不連續(xù)【111。能夠從發(fā)生畸變的光條圖像的信息中得到所測物體表面的三維信息，就是線結(jié)構(gòu)光視覺檢測系統(tǒng)的主要目的。由攝像機的光心位置所發(fā)射出的視線束和激光平面在空間中會相交于很多點，光條上的光點即是由在物體表面處的交點所組成得到，這樣就可以形成許多幾何三角約束，是與點結(jié)構(gòu)光模式相類似的。而線結(jié)構(gòu)光模式即是點結(jié)構(gòu)光模式在一維方向上的擴展。而與點結(jié)構(gòu)光模式不同的是，線結(jié)構(gòu)光模式的信息量會大很多，而它的復雜度卻沒有因此而增加，因此線結(jié)構(gòu)光在實際中的應用比較廣泛[121。線結(jié)構(gòu)光傳感器主要包括兩部分，

8、一部分是成像裝置，它是由線陣CCD和平面鏡所構(gòu)成的；另一部分是由半導體激光器柱面鏡構(gòu)成的面光發(fā)生系統(tǒng)。線結(jié)構(gòu)光傳感器的大致原理【13]是：由激光器投射出的激光束通過柱面鏡之后被轉(zhuǎn)換成線光源，被測物體和投射出的光面相交于一條線，這條光線經(jīng)過CCD攝像