基于结构光测量原理的透明自由曲面体3D测量方法研究
|
摘要
本文的研究内容以北京航空航天材料研究所委托沈阳自动化所承担的国家重点科研项目为背景。该项目的研究意义在于能对诸如飞机座舱罩等的自由曲面透明壳体的表面进行描述与厚度计算。本项目的研究目标为，利用非接触光电测量技术装置与相应机器人系统结合，构成关于平面或曲面透明壳体的厚度与外形自动测量系统，为曲面透明壳体的自动加工设备提供被加工体的3D外形数据、加工数据和加工位置，完成对成形的被测物体中不符合要求的物体的修正。
本文即是在该项目的背景下，承担设计研制基于结构光光电测量原理的曲面透明壳体表面3D数据测量系统及实现技术，以及测量系统的标定方法和在线实现技术。
本文应用结构光光电测量原理，实现了自由曲面透明壳体的3 D数据检测，以及透明体的厚度测量方法研究，并通过试验验证了本文提出的3D数据测量及厚度计算方法的可行性与有效性，达到了预期的研究目的，完成了该项目的核心内容，并为该项目的顺利进行与完成提供了可能。
本文提出一自动测量系统，该系统的测量头能够在机器人化机构的带动下，对曲面透明壳体进行表面扫描，得到表面3D数据，经处理得上下表面在相对参考系下的3D点云数据，以实现曲面透明壳体的厚度(曲面法线方向)计算与表面形状拟合。
The source of this project is the national key science and research item assumed by the institute of aviation and avigation materials. The automatic measurement system for the thickness a and surface configuration of plane and curve transparent shell object composed of the non-contact photoelectrical measurement technique and the corresponding robotic system can supply the 3D surface data, machining data and position. The main aim is that researching the 3D data measurement system and realization technique, the measurement calibration method and on-line realization. The measurement cameras can move with the mechanism of robotic, realize 3D sca-nning measurement, supply the 3D point clouds data of the upper and under surface about the reference coordinate and realize the thickness measurement and surface shape interpolation. The surface 3D data acquisition and thickness computation is the key part for curve and transparent shell object. The main aim is that researching the 3D data measurement system and reali
zation technique, the measurement system calibration method and on-line realization.
This paper is based on this project. We assume and design the 3D data measurement system and realization technique based on the principle of the structure light measurement, and the calibration method and on-line realization.
The main work of this paper is the research of surface 3D data measurement and thickness computation. The results supply basic theory method and applied technique for the complicated automatic 3D measurement system of curve and transparent shell object and attain the anticipating aim.
This paper presents an automatic measurement system. The measurement cameras can move with the mechanism of robotic, realize 3D scanning measurement, supply the 3D point clouds data of the upper and under surface about the reference coordinate and realize the
thickness measurement and surface shape interpolation. The surface 3D data acquisition and thickness computation is the key part for curve and transparent shell object.
本文即是在该项目的背景下，承担设计研制基于结构光光电测量原理的曲面透明壳体表面3D数据测量系统及实现技术，以及测量系统的标定方法和在线实现技术。
本文应用结构光光电测量原理，实现了自由曲面透明壳体的3 D数据检测，以及透明体的厚度测量方法研究，并通过试验验证了本文提出的3D数据测量及厚度计算方法的可行性与有效性，达到了预期的研究目的，完成了该项目的核心内容，并为该项目的顺利进行与完成提供了可能。
本文提出一自动测量系统，该系统的测量头能够在机器人化机构的带动下，对曲面透明壳体进行表面扫描，得到表面3D数据，经处理得上下表面在相对参考系下的3D点云数据，以实现曲面透明壳体的厚度(曲面法线方向)计算与表面形状拟合。
The source of this project is the national key science and research item assumed by the institute of aviation and avigation materials. The automatic measurement system for the thickness a and surface configuration of plane and curve transparent shell object composed of the non-contact photoelectrical measurement technique and the corresponding robotic system can supply the 3D surface data, machining data and position. The main aim is that researching the 3D data measurement system and realization technique, the measurement calibration method and on-line realization. The measurement cameras can move with the mechanism of robotic, realize 3D sca-nning measurement, supply the 3D point clouds data of the upper and under surface about the reference coordinate and realize the thickness measurement and surface shape interpolation. The surface 3D data acquisition and thickness computation is the key part for curve and transparent shell object. The main aim is that researching the 3D data measurement system and reali
zation technique, the measurement system calibration method and on-line realization.
This paper is based on this project. We assume and design the 3D data measurement system and realization technique based on the principle of the structure light measurement, and the calibration method and on-line realization.
The main work of this paper is the research of surface 3D data measurement and thickness computation. The results supply basic theory method and applied technique for the complicated automatic 3D measurement system of curve and transparent shell object and attain the anticipating aim.
This paper presents an automatic measurement system. The measurement cameras can move with the mechanism of robotic, realize 3D scanning measurement, supply the 3D point clouds data of the upper and under surface about the reference coordinate and realize the
thickness measurement and surface shape interpolation. The surface 3D data acquisition and thickness computation is the key part for curve and transparent shell object.
引文
[1] 马颂德，张正友．计算机视觉．科学出版社．1998．
[2] 杨齐民．CCD用于光学三角法测量金属板厚．激光杂志．1998年02期
[3] 缪泓．一种应用于反射表面厚度测量的新方法．中国科学技术大学学报．第28卷第5期．1998年10月
[4] 赵育良，王伟．基于CCD的航空相机平板玻璃厚度测量系统．传感器技术．2003年第22卷．第1期
[5] 蔡淑兰，刘淑敏．光纤传输的玻璃厚度测量装置．基础自动化．1999年第6卷04期
[6] 李剑．非接触式自由曲面测量系统的研制．工程设计．2000．3
[7] 马秦生，傅晓云，袁宇正．一种激光厚度测量方法的研究．武汉测绘科技大学学报．22卷第2期．1997年6月
[8] 李剑．自由曲面测量研究综述．计量技术．2001．No．1
[9] 谢金．自由曲面的自适应跟踪测量方法研究．工程设计学报．第10卷第2期．2003年4月
[10] 李剑．自由曲面非接触式测量路径规划及相关算法研究．计算机辅助设计与图形学学报．第14卷第4期．2002年4月
[11] Yong Kee Ryu Choonsuk on jong-Seul Lim.测量透明物体表面形状与厚度非接触式光学传感器的发展．《云光技术》．2003 Vol．35．No．1
[12] 张绪宽，张祖全，柯璇．光学傅里叶分析的测厚应用．应用光学．Vol．24．No．22003
[13] 陈泽志，刘勇，吴成柯．相机非定标图像序列三维物体的测量．自然科学进展．第12卷第9期．2002年9月
[14] 徐玉春．基于点坐标测量的自由曲面非接触测量方法．高技术通讯2001．8
[15] 宋新民．基于计算机视觉的自由曲面逆向工程关键技术研究．天津大学博士学位论文．1997
[16] 王庆有，孙学林．CCD应用技术[M]．天津：天津大学出版社．1993．40-53
[17] 田捷，等．实用图像处理技术．北京．：电子工业出版社，1994
[18] Kenneth R. Castleman著．朱志刚等译．数字图像处理．北京：电子工业出版社
[19] 杨枝灵 王开 等编著．Visual C++数字图像获取处理及实践应用．北京：人民邮电出版社2003
[20] Marr D，著．姚国正，等译．视觉计算理论．北京：科学出版社，1998
[21] 刘娜，强锡富，高若云．图像处理在非接触测量中的应用．《点测与仪表》．第35卷第395期．1998．11
[22] 宋开臣．三坐标测量机激光扫描测量系统研究．天津
[23] 孙杰，胡杰．三坐标测量机的最新动向与新技术．青岛大学学报．第12卷第1期．1997年3月
[24] 郝颖明．非接触式机器人直线轨迹测量系统．《机器人》．Vol．24，NO．5,2002，pp394-398
[25] 王枫红，陈锦昌，郑时雄．曲面离散点数据的处理方法．仪器仪表与检测
[26] 卢杰持．曲面的自动跟踪测量和密集数据采集．大连工学院学报．1986．1
[27] 刘志刚，方勇．线结构光三维视觉曲面测量的自适应采样与建模方法．西交通大学学报．1999(10)
[28] 金涛．反求工程中产品三维模型重建技术综述．机械科学与技术．第20卷第5期．2001年9月．
[29] 陈浪，秦大同．反求工程中复杂曲面重构算法研究与实现．文章编号：1004-132X(2002)06-0505-04
[30] 蒋祖信．自由曲面的三维测量与反求工程
[31] 熊汉伟，张湘伟．一种自由曲面光学视觉重构方法研究．光学技术．第27卷第5期．2001年9月
[32] G.Q.Wei and S.D.Ma Implicit Camera Calibration: Theory and Experiment, IEEE Trans. Pattern Recognition and Machine Intellegence,Vol. 16,No5,May, 1994.
[33] 徐光祜．一种新的基于结构光的三维视觉系统标定方法．计算机学报．1995．6第
18卷第6期
[34] Hartley R. Self-calibration of Stationary Cameras. Int J of Computer Vision. 1997, 229 (1), pages 2-5
[35] 齐人谦．反求工程中复杂曲面数字化重构关键技术的研究．机械工程学报．第39卷第4期．2003年4月．
[36] Zhang Aiwu. 3D Measuremnt Technology Based on Computer Vision.农业工程学报．第17卷第1期．2001年1月
[37] Yang Shuhua. Theoretic research on measurement resolution and effective viewing field of two-CCD vision sensor[J]. Jof Optic Electronics.Laser. 1998.9(1):61-63
[38] Ma Songdi, Zhang Zhongyou. Computer Vision computational theory and algorithm basic [M]. Beijing Science Publishing House. 1998:72-116
[39] R.Y.Tai, An Efficient and Accurate Camera Technique for 3D Machine Vision, Proc.of IEEE Conference of Computer Vision and Pattern Recognition, pp.364-374,1986
[40] BaoHP.etal. Integrated Approach to Design and Manufacture of Shoe Last for Orthopa- edic Use[J].Computer and Industry Engineering, 1994,26(2):411-421
[41] 解则晓，张国雄，徐玉春，王春海．基于PH10回转体的非接触测量系统建模与杯定．天津大学学报．第34卷 第6期．2001年11月
[42] Laidlaw D W, Fleischer K W, Barr A H. Partial-Volume Bayesian Classification of Material Mixtures in MR Volume Data Using Voxel Histograms. IEEE Trans on medical Imaging, 1998, 17(1): 74—86.
[43] Goshtasby A. Design and Recovery of 2-D and 3-D Shapes Using Rational Gaussian Curves and Surfaces. International Journal of Computer Vision, 1993, 10(3): 233—256
[44] Hummel A. Representations Based on Zero-Crossings in Scale-Space. In: Pmc of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Miami, Florida, USA, 1986, 204—209
[45] Zhu S C, Mumford D. GRADE: Gibbs Reaction and Diffusion Equations. In : Proc of the 6th International Conference on Computer Vision, Bombay, India, 1998, 847—54
[46] Kass M, Witldn A P, Terzopoulos D. Snakes: Active Contour Models. Intetnational Journal of Computer Vision, 1988, 1 (4):321—331
[2] 杨齐民．CCD用于光学三角法测量金属板厚．激光杂志．1998年02期
[3] 缪泓．一种应用于反射表面厚度测量的新方法．中国科学技术大学学报．第28卷第5期．1998年10月
[4] 赵育良，王伟．基于CCD的航空相机平板玻璃厚度测量系统．传感器技术．2003年第22卷．第1期
[5] 蔡淑兰，刘淑敏．光纤传输的玻璃厚度测量装置．基础自动化．1999年第6卷04期
[6] 李剑．非接触式自由曲面测量系统的研制．工程设计．2000．3
[7] 马秦生，傅晓云，袁宇正．一种激光厚度测量方法的研究．武汉测绘科技大学学报．22卷第2期．1997年6月
[8] 李剑．自由曲面测量研究综述．计量技术．2001．No．1
[9] 谢金．自由曲面的自适应跟踪测量方法研究．工程设计学报．第10卷第2期．2003年4月
[10] 李剑．自由曲面非接触式测量路径规划及相关算法研究．计算机辅助设计与图形学学报．第14卷第4期．2002年4月
[11] Yong Kee Ryu Choonsuk on jong-Seul Lim.测量透明物体表面形状与厚度非接触式光学传感器的发展．《云光技术》．2003 Vol．35．No．1
[12] 张绪宽，张祖全，柯璇．光学傅里叶分析的测厚应用．应用光学．Vol．24．No．22003
[13] 陈泽志，刘勇，吴成柯．相机非定标图像序列三维物体的测量．自然科学进展．第12卷第9期．2002年9月
[14] 徐玉春．基于点坐标测量的自由曲面非接触测量方法．高技术通讯2001．8
[15] 宋新民．基于计算机视觉的自由曲面逆向工程关键技术研究．天津大学博士学位论文．1997
[16] 王庆有，孙学林．CCD应用技术[M]．天津：天津大学出版社．1993．40-53
[17] 田捷，等．实用图像处理技术．北京．：电子工业出版社，1994
[18] Kenneth R. Castleman著．朱志刚等译．数字图像处理．北京：电子工业出版社
[19] 杨枝灵 王开 等编著．Visual C++数字图像获取处理及实践应用．北京：人民邮电出版社2003
[20] Marr D，著．姚国正，等译．视觉计算理论．北京：科学出版社，1998
[21] 刘娜，强锡富，高若云．图像处理在非接触测量中的应用．《点测与仪表》．第35卷第395期．1998．11
[22] 宋开臣．三坐标测量机激光扫描测量系统研究．天津
[23] 孙杰，胡杰．三坐标测量机的最新动向与新技术．青岛大学学报．第12卷第1期．1997年3月
[24] 郝颖明．非接触式机器人直线轨迹测量系统．《机器人》．Vol．24，NO．5,2002，pp394-398
[25] 王枫红，陈锦昌，郑时雄．曲面离散点数据的处理方法．仪器仪表与检测
[26] 卢杰持．曲面的自动跟踪测量和密集数据采集．大连工学院学报．1986．1
[27] 刘志刚，方勇．线结构光三维视觉曲面测量的自适应采样与建模方法．西交通大学学报．1999(10)
[28] 金涛．反求工程中产品三维模型重建技术综述．机械科学与技术．第20卷第5期．2001年9月．
[29] 陈浪，秦大同．反求工程中复杂曲面重构算法研究与实现．文章编号：1004-132X(2002)06-0505-04
[30] 蒋祖信．自由曲面的三维测量与反求工程
[31] 熊汉伟，张湘伟．一种自由曲面光学视觉重构方法研究．光学技术．第27卷第5期．2001年9月
[32] G.Q.Wei and S.D.Ma Implicit Camera Calibration: Theory and Experiment, IEEE Trans. Pattern Recognition and Machine Intellegence,Vol. 16,No5,May, 1994.
[33] 徐光祜．一种新的基于结构光的三维视觉系统标定方法．计算机学报．1995．6第
18卷第6期
[34] Hartley R. Self-calibration of Stationary Cameras. Int J of Computer Vision. 1997, 229 (1), pages 2-5
[35] 齐人谦．反求工程中复杂曲面数字化重构关键技术的研究．机械工程学报．第39卷第4期．2003年4月．
[36] Zhang Aiwu. 3D Measuremnt Technology Based on Computer Vision.农业工程学报．第17卷第1期．2001年1月
[37] Yang Shuhua. Theoretic research on measurement resolution and effective viewing field of two-CCD vision sensor[J]. Jof Optic Electronics.Laser. 1998.9(1):61-63
[38] Ma Songdi, Zhang Zhongyou. Computer Vision computational theory and algorithm basic [M]. Beijing Science Publishing House. 1998:72-116
[39] R.Y.Tai, An Efficient and Accurate Camera Technique for 3D Machine Vision, Proc.of IEEE Conference of Computer Vision and Pattern Recognition, pp.364-374,1986
[40] BaoHP.etal. Integrated Approach to Design and Manufacture of Shoe Last for Orthopa- edic Use[J].Computer and Industry Engineering, 1994,26(2):411-421
[41] 解则晓，张国雄，徐玉春，王春海．基于PH10回转体的非接触测量系统建模与杯定．天津大学学报．第34卷 第6期．2001年11月
[42] Laidlaw D W, Fleischer K W, Barr A H. Partial-Volume Bayesian Classification of Material Mixtures in MR Volume Data Using Voxel Histograms. IEEE Trans on medical Imaging, 1998, 17(1): 74—86.
[43] Goshtasby A. Design and Recovery of 2-D and 3-D Shapes Using Rational Gaussian Curves and Surfaces. International Journal of Computer Vision, 1993, 10(3): 233—256
[44] Hummel A. Representations Based on Zero-Crossings in Scale-Space. In: Pmc of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Miami, Florida, USA, 1986, 204—209
[45] Zhu S C, Mumford D. GRADE: Gibbs Reaction and Diffusion Equations. In : Proc of the 6th International Conference on Computer Vision, Bombay, India, 1998, 847—54
[46] Kass M, Witldn A P, Terzopoulos D. Snakes: Active Contour Models. Intetnational Journal of Computer Vision, 1988, 1 (4):321—331