立体视觉测量技术在模具中的应用

摘要

　　立体视觉测量技术是模拟人类视觉成像原理,采用两台摄像机从不同角度获取物体的图像,通过对图像进行特征点的提取以及立体匹配,最终建立物体的三维模型,该技术是物体三维重建的重要方法之一,其理论研究和应用技术的发展将对医疗、国防、农业、工业产生重要的影响。本文对立体视觉与多频外差相移技术相结合的方法在逆向工程中的应用进行相关论证,对其中的关键技术做了系统而深入的研究,并进行了详细的阐述。

　　本文首先对基于立体视觉的多频外差相移技术在三维测量中的应用进行了系统阐述,本测量系统通过DLP投影仪向被测物体投射正弦光栅,并用两个CCD摄像机同时拍摄投影光栅图,之后运用相位移法与外差原理相结合来完成对相位的展幵,利用立体视觉原理完成立体匹配,点云提取和重构并完成模型的三维重建。

　　通过对复杂曲面的测量和对比结果显示,证明了其能够得到高精度的测量数据。

　　其次,本文对立体视觉深度测量原理及系统的标定过程进行论述。应用VC程序实现了张正友的平面模板标定法,并进行实验研究和比较。结果表明该方法简单快捷并且它是符合本次实验精度的摄像机标定方法。

　　最后本文重点对如何去除条纹图中存在的噪声问题进行了研究。由于条纹图中不仅包含着随机噪声而且还存在系统噪声,这些噪声会扰乱条纹图的调制光强分布,其不仅影响条纹图的处理精度,甚至会影响测量结果的准确性,使得到的数据显示错误的结果。因此,本文提出基于并行标记技术的小区域旋滤波噪声消除法。并综合运用前面所述的各种技术,完成了对空间物体的三维信息恢复系统的平台建立并进行了验证。

　　关键词:双目立体视觉相移多频外差原理摄像机标定旋滤波三维重建

Abstract

　　The binocular stereo vision is principle of measurement is similar to image-forming principle of human view. The binocular stereo vision system is composed of two cameras to get the images of object to be tested. Based on image feature extraction and matching. Then the geometric model of measured object is set up. The stereo vision is one of the important methods to reconstruct 3D models of hypostatic object. The development of its theoretic research and application technology will bring more and more influences to medical、 national defense、agriculture and industry. And in this paper, formulation the reverse engineering with multifrequency heterodyne phase shift technology based on binocular stereo vision, the key techniques of the measurement method are systemically investigated in the thesis.

　　Firstly, the key techniques of the measurement method of multifrequency heterodyne principle are systemically investigated in the thesis. The measuring system uses binocular vision sensor to record projection sinusoidal gratings from the DLP projector, combination of stereo vision principle completed stereo matching,point cloud acquisition and reconstruction,the 3D of object was reconstructed. The experimental results show that the system can accomplish complex free-form surface measurement and the data is complete, reliable and high precision.

　　Secondly, 3-D visual principle and camera calibration are discussed emphatically. On the basis of Zhang's plane calibration method and make improvements, we conducted a series of experiments. Experiments show that the method is a high-precision camera calibration method, and the method is quick and simple.

　　Finally, this article focuses on the removal of the noise in the interferogram is researched,interferogram in either random noise or system noise will disturb the interferogram of the sinusoidal modulation of light intensity distribution, which greatly affect the accuracy of fringe pattern processing. Or even come to the wrong result, interferogram processing accuracy depends on how to removal these noise. For these reasons,in this paper, the proposed labeling technique based on a small area parallel spin filtering noise reduction algorithm, and conduct experiments. Integrated use of various techniques described earlier,the three-dimensional information space object recovery experiments.

　　Key words: Binocular stereo vision phase shift Multifrequency heterodyne principle Camera calibration spin filtering 3D reconstruction

　　对于模具型腔设计来说,模具上的缺陷将会全部复制到成型样件上,即导致最终产品也继承了样件的全部缺点,造成产品外观光顺性差、准确度低、协调性差。另外传统的模具制造方法手工修模量大,间隙不均匀,需反复修模试模,质量不稳定,加工周期长。如果采用数控设备加工模具,为检验数控刀轨的正确性,还要进行蜡模试切。传统方法致命弱点是生成的模具型腔不具备修改性及重新设计的能力。

　　而如今,逆向工程(RE,Reverse Engineering)技术⑴的迅速发展使的快速成型成为可能,利用逆向工程设计模具型腔可以尽量避免上述问题,最终设计出符合要求的模具型腔。

　　当然,逆向工程技术也有其局限性,因为逆向工程技术并不是孤立的。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程,逆向工程的整个实施过程包括了测量数据的采集/处理、CAD/CAM系统处理和融入产品数据管理系统(PDMS)的过程,需要各种技术人员高度地协同和融合。因此,逆向工程技术和测量技术、CAD/以M软件,以及从业人员的技术素质有着千丝万缕的联系。在现有设备下如何在满足低成本、数字化的前提下,设计出一种可以快速而准确的完成对复杂曲面的数据采集与恢复的测量系统,具有非常重要的意义。

　　逆向工程技术(RE, Reverse Engineering)是20世纪80年代中后期兴起的一种新型的现代制造技术。其与传统的正向设计有很大差别,因为该技术不仅在成型方法上采用了与传统方法相反的思路,而且在新产品开发时运用了与传统方法截然不同的流程,目前,逆向工程技术已经成为新产品快速幵发的最有效的技术,它对制造业的冲击与提升具有广泛而深远的影响。

　　逆向工程(RE,Reverse Engineering,亦称反求工程)[2]其基本流程如图1-1所示,即根据已存在的产品,反向推出该产品的相关数据(如产品图纸或数模等),它对现有的产品、零件或三维原型利用三维测量设备快速、精确地测量出工件表面轮廓的三维坐标(即点云)或轮廓,最后利用这些点云重建实物的CAD模型,逆向工程是产品功能导向(Product Oriented),因为其不仅可以重构产品的原型,还可对重构的产品进行相应的技术消化、进一步改进、深化和功能提升,以达到产品快速创新幵发的目的。

　　(1)数据获取。物体表面数据获取指应用3D数字化测量设备或相应的测量方法测出物体表面点的三维坐标数据,它是逆向工程中的重要环节。逆向工程中根据测量头是否与物体表面相接触,可分为接触式与非接触式两类。接触式测量应用测量头与物体表面相接触来测量其表面点的三维坐标值;非接触式则是运用声、光、磁等原理为基础,在应用相应设备和算法转换来测量和记录物体表面的三维坐标,本文应用的是基于立体视觉的光学非接触测量法。

　　(2)数据处理。数据处理技术决定着后续模型重建过程的准确性,其目的在于获得完整一致的CAD模型的数据量,即用完整的点云数据信息来表示模型的形状。

　　应用相应的软件和算法来对点云数据进行延长、相交、剪切、填充、修补等操作,进而重建完整的模型信息。对于构造的CAD模型进行检测与修正,主要包括精度和模型曲面品质的检测与修成等方面,目前精度评价主要靠数据模型和CAD模型比较,即对点云数据和模型进行3D距离比较来判定点云质量。

　　(3)模型重建与加工成型。三维模型重建是逆向工程中极为关键和复杂的一步,其中曲面三维重构是整个过程中的核心。经过曲面重构后,得到的模型为曲面模型,将构造好的曲面模型输入到CAD软件中再将曲面模型转换成实体模型为后续快速成型准备。利用数控机床可对其进行实物模型的加工。在与所产品原型进行比较和测量,可以验证零件与原设计存在的不足,从而使产品的设计更加完善。

　　立体视觉测量技术在模具中的应用：

径向畸变

切向畸变

标定板图像

摄像机相对位置的标定

双目测量系统

用相移法标定投影仪

投影仪捕获的棋盘图

标定球投影图

目录

　　摘要
　　Abstract
　　第一章 绪论
　　　　1.1 逆向工程概述
　　　　　　1.1.1 逆向工程基本概念
　　　　　　1.1.2 逆向工程关键技术
　　　　1.2 逆向技术发展现状
　　　　　　1.2.1 接触式测量
　　　　1.2.2 非接触式测量
　　　　1.3 课题的提出及研究目的与意义
　　　　　　1.3.1 课题的提出
　　　　　　1.3.2 研究目的与意义
　　　　1.4 课题的主要内容和本文的章节划分
　　　　本章小结:
　　第二章 多频外差相移测量技术原理
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 相移技术概述
　　　　2.3 相位展开算法
　　　　　　2.3.1 空间相位展开法
　　　　　　2.3.2 时间相位展开法
　　　　　　　　2.3.2.1 Gray编码相移法
　　　　　　　　2.3.2.2 多频外差相移法
　　　　2.4 条纹参数确定
　　　　2.5 数字相移
　　　　本章小结:
　　第三章 立体视觉原理及测量系统的标定
　　　　3.1 立体视觉深度测量原理
　　　　3.2 摄像机标定
　　　　　　3.2.1 参考坐标系
　　　　　　3.2.2 摄像机模型
　　　　　　3.2.3 摄像机标定概述
　　　　　　3.2.4 摄像机位置标定
　　　　3.3 摄像机标定的实现
　　　　3.4 投影仪标定概述
　　　　本章小结
　　第四章 测量系统构成及图像预处理
　　　　4.1 系统硬件组成
　　　　4.2 系统软件组成
　　　　4.3 图像予页处理
　　　　　　4.3.1 图像去噪
　　　　　　4.3.2 图像增强
　　　　　　4.3.3 边缘检测
　　　　　　4.3.4 Harris角点特征匹配
　　　　　　4.3.5 匹配试验
　　　　本章小结:
　　第五章 三维恢复实验与结果
　　　　5.1 实验流程与结果
　　　　5.2 实验精度评价
　　　　5.3 附录:
　　第六章 结论与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　致谢
　　参考文献
　　作者简介
　　攻读硕士学位期间研究成果
　　原创性声明
　　论文使用授权声明

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