基于空间机械臂双目视觉测量的关键技术研究

作     者：郭鑫 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：王延杰

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：双目系统 标定原理 匹配算法 可视化重建 

摘      要：本文以空间机械臂为选题背景,研究了广泛应用于其中的双目视觉测量技术。空间机械臂作为航空航天领域不可缺少的关键设施之一,涉及的学科较为广泛,包括视觉测量技术、伺服控制技术、机械电子等,在空间站的建设与维护中作用巨大。依赖于视觉技术,空间机械臂能够完成对接、维修和清除轨道垃圾等多项工作。随着视觉技术的快速发展,双目视觉测量技术在航天领域受到更多的关注。双目视觉技术顾名思义,是一种模仿人类视觉系统的成像技术,即使用两个摄像机探测三维空间,根据获取的图像得到物体的空间信息,是计算机视觉领域中最受研究学者关注的技术。该技术以其效率高、结构简单、成本低、直观等优势应用在人工智能、医疗系统等多个领域。对该技术涉及到的位置测量、姿态估计及三维重建等问题进行研究具有重大的意义。随着需求的增加,双目视觉系统在提高精度方面面临着新的挑战。针对这一挑战,本文将研究工作分为双目视觉系统、摄像机标定技术、立体匹配技术及三维信息的可视化重建,具体的工作内容如下:1、研究了空间机械臂双目视觉系统,对系统涉及到的摄像机标定、图像校正、立体匹配及三维重建等几个主要部分进行了分析。双目系统成像主要基于透视投影原理,在该模型下,对涉及到的三大坐标系(世界坐标系、摄像机坐标系及图像坐标系)间的相互转换关系进行了研究。2、在摄像机标定阶段,研究分析了标定原理。本文首先对标定方法进行了分析对比,重点学习了张正友标定法。张氏标定法原理简单、易于实现,是目前应用最为广泛的标定手段。本文基于张正友标定法及提出的双目标定策略完成标定实验。最后由标定结果完成了对真实场景下双目图像的矫正工作。3、本文重点研究了立体匹配技术。在最初计算匹配代价时,提出了在改进的Census变换的基础上结合互信息和梯度信息,并把融和后的结果作为相似性测度;代价聚合阶段,在传统引导滤波的基础上引入自适应权重的思想,使得不同窗口内的规整化参数能够自适应调整;在计算视差及优化阶段,由于误匹配点的存在,得到的初始视差并不准确。本文首先基于胜者为王(WTA)方法获取视差值,接着使用优化算法完成对视差的修正,在遮挡区域采用左右一致性方法插入新的视差值。4、研究分析了基于双目视觉的三维重建。重建过程的关键在于空间特征点三维坐标的获取,对于双目相机得到的图像对可依据三角测量法计算三维坐标。为使重建后的效果图与原图中的物体更加的贴近,首先采用三角剖分将图像分成若干个三角形区域并使用贴图功能将区域内纹理信息粘贴到特征点坐标上实现可视化重建。