1 西安交通大学 机械工程学院 机械制造系统工程国家重点实验室, 陕西 西安 710049
2 新疆大学 机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830046
3 新拓三维技术(深圳)有限公司 创新实验室, 广东 深圳 518060
为了实现复杂曲面零件高效自动化测量，本文提出了一种基于改进栅格法的面结构光扫描视点规划方法，并将其应用在汽车复杂曲面零件自动化测量中。首先，针对人工示教视点冗余严重，扫描完整性差的问题，提出了一种基于改进栅格法的面结构光扫描视点规划算法，根据面结构光扫描仪的有效测量范围，确定栅格尺寸，改进候选视点生成策略，并通过扫描仪的测量约束条件得到候选视点的有效测量范围，利用视点质量评价函数确定最优视点。其次，针对视点规划过程中算法耗时长，特征重建精度低的问题，采用体素网格法简化模型，通过八叉树算法分割复杂曲面模型，根据法向量一致性误差确定体素网格尺寸，并且对于几何特征不同的模型，分析权重系数对扫描质量的影响，给出最佳权重系数。最后，进行了汽车钣金件和减速器壳体扫描视点规划和测量实验。结果表明，汽车钣金件视点规划耗时21.93 s，扫描完整性为99.124%，扫描精度为0.025 mm；汽车减速器壳体视点规划耗时158.29 s，扫描完整性为93.231%，扫描精度为0.032 mm。本方法能快速完成复杂曲面视点规划，并且采用规划视点扫描的模型完整性好，精度高，能够满足复杂曲面零件自动测量的要求。
复杂曲面 结构光 视点规划 栅格法 质量评价函数 complex surface surface structured light viewpoint planning grid method quality evaluation function
西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049
结合透视投影模型、非参数化的光学畸变模型以及光束平差算法，提出并实现了一种标定显微立体视觉系统光路的方法。首先，通过光刻方法制作了用于显微立体视觉系统标定的标定参考物，并利用待标定系统采集标定参考物不同方位的图像。然后，基于非参数化的光学畸变模型，采用样条曲面计算得到显微立体视觉系统的畸变校正场，并结合透视投影模型建立显微立体视觉系统的完整成像模型。最后，利用光束平差算法对所建立的成像模型进行标定计算和优化调整。搭建了显微立体视觉小尺度测量装置，验证了提出的标定方法的可行性。通过标定获得了测量装置两个光路的焦距和相对方位等参数，并借助于高精度四轴位移台对标定结果进行了精度验证。结果表明，采用本文方法标定后位移测量的精度优于1%，能够满足微胀形实验中三维变形测量的要求。该标定方法也可用于其他显微视觉检测领域。
显微立体视觉 成像畸变 非参数化模型 光束平差 光路标定 stereo microscope imaging distortion non-parametric model bundle adjustment optical path calibration
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为了快速、准确地获得大尺寸工业产品或带有深槽孔工件的关键点三维坐标, 本文基于工业近景摄影测量理论、立体视觉技术等, 研究并实现了两种工业便携式、接触式光学探针测量系统。研究了测量系统涉及的探针设计、探针标定以及三维点解算等关键技术, 设计了点阵式和手持相机式两种适用于不同工业场合的工业探针。针对点阵式探针的测量, 提出了一种用于解算探针坐标系与世界坐标系相对关系的点云匹配方法。此外, 采用拟合虚拟球的方法准确标定了两种探针的内部参数。最后, 通过对比标准球与三坐标测量机的测量结果, 得到系统的测量精度可达0.1 mm/m。该精度满足一般大、中型工件的三维点测量精度标准。
光学探针 点阵式探针 手持相机式探针 点云匹配 探针标定 optical probe dot-matrix type probe hand-camera type probe point cloud registration probe calibration
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基于体式显微镜和数字图像相关法，提出并实现了一种用于对微小尺度材料进行全场三维变形测量的显微数字图像相关系统。针对体式显微镜标定，提出一种高精度的基于B样条曲面重构的成像系统畸变模型，该模型通过采集自主设计的高精度平面标定板图像，来构建无畸变图像平面和标定板平面之间关系，并以此确定空间B样条曲面形式。利用一种高效的对称亚像素细分法来实现数字图像的高精度匹配，并介绍了所提系统进行三维测量和分析的过程。实验结果表明，标定结果的平均重投影误差为0.03 pixel，位移测量精度优于0.2 μm，应变测量误差的标准差不超过100 με。同时，实验结果也证实了该系统可以准确、全面地实现对微小尺寸材料表面的全场三维变形测量。
测量 体式显微镜标定 B样条曲面 对称亚像素细分 数字图像相关
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基于近景摄影测量理论和立体视觉技术, 提出并实现了一种针对机身结构件在飞行状态下的轨迹、姿态、位移、变形等多种运动数据的动态视觉测量方法。研究了基于工业近景摄影测量的多相机快速自标定方法; 飞行状态下相机动态定位及抖动消除技术; 刚性结构件的运动轨迹及姿态的快速求取和通过多相机(≥3)协作实现非编码标志点阵列的精确匹配等多项关键技术。在模拟飞行环境下的实验结果表明, 相机标定的重投影误差小于0.03 pixel, 系统的运动轨迹姿态测量精度可达0.01 mm/1 m, 关键点位移变形测量精度可达0.05 mm/1 m, 基本满足飞机测试行业的精度和可靠性测量标准。
相机自标定 相机动态定位 轨迹姿态求取 多相机匹配 立体视觉 camera self-calibration camera dynamic positioning trajectory and attitude acquisition multi-camera matching stereo vision
西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安 710049
提出了一种基于数字图像相关法和双目视觉技术的全场三维变形测量方法来测量金属薄板焊接过程中的高温变形。首先, 提出一种基于种子点的高精度图像匹配算法求解相关匹配非线性优化初值。然后, 介绍了三维坐标重建以及三维位移、三维应变的求解算法。最后, 借助于VC++6.0开发环境, 研制了用于薄板焊接全场变形测量的实验系统。为验证本文方法在材料力学性能实验方面的可行性, 利用标准材料试验机和自主研制的图像采集装置设计了钢试件的标准拉伸实验, 并采用Q235板材件进行了焊接变形测量实验。实验表明：本文方法的应变测量精度为0.5%, 与引伸计的测量结果基本相当; 与传统的测量方法相比, 提出的方法可以更全面、更直观地测量金属薄板在整个焊接过程中的三维位移场和应变场, 并且测得的3个方向的位移变化曲线过渡自然、数据合理, 是研究焊接变形规律的有效手段。
双目视觉 图像相关法 种子点匹配 薄板焊接 全场变形 binocular vision digital image correlation seed matching metal sheet welding full-field deformations
西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049
针对大视场多像机视频测量系统的全局标定，提出并实现了一种基于近景摄影测量技术的高精度像机标定方法。首先，设计一种带有标志点的十字架形标定参考物，十字架正反两个表面粘贴有环形的编码标志点和圆形的非编码标志点。然后，在现场用工业摄影测量系统XJTUDP重建出双面标定十字架的精确结构尺寸数据; 将标定十字架在公共视场范围内依次摆出多个姿态，并控制多像机同步拍摄各姿态的图像。最后，为大视场像机选择10参数非线性成像模型，对采集的图像组依次进行标定运算，标定出各像机的内参数和畸变参数，并全局定向出各个像机在统一坐标系下的外方位参数。实验结果表明，该标定方法的重投影误差小于0.05 pixel;利用标定结果测量高精度标准尺长度，相对误差小于1/4 000，可满足大视场多像机视频测量对精度和效率的要求。
视频测量 多像机标定 全局标定 光束平差 双面十字架 videogrammetry muti-camera calibration global calibration bundle adjustment two-side cross target
1 义安理工学院 光学与激光研究中心, 新加坡 599489
2 南洋理工大学 机械与宇航工程学院, 新加坡 639798
3 西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安 710049
针对使用图像相关法测量物体发生的较大刚体旋转或变形容易失效的问题，提出了一种连续大变形的图像匹配方法。该方法首先利用相邻状态变形的连续性对种子点进行匹配，然后利用同一状态相邻点的变形连续性，通过种子点为其他点提供初值，并最终完成对所有点的匹配，从而在无需人工交互的情况下实现对大变形过程的高效测量。刚体旋转实验以及单向拉伸实验表明，对于 40°的刚体旋转位移场以及高达113%的变形，测量结果良好，证明了本文方法的有效性。
三维图像相关法 种子点 连续大变形 数字相机 标定 3D Digital Image Correlation(DIC) seed point large deformation measurement digital camera calibration
西安交通大学机械工程学院, 陕西 西安 710049
提出一种针对单相机、斜光轴测量条件下，基于摄影测量校正的二维数字图像相关法(DIC)。变形前，在被测物表面粘贴不少于3个控制点（圆形标志点），通过摄影测量技术得到控制点的三维坐标，利用控制点的三维坐标及其在图像上对应的二维坐标，通过空间后方交会法得到斜光轴相机的三维空间方位，拟合控制点的三维坐标得到控制面。变形过程中，对于数字图像匹配得到的每一个相关图像点，通过其投影射线与控制面相交得到其对应的三维点坐标。该方法不仅可以校正由于相机光轴倾斜引入的测量误差，而且可以直接、准确得到三维空间位移而不是像素级位移。通过与已有的三维DIC对比，该方法的位移测量精度优于0.04 mm，应变测量精度优于0.5%。
光学测量 斜光轴 数字图像相关 摄影测量 空间后方交会 光学学报
2011, 31(11): 1112007
西安交通大学 机械工程学院 , 陕西 西安 710049
针对材料力学实验中的三维变形测量，提出并实现了一种基于双目立体视觉、摄影测量术和数字图像相关法的便携式三维变形测量系统。研究了该系统涉及的双目摄像机标定，图像相关算法，三维重建，以及三维位移、应变计算等关键技术。提出了一种基于摄影测量术的摄像机标定算法，该算法采用10参数镜头畸变模型，不需要高精度标定板即可实现摄像机的高精度标定。利用最小二乘非线性优化算法实现了数字图像的高精度匹配，针对非线性优化初值难求的问题，提出了一种基于种子点的初值计算方法，为非线性优化提供了可靠的初值。最后，介绍了三维重建以及计算三维位移、三维应变的方法。实验结果表明，标定结果的重投影误差为0.03 pixel，图像匹配的误差约为0.02 pixel，静态外形及位移的测量精度为0.05%，应变的测量精度优于0.5%。与传统的测量方法相比，本文提出的系统可以更准确、全面、直观地实现对位移场、应变场的测量。
三维变形测量 立体视觉 数字图像相关 摄像机标定 摄影测量 种子点 three-dimensional deformation measurement stereo vision digital image correlation camera calibration photogrammetry seed point 光学 精密工程
2010, 18(10): 2244
