基于双目视觉和线结构光的工件三维重建与测量

作     者：李政锋 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林冬云

授予年度：2021年

学科分类：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：双目视觉 线结构光 三维重建 工件测量 空间点云 

摘      要：工件尺寸参数的测量对于其精密加工生产具有重要现实意义,其结果直接影响着设备的工作性能。现如今,成批量的生产需要和日益复杂化的加工工艺给现代测量技术提出了越来越高的要求。本文对工件测量方法进行研究,提出了一种基于双目和线结构光的视觉测量方法,实现了对工件的三维重建和相关参数的测量,主要工作与内容包括:1)利用投影的线结构光构造辅助特征,解决了双目视觉中工件表面无纹理的难以立体匹配问题,降低了立体匹配算法的设计难度;同时设计了一个微型线结构光发射器搭载装置,实现了线结构光对工件表面的原地均匀扫描,以便获取工件整个表面的点云;并通过理论分析完成了对工业相机、工业镜头、线结构光发射器等硬件设备的选型,搭建了一个完整的硬件系统作为实验平台。2)在提取线结构光条纹图像时,将以往的背景差分法和基于RGB图像的单通道阈值法相结合,增加了参数的可取值区间,提高了算法的抗噪能力;在计算线结构光条纹图像端点处的光条中心时,用灰度重心法的结果代替了基于Hessian矩阵的Steger算法结果,解决了 Hessian在条纹端点处无法准确判断法线方向的问题,并通过对光条中心的定位结果进行立体匹配实现了工件表面的点云重建。最后利用该方法对制作精度为0.01mm的标定板背面进行三维重建实验,验证点云的重建精度。实验结果表明,点云重建误差小于0.8mm的比例高达99.5748%,点云重建误差小于0.6mm的比例高达96.3600%,具有较高的重建精度。3)提出了一种基于空间点云的工件表面短程线距离测量方法,在获得工件表面三维点云的基础上,先利用短程线点云路径搜索算法确定两点之间的短程线点云路径,然后使用五次B样条曲线对降采样后的点云路径进行曲线拟合计算短程线距离,实验结果表明该方法具有一定的可行性,在kd-tree的快速近邻检索下,算法速度达180ms。最后对工件表面点云进行了移动最小二乘平滑去噪和贪婪投影三角剖分,重建了工件的表面。4)使用OpenCV、PCL和Qt等工具开发了一套基于双目视觉和线结构光的工件三维重建与测量系统,将双目标定、搭载平台自动控制、图像采集传输、线结构光条纹图像处理、立体匹配点云重建、短程线点云路径搜索等算法融合至整个软件当中,实现了工件表面上点位置的交互式定位、相关尺寸的自动测量和三维重建结果的可视化显示。并通过使用该软件和设备对尺寸大小在80-660mm之间的不同形状工件进行三维重建和测量实验,验证了算法的有效性和系统的稳定性。实验表明算法能达到0.755%的相对误差,可以代替人工测量。