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彩色结构光三维测量拼接与点云目标识别方法研究

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彩色结构光三维测量拼接与点云目标识别方法研究

作者：周浩源广东工业大学

学位级别：硕士

三维视觉检测技术极力推动着传统制造业向智能自动化转型升级,如何实现高效稳定的三维测量和三维识别定位是当前三维视觉研究领域面临的重大挑战。针对目前工业检测领域结构光三维测量的速度和精度相互制约的问题,本文提出基于新型彩色... 详细信息

三维视觉检测技术极力推动着传统制造业向智能自动化转型升级,如何实现高效稳定的三维测量和三维识别定位是当前三维视觉研究领域面临的重大挑战。针对目前工业检测领域结构光三维测量的速度和精度相互制约的问题,本文提出基于新型彩色复合编码的结构光三维测量方法,在保证一定测量精度的前提下,大大减少投影幅数,提高了测量效率。针对现有多视角点云自动拼接方法易出现配准错位及算法效率低等问题,提出基于多匹配约束原则的粗精结合点云配准方法,极大减少点云错误特征匹配对,提高了多视角点云配准精度和效率。针对目前复杂场景下物体三维识别方法准确率低的问题,研究基于加权特征的机器学习识别方案和基于加权点对特征的识别方法,权重因子提高了算法识别的准确率。最后,集成开发出一套快速高精度的三维测量拼接与识别系统。本文的主要内容概括如下:（1）深入调研国内外关于结构光三维测量、多视角点云配准、复杂场景点云识别等三维视觉技术,对现有方法进行归纳总结和对比分析,指出目前三维视觉领域的难点问题,确立本文的研究重点。（2）针对结构光三维测量技术存在的高速与高精度矛盾问题,提出一种新型彩色复合编码的结构光三维测量方法,通过正弦编码、分段阶梯相位编码和格雷码的复合编码方式,可在保证测量精度的同时,实现四帧彩色图案完成测量,大大减少条纹图的投影幅数,提高测量效率。同时,采用基于Caspi颜色响应模型和7阶多项式光强响应模型分别对条纹图像的颜色串扰误差和gamma非线性误差进行补偿,提高三维测量系统的精度。（3）针对三维测量系统的多视角点云拼接效率低、配准精度差等难题,提出基于多匹配约束原则的粗精结合点云配准方法。考虑特征点的错误匹配对点云配准结果准确性的直接影响,创新性结合互惠性、几何一致性及随机采样一致性等原则准确筛选待配准点云的特征匹配对,避免错误匹配点对的配准计算,提高配准效率和精度。同时,为缓解精配准易陷入局部最优解的问题,采用随机采样一致性粗配准与改进迭代最近点精配准相结合的方法完成多视角点云拼接,实验表明该方法能有效应对点云存噪声且重叠区域少的配准需求。（4）针对目前复杂场景三维点云识别定位方法鲁棒性低的问题,研究基于加权特征的点云识别方法。对传统基于机器学习的结合全局与局部特征的点云识别方法和基于点对特征的点云识别方法进行深入研究。考虑点云噪声及密度的影响,在特征求取过程引入权重因子,并分析对比加权前后两种方案的优劣,最终选择识别准确率更高更稳定的基于点对特征识别方法进行系统相关功能模块的开发。（5）在上述理论与方法研究基础上,采用编程语言C++,Qt软件开发框架、Open CV图像处理库、PCL点云处理库及Eigen矩阵运算库实现各项算法功能模块,结合开发出一套快速鲁棒的物体三维测量与点云识别系统,该系统三维测量范围为300x250x30mm,精度可达200μm,测量时间约为1.3s。最后,通过对实例物体的三维测量拼接与识别实验,验证本文开发的三维视觉系统各项功能及相关算法的有效性。

关键词：三维测量结构光彩色复合编码点云拼接点云识别定位

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基于球形靶标的点云拼接精度测试

基于球形靶标的点云拼接精度测试

面向曲面中框的3D视觉引导点胶方法及系统研究

全国工程测量2012技术研讨交流会

作者：侯东兴李宗春王力信息工程大学测绘学院

拼接是地面三维激光扫描仪数据采集和处理中的关键环节,其中三维拼接处理又是一个难点。利用标准球形靶标中心坐标差对后视定向法的拼接精度进行测试。在两个测站间设置4个标准球形靶标,通过拟合分别获取球心,利用球心坐标的差值评价拼... 详细信息

拼接是地面三维激光扫描仪数据采集和处理中的关键环节,其中三维拼接处理又是一个难点。利用标准球形靶标中心坐标差对后视定向法的拼接精度进行测试。在两个测站间设置4个标准球形靶标,通过拟合分别获取球心,利用球心坐标的差值评价拼接精度。通过分析得出,后视定向法的精度由控制点的精度决定。同时说明该拼接方法在三维点云拼接中实用性强,拼接精度高。

关键词：激光扫描球形靶标球体拟合点云拼接

来源： cnki会议评论

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面向曲面中框的3D视觉引导点胶方法及系统研究

作者：陈鸿雨哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

随着智能手机行业的日新月异,手机曲面屏、窄边框的趋势越来越明显,这对点胶封装工艺要求越来越高。现有的基于二维视觉的点胶机需要严格控制环境光照条件及工作平台平整,并且在对曲面、异形工件点胶时,点胶效果较差。相较于2D相机容易... 详细信息

随着智能手机行业的日新月异,手机曲面屏、窄边框的趋势越来越明显,这对点胶封装工艺要求越来越高。现有的基于二维视觉的点胶机需要严格控制环境光照条件及工作平台平整,并且在对曲面、异形工件点胶时,点胶效果较差。相较于2D相机容易受光照强度和缺少深度信息等缺点,线结构光相机不容易受环境光照强度影响且能精确获取完成物体三维测量,为后续点胶加工提供点胶轨迹的精确点位。因此本文针对此问题,引入3D视觉技术来对手机中框的引导点胶方法及系统进行研究,本文的主要研究内容如下:首先,设计了面向曲面中框的3D视觉引导点胶系统方案,接下来介绍了系统工作流程并对三维测量技术进行分析。其次,针对单次扫描无法完成手机中框的三维测量,本文提出了一种基于多圆孔标定块的点云拼接算法。通过对标定块进行边缘检测、椭圆拟合、平面拟合等处理来提取标志点三维坐标,然后采用奇异值分解法(SVD)求解出拼接矩阵,完成了中框点云拼接。同时拼接后的点云数量大且存在背景、离群点等无关信息,本文通过K维树建立点云拓扑结构,使用直通滤波、体素滤波和离群点去除等方法提取中框点云并优化点云质量,减少后续处理时间。然后,针对配准点云数据时存在精度低和速度慢的问题,提出了一种基于3D邻域点特征直方图(3DNPFH)描述符的点云粗配准方法。通过“3D”描述符大大减少对应点对的搜索空间,接着通过邻域点特征直方图(NPFH)编码关键点邻域信息并进行描述符匹配,利用随机采样一致性算法(RANSAC)进行点云粗配准。随后利用点到面迭代最近点算法(Point-to-Plane ICP)精配准完成了场景中框点云的位姿估计,为后续定位点胶轨迹奠定基础。最后,搭建视觉引导点胶系统实验平台并对本文所设计的算法进行实验验证。通过平均绝对误差(MAE)验证了拼接算法在X、Y、Z方向上的误差。然后通过两步点云配准定位出场景下点胶轨迹,并使用均方根误差(RMSE)对系统的点胶轨迹定位精度进行了评估,验证了本文方法的有效性。

关键词：视觉引导点云拼接点胶机点云预处理点云配准

基于激光视觉跟踪扫描技术的街区建筑立面测绘方法

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黑龙江工程学院学报 2023年第2期37卷 22-26,33页

作者：祖为国谭金石刘丽广东工贸职业技术学院测绘遥感信息学院广州510510

针对狭窄街区建筑立面测绘中存在街区狭窄视场、结构复杂和传统测绘方法实施困难、效率低等问题,提出一种基于激光视觉跟踪扫描的建筑立面快速测绘方法。首先阐述了激光扫描技术和激光视觉跟踪技术的基本原理,然后结合工程案例,从技术... 详细信息

针对狭窄街区建筑立面测绘中存在街区狭窄视场、结构复杂和传统测绘方法实施困难、效率低等问题,提出一种基于激光视觉跟踪扫描的建筑立面快速测绘方法。首先阐述了激光扫描技术和激光视觉跟踪技术的基本原理,然后结合工程案例,从技术路线、外业点云数据、内业点云数据等方面进行分析,最后从精度检验、效率对比及优势3个方面进行比较。结果表明,激光视觉跟踪扫描技术具有外业采集和处理效率高、精度高、点云数据丰富等特点,在建筑立面测绘方面具有很大优势,为立面测绘提供了一种新思路、新方法。

关键词：激光扫描立面测绘视觉跟踪点云拼接点云数据

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基于宏微复合标定的跨尺度零件测量方法

光学学报 2024年第6期44卷 269-281页

作者：宋瑞张益华崔海华南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

为了实现对跨尺度零件微小结构的尺寸精度和定位精度的同时测量,提出一种基于宏微复合标定的测量方法。建立不同尺度传感器组合式测量的标定模型,利用变焦扫描显微系统测量零件微尺度特征,利用双目系统测量定位显微设备,从控制坐标转换... 详细信息

为了实现对跨尺度零件微小结构的尺寸精度和定位精度的同时测量,提出一种基于宏微复合标定的测量方法。建立不同尺度传感器组合式测量的标定模型,利用变焦扫描显微系统测量零件微尺度特征,利用双目系统测量定位显微设备,从控制坐标转换精度的角度设计加工特殊的标定块,将其作为跨尺度中转坐标系,标定变焦扫描显微重建点云坐标系与测头坐标系的空间转换关系,从而将局部测量点云统一至一个数据集中以完成所有局部区域的整体拼接。与理论模型对比分析,所提测量方法的各孔圆心坐标分布圆度误差为0.0438 mm,平面度误差为0.0252 mm,对喷注器各孔位姿的点误差值小于0.029 mm,孔轴向误差小于0.1140°。与面结构光传感器重建结果对比分析,所提模型能够在保证高精度重建三维形貌的情况下,更加正确地获取跨尺度零件的尺寸和位置。

关键词：表面形貌测量跨尺度多传感器方法点云拼接

基于点云采样权重估计的未知物体抓取位姿生成方法

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控制与决策 2023年第10期38卷 2859-2866页

作者：蔡子豪杨亮黄之峰电子科技大学中山学院计算机学院广东中山528402 广东工业大学自动化学院广州510006

针对机械臂在非结构环境中对未知物体抓取位姿生成困难及抓取稳定性差的问题,提出一种基于点云采样权重估计的抓取位姿生成方法.首先通过移动深度相机的方式拼接得到较完整的物体点云信息,并对物体的几何特性进行分析,有效避开物体不宜... 详细信息

针对机械臂在非结构环境中对未知物体抓取位姿生成困难及抓取稳定性差的问题,提出一种基于点云采样权重估计的抓取位姿生成方法.首先通过移动深度相机的方式拼接得到较完整的物体点云信息,并对物体的几何特性进行分析,有效避开物体不宜抓取的位置进行抓取位姿样本生成;然后结合几何约束条件实现抓取位姿搜索,并利用力封闭条件对样本稳定性进行评估;最后为了对实际的抓取位姿进行评价,根据其稳定性、夹取深度、夹取角度等设定抓取可行性指标,据此在工作空间输出最佳抓取位姿并完成指定的抓取任务.实验结果表明,采用所提方法能够高效生成大量且稳定的抓取位姿,并在仿真环境中有效实现机械臂对单个或多个随机摆放的未知物体的抓取任务.

关键词：非结构环境机械臂抓取点云拼接点云精简点云采样力封闭条件

多视场三维结构光离焦投影混合编码测量与系统实现

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多视场三维结构光离焦投影混合编码测量与系统实现

作者：胡浩晖广东工业大学

学位级别：硕士

结构光测量技术因具有测量速度快与精度高等优点而被广泛应用于3C电子制造产业中各种复杂微细元器件的检测。但由于传统结构光测量技术中投影仪存在非线性Gamma效应和最高帧率只有120Hz,且相机与投影仪需精确同步等缺点,限制了结构光测... 详细信息

结构光测量技术因具有测量速度快与精度高等优点而被广泛应用于3C电子制造产业中各种复杂微细元器件的检测。但由于传统结构光测量技术中投影仪存在非线性Gamma效应和最高帧率只有120Hz,且相机与投影仪需精确同步等缺点,限制了结构光测量精度和速度。为此,本文深入开展结构光测量技术研究,提出基于离焦投影的混合二值条纹编码解码算法、相机与投影仪高速触发和离焦系统参数标定等相关算法,在保证测量精度下提高三维测量速度;面向大尺度多个视场测量需求,提出点云快速拼接算法,并开发实现三维结构光离焦投影测量系统。本文主要内容概括如下:（1）深入调研目前结构光离焦测量方法和多视场点云拼接算法的国内外研究现状,对现有二值编码方法、相位误差补偿与展开算法、离焦系统参数标定算法和点云快速拼接算法进行对比及总结,明确高速高精度的结构光离焦测量方法与点云快速拼接中存在关键难题;（2）针对结构光离焦测量中高速与高精度矛盾问题,在二值条纹编码研究基础上,提出一种在低频阶段使用SBM条纹和高频阶段使用改进SD条纹的混合二值条纹编码方法,并在频域与相位误差分析基础上建立该混合二值条纹的相位误差数学模型,提出在包裹相位阶段进行误差补偿的相位展开算法,在保证测量精度前提下加快投影二值条纹速度,实现高速高精度的结构光离焦测量。（3）针对普通商用投影仪存在非线性Gamma效应和投影帧率低等缺点,提出利用可编程投影仪代替普通商用投影仪,研究可编程投影仪高速触发模式,设计以相机同步触发可编程投影仪方式来实现高速投影;针对离焦测量系统标定难及精度差双重问题,确定基于可编程投影仪离焦方式来分析相机成像模型和可编程投影仪的离焦成像原理,提出采用张正友标定法和基于带有误差补偿的混合二值条纹实现相位映射来对相机和可编程投影仪进行高精度标定。（4）针对多视场三维点云拼接效率低、拼接精度差等难题,提出基于精密运动平台的多视场点云快速拼接方法;先通过基于统计学滤波法去除离群点和基于体素格滤波法对点云进行降采样,实现点云预处理以避免影响拼接精度;针对基于精密运动平台的点云拼接存在错位问题,提出基于两坐标系投影角实现精密运动平台与测量平台标定,通过角度补偿实现高精度点云快速拼接。（5）基于上述研究方法和理论知识,结合C++编程语言、Open CV图像处理库和PCL点云处理库等工具包实现各项算法功能模块,并基于Qt图形界面应用程序开发一套可实现点云快速拼接、高速高精度的多视场结构光离焦测量系统。通过测量若干实物来验证本文所提方法和系统功能的可行性和有效性,同时利用凹槽标准块测出离焦测量系统的测量速度与精度。

关键词：离焦测量混合二值条纹可编程投影仪离焦标定点云拼接

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基于三维激光点云的船用螺旋桨变形分析

舰船科学技术 2024年第6期46卷 26-30页

作者：牛凯梁艳沈中祥叶爱青江苏海洋大学海洋工程学院江苏连云港222005 江苏海事职业技术学院船舶与海洋工程学院江苏南京210000 江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江210008 上海龙禹船舶技术有限公司上海200444

传统采用螺距仪的测量方式效率低且准确性有待提高,为了准确获取船用螺旋桨的变形情况,提出一种使用三维激光扫描仪对其测量并进行变形分析的方法。在获取多视角的三维激光点云数据后,先进行裁剪去噪的预处理,然后对点云进行基于改进的S... 详细信息

传统采用螺距仪的测量方式效率低且准确性有待提高,为了准确获取船用螺旋桨的变形情况,提出一种使用三维激光扫描仪对其测量并进行变形分析的方法。在获取多视角的三维激光点云数据后,先进行裁剪去噪的预处理,然后对点云进行基于改进的SAC-IA粗拼接和K-D Tree加速处理的ICP精拼接,并对拼接精度进行分析,最后在CATIA软件中对比基于点云建模拟合的模型与原设计模型,得到船用螺旋桨直观且具体的变形情况,验证了该方法的可行性。

关键词：三维激光扫描船用螺旋桨点云拼接变形

基于光栅投影的手持式无标志点三维扫描技术研究

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基于光栅投影的手持式无标志点三维扫描技术研究

作者：李江龙哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

三维扫描技术是涉及到光、机、电、计算机等多方面知识的一种技术,能够对物体快速数字化三维建模,在逆向工程、数字化制造、虚拟现实、产品检测以及文物保护等众多方面被广泛应用。其中,光栅投影三维扫描技术以其精度高速度快的优点越... 详细信息

三维扫描技术是涉及到光、机、电、计算机等多方面知识的一种技术,能够对物体快速数字化三维建模,在逆向工程、数字化制造、虚拟现实、产品检测以及文物保护等众多方面被广泛应用。其中,光栅投影三维扫描技术以其精度高速度快的优点越来越受重视。目前市场占有率较高的多为北美和欧洲的产品,这些三维扫描设备价格昂贵,对于中小型企业而言使用成本较高。因此,本文基于相移法解相位原理、多频外差解相位包裹原理、相位误差校正、摄像机参数标定和投影仪相位-高度标定,以及尺度空间关键点检测技术,力图开发一套成本低、速度快、体积小巧使用方便的手持式三维扫描设备。整个论文的研究内容如下:研究了基于圆环阵列平面靶标的摄像机标定技术。针对张正友黑白格棋盘靶标角点处存在灰度突变无法用于相位-高度标定的缺点,设计了由4个大圆和51个小圆组成的圆环阵列靶标。提出了有效去除背景干扰和提取靶标区域的椭圆识别算法,并对相机标定进行了实验验证。使后续投影仪相位-高度标定和相机标定能够用同一组照片衔接起来。研究了投影仪相位-高度标定算法及相位校正算法。结合相机标定得到的相机参数,利用双线性插值算法精确提取标志点处相位值,并用于投影仪相位-高度标定实验,为三维点云求解奠定了基础。以三步相移解相位原理和双频外差解包裹原理为基础完成了投影仪解相位算法设计。分析了投影相位误差的原因,提出一种全域相位校正算法,大幅提升了短距、广角投影仪的相位精度。研究了单片点云的求解原理及尺度空间中搜索被测物本身特征信息关键点的算法。以相机和投影仪标定结果为基础,计算了三维点云。将尺度空间关键点应用到单片三维点云拼接中,省去人工标志点。对比了不同的解法对点云拼接的不同效果。最终实验验证了尺度空间中关键点用于点云拼接的可行性。研究了以系统标定及点云求解和拼接原理为基础的手持式三维扫描硬件实验平台。以89C52单片机最小系统为下位机,通过与上位机之间的通信,控制CCD相机和DLP投影仪协调工作,实现拍照、投影、照片存储的同步。设计了上位机软件,用于交互操作和一些重要参数的设置。设计了系统标定工具箱,不仅能够快速实现系统标定和三维点云求解,而且具有图像处理功能。

关键词：三维扫描摄像机标定相位-高度标定相位校正点云拼接