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基于双CCD的编码靶标型无导轨三坐标测量系统的研究

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基于双CCD的编码靶标型无导轨三坐标测量系统的研究

作者：何迪西安理工大学

学位级别：硕士

现代科技的快速发展,使物体的三维设计、模具设计制造、产品检测及微变量测量越来越受到重视,特别是大尺寸不规则自由曲面、形体的三维测量,如飞机、汽车的模具外形、发动机外壳等。如何快速、高精度地获取大型物体三维表面数据已成为... 详细信息

现代科技的快速发展,使物体的三维设计、模具设计制造、产品检测及微变量测量越来越受到重视,特别是大尺寸不规则自由曲面、形体的三维测量,如飞机、汽车的模具外形、发动机外壳等。如何快速、高精度地获取大型物体三维表面数据已成为现代工业发展中一个重大难题。随着电子、光学、计算机技术日趋完善,以及人们在图像处理、模式识别、人工智能技术等领域取得了巨大成就,以工业化的CCD (Charge Coupled Device)摄像机、半导体激光器和液晶光栅技术及电子产品(计算机、图像采集系统和低级图像处理系统等)为基础的无导轨三维快速测量技术成为国内外研究发展的热点和重点。课题借鉴条码型水准尺高程测量系统采用的测量原理,以编码靶标为核心,利用数字编码靶标具有的全息特性及图像传感器,仅需获取靶标局部编码信息,通过空间坐标变换及信息处理,就可得到大范围信息的方法,来完成高分辨率、小视场图像传感器实现大范围的三维坐标测量。本文完成的主要工作有：①通过分析目前国内外的三坐标测量技术,提出了利用编码靶标实现无导轨三坐标测量的方法;②研究测量系统的工作原理,完成了系统的总体结构设计,以及靶标的设计;③针对系统的结构及测量原理,设计了投影成像法与透视成像法两种数学模型,建立了相应的测量方程组;④完成了测量软件的设计,详细阐述了通过图像处理获取测量方程组中各未知参数的方法;⑤搭建坐标测量实验平台,进行了原理性实验、重复性实验、定点测量实验与测量精度实验;⑥分析了系统的测量精度;针对测量系统可能的误差来源,分析了误差产生的原因,并提出了相应的改进措施。文章利用计算机视觉测量技术及条形码的全息特性,提出一种基于图像传感器与编码靶标的无导轨三坐标测量系统,通过理论研究与实验分析表明靶标可以以不同方位实现坐标测量,为大型物体的三维表面提供了一种无导轨测量的新方法。

关键词：编码靶标无导轨坐标测量视觉测量

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全息编码靶标及图像逆投影校正匹配

全息编码靶标及图像逆投影校正匹配

作者：张宇帆西安理工大学

学位级别：硕士

编码靶标被广泛应用于视觉测量中,如视觉摄影测量中应用编码靶标可实现多角度拍摄图像的精确匹配,靶标成像式位姿测量系统若采用编码靶标可减小成像视场,实现高精度测量。编码靶标的设计以及快速精确匹配对视觉测量技术的发展具有现实意... 详细信息

编码靶标被广泛应用于视觉测量中,如视觉摄影测量中应用编码靶标可实现多角度拍摄图像的精确匹配,靶标成像式位姿测量系统若采用编码靶标可减小成像视场,实现高精度测量。编码靶标的设计以及快速精确匹配对视觉测量技术的发展具有现实意义,在多个领域有广泛应用,如机器人运动控制系统、大范围高精度检测系统及大尺寸物体三维表面检测等。本文提出了一种全息性编码靶标方案,该编码靶标应用于位姿测量可提高测量范围和测量精度。并对目前解码方法中仿射变换对相对成像面大角度成像不能正确解码的问题,提出了一种图像逆投影校正匹配的解码算法。该解码方法,还可应用于摄影测量中的编码靶标解码匹配,不受编码规则限制,可有效提高解码正确率。具体完成的研究工作如下:1.分析位姿测量现状,提出利用编码靶标改进测量;针对编码靶标研究现状,进行编码靶标设计和解码,具有现实意义。2.设计了一种具有全息特性的平面编码靶标,由局部编码即可获得该部分在靶标上的位置及靶标整体状态;只需3个基元就能通过编码组合实现全息特性,只要获取多于4个编码单元的图像即可实现解码和测量。在靶标中还加入了方位特性,大大降低了解码难度。3.针对编码靶标的解码匹配问题,提出旋转参数和平移参数分离的想法,设计出基于靶标图像逆投影校正和相关匹配相结合的解码算法,采用透视变换,将靶标图像重建到三维空间中,对其进行旋转校正后再投影到原像面中,解决了仿射变换对相对成像面大角度成像不能正确解码的问题。4.运用图像匹配来校正平移参数时,本文改进了相关匹配算法,不用在图像中逐个像素进行搜寻,只需搜寻编码靶标上的标志点,大大提高匹配效率,缩短了匹配时间。5.实验表明,在匹配范围上,仿射变换校正的极限只有15°,本文提出的基于图像逆投影校正的极限能达到60°;在匹配时间上,普通匹配算法的匹配间平均为2.1s,本文改进的匹配搜寻方法的匹配间平均为0.4s。

关键词：全息性编码靶标逆投影校正相关匹配位姿测量

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应用视觉测量的编码靶标设计

应用视觉测量的编码靶标设计

作者：冯少华西安理工大学

学位级别：硕士

随着现代科技的不断发展,计算机、激光、CCD传感器技术也得到了快速的发展,近年来国内外各科研单位设计了不同形状的靶标,结合视觉测量系统对特殊曲面进行测量,靶标测量系统因为具有体积小、重量轻、便于携带等优点,得到了越来越多的应... 详细信息

随着现代科技的不断发展,计算机、激光、CCD传感器技术也得到了快速的发展,近年来国内外各科研单位设计了不同形状的靶标,结合视觉测量系统对特殊曲面进行测量,靶标测量系统因为具有体积小、重量轻、便于携带等优点,得到了越来越多的应用。应用视觉的靶标测量系统的应用非常广泛,从零件视觉检测、定位到机器装配,还有文物与雕塑等方面,特别是坐标机无法实现的大尺寸自由曲面的三维测量,如飞机、车辆的模具外形、涡轮的设计、发动机外壳等都能进行现场测量。为了适应快速的现场测量,实现测量的高精度与大范围,因此本课题提出以靶标为核心通过对靶标进行红外编码应用视觉测量系统对目标物进行测量,本课题设计了以LED红外二极管为编码点和标识点的编码靶标,由于红外LED编码点图像清晰,在不同测量距离时通过调节红外LED发光二极管亮度使得CCD传感器采集到的图像效果基本一致。同时本课题还设计了以CC2530为控制器的无线通讯系统,实现靶标测量系统的智能化,网络化和无线化。本课题以编码靶标作为探测工具主要做了如下研究:（1）结合国内外靶标编码方式提出了以红外LED发光二极管的作为靶标的编码点和标识点,并对靶标形状进行仿真分析,确定合适的标识点及编码点的分布。（2）编码靶标的设计,对编码靶标的机械结构进行设计,确定了直线型靶标的优点,同时对编码靶标的硬件电路进行设计。（3）为了操作的便捷性,对编码靶标进行无线控制。本课题利用意法半导体公司推出的STM32系列ARM控制器对12个标识点红外二极管进行占空比（PWM）调节达到红外二极管亮度变化的效果;同时以TI公司的CC2530无线射频芯片为核心,利用UART协议实现编码靶标系统的无线化、网络化、智能化。本课题来源于国家自然科学基金项目“基于编码靶标的小视场大范围坐标测量方法研究”其中编码靶标的设计以及靶标测量系统的无线智能化是课题的重要研究对象,我们对靶标的性能进行了测试,表明编码靶标的精度高于普通靶标,通过仿真分析确定了直线型靶标的结构。同时以红外二极管作为靶标的编码点及标识点。设计了以CC2530为无线传输模块实现了靶标测量系统的无线智能化。

关键词：编码靶标精度视觉传感器点光源全息特性

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基于编码靶标的坐标测量系统研发

基于编码靶标的坐标测量系统研发

作者：刘静妍西安理工大学

学位级别：硕士

随着现代工业装备制造对现场测量的需求日益增多,传统的三坐标测量机已经不能满足要求,而光笔式坐标测量系统由于灵活性好、结构简单、便于操作等优点得到了广泛研究和应用。针对国内现有的光笔式坐标测量系统普遍测量范围小、精度低的... 详细信息

随着现代工业装备制造对现场测量的需求日益增多,传统的三坐标测量机已经不能满足要求,而光笔式坐标测量系统由于灵活性好、结构简单、便于操作等优点得到了广泛研究和应用。针对国内现有的光笔式坐标测量系统普遍测量范围小、精度低的问题,本文设计了一种基于编码靶标的坐标测量系统,主要由手持式编码靶标、图像采集设备以及装有测量软件的计算机组成,该系统采用亮度可调的编码靶标进行测量,在扩大测量范围的同时也提高了测量精度。本文对该系统关键技术进行了研究并研制出了可自动测量的系统样机,测量时只需按下靶标上的触发按键即可获取被测点的三维空间坐标。本文完成的主要工作如下:1.分析了目前光笔式坐标测量系统的研究现状,设计了一种基于编码靶标的坐标测量系统,分析了该系统的测量模型并通过仿真验证了采用编码靶标测量的精度高于普通靶标。2.完成了编码靶标的总体设计,包括手持式靶标的驱动电路设计、外壳结构设计以及无线通讯设计,实现了编码靶标与上位机的无线通讯,并在此基础上实现计算机控制靶标光点亮度的自动变化,本文设计的靶标具有通信简单、稳定性高、重量轻、实用性强、成本低等特点。3.设计了系统自动化测量软件,上位机收到靶标发送的信号后控制CCD相机采集靶点图像,对图像中光点亮度进行判断后根据结果自动发送控制靶标光点亮度调节的数据,经图像处理后对靶点图像和标准模板图像进行相关匹配从而计算得到被测点的空间坐标。4.设计并进行了大量实验,通过系统稳定性实验验证了该系统在3m的测量范围内,x、y,z向稳定性精度分别可达到0.010mm、0.014mm、0.228mm,实验证明了靶点自动调亮的必要性以及编码靶标稳定性精度高于普通靶标。

关键词：坐标测量系统编码靶标无线通信模板匹配

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基于平面编码靶标位姿测量方法的研究

基于平面编码靶标位姿测量方法的研究

作者：张琪西安理工大学

学位级别：硕士

物体的位置和姿态测量在航空航天、机器人导航、外科手术、光电瞄准系统、汽车质量检测等工业领域有着非常重要的价值。单目视觉位姿测量是指仅利用一台视觉传感器采集图像,对物体的几何尺寸以及物体在空间中的位置和姿态的测量,具有非... 详细信息

物体的位置和姿态测量在航空航天、机器人导航、外科手术、光电瞄准系统、汽车质量检测等工业领域有着非常重要的价值。单目视觉位姿测量是指仅利用一台视觉传感器采集图像,对物体的几何尺寸以及物体在空间中的位置和姿态的测量,具有非接触、结构简单、实时性强等诸多优点。针对普通靶标位姿测量系统不能兼顾高分辨率和大视场这一问题,本课题提出了基于平面编码靶标的位姿测量方法并建立了相应的位姿测量系统,本系统从成像目标入手,利用平面编码靶标,只需获得编码靶标的局部信息,即可解码得出该部分在整体中的位置,然后通过图像处理与空间坐标位置变换就可得出靶标的位置和姿态,实现了视觉位姿测量只需较小视场就能对相对大范围的目标进行高精度的测量,具有较高科学研究意义和实用价值。本文具体开展的研究工作如下:（1）分析了目前位姿测量的研究现状,针对现在位姿测量系统不能同时兼顾小视场和大范围的情况,提出了利用编码靶标即可实现只需较小视场就能对相对大范围运动的待测目标进行测量。（2）完成了基于编码靶标的位姿测量系统的整体设计。（3）研究了位姿测量原理,完成了基于编码靶标位姿测量系统的设计,研究了编码靶标成像坐标传递规律,据此建立了位姿测量数学模型并进行模型优化,然后仿真验证了模型的正确性,并分析了影响位姿测量精度的因素,通过仿真验证了采用编码靶标进行位姿测量时的精度高于非编码靶标。（4）进行了摄像机内参数标定。设计制作了圆阵列的平面标定板,用局部阈值对标定板图像进行分割,对标定板圆阵列进行排序,用张正友标定法对相机进行了标定,并用重投影法对标定结果精度进行了评价。（5）编写了基于编码靶标的位姿测量系统软件,设计并进行了大量实验,检验了编码靶标位姿测量模型和仿真的正确性并得到了系统测量精度,实验证明了编码靶标测量系统精度优于普通靶标位姿测量系统。

关键词：编码靶标位姿测量相机标定标定板图像处理

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一种同心圆编码靶标的解码与定位方法

工业控制计算机 2023年第1期36卷 48-50页

作者：张峻榕刘柯健张震宋银良彭涛张之江上海大学通信与信息工程学院上海200444 上海航天电子技术研究所上海201109 上海宇航系统工程研究所上海201108

针对大视场三维视觉测量时,被测目标特征点难以直接提取或不易精准匹配场景的问题,提出一种同心圆编码靶标的解码与定位方法,利用轮廓提取、连接弧段、椭圆匹配等方法确定靶标区域,并基于交比不变原理实现其中心定位,通过枚举标准信号... 详细信息

针对大视场三维视觉测量时,被测目标特征点难以直接提取或不易精准匹配场景的问题,提出一种同心圆编码靶标的解码与定位方法,利用轮廓提取、连接弧段、椭圆匹配等方法确定靶标区域,并基于交比不变原理实现其中心定位,通过枚举标准信号并比较相关性实现解码。在被测目标表面部署该靶标作为特征点后,针对其图样进行定位与解码,即可利用视觉测量系统在大视场、干扰多的环境下进行高精度的三维视觉测量。实验结果表明,该方法可在物距约30 m时采集的复杂场景图像中准确定位并解码合作靶标。

关键词：同心圆特征编码靶标目标识别三维定位视觉测量

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小视场大范围坐标测量方法

机械工程学报 2018年第10期54卷 29-35页

作者：赵敏刘月婵黄秋红朱凌建西安理工大学机械与精密仪器工程学院

靶标成像法存在高分辨率与大范围不能兼顾的难题。提出基于编码靶标成像的小视场坐标测量新方法,利用视觉测量获取编码靶标局部信息,依据靶标的全息性即可获得靶标端点的位置信息,实现相对大范围的坐标测量。设计出编码靶标,采用红外光... 详细信息

靶标成像法存在高分辨率与大范围不能兼顾的难题。提出基于编码靶标成像的小视场坐标测量新方法,利用视觉测量获取编码靶标局部信息,依据靶标的全息性即可获得靶标端点的位置信息,实现相对大范围的坐标测量。设计出编码靶标,采用红外光点组合编码,只要成像视场大于3个编码间距即可正确解码和测量。建立系统测量模型,仿真分析了系统主要参数与测量精度的关系,构建优化的测量系统。定点测量和距离测量试验和数据证明了通过获取编码靶标的局部信息可以实现高精度坐标测量。仿真和试验表明,采用编码靶标测量,不仅利用较小视场实现较大范围内的高精度测量,而且利用视场内尽可能大范围的光点参与计算提高测量精度,编码靶标方法显著优于普通靶标方法。利用编码靶标的全息特点扩大测量范围而并不损失测量的分辨率,可以解决视觉测量中大范围与高分辨率不能兼顾的矛盾,为视觉坐标测量提供新思路,具有后续研究价值和实际应用价值。

关键词：小视场坐标测量编码靶标精度

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航天器交会对接中测量靶标的两种设计方法

宇航学报 2008年第1期29卷 162-166页

作者：王保丰李广云陈继华唐歌实于志坚北京航天飞行控制中心北京100094 解放军信息工程大学测绘学院郑州450052 北京跟踪与通信技术研究所北京100094

根据旋转、平移和缩放不变性、易于探测与高精度定位等原则设计出了两种用于航天器交会对接视觉测量的编码靶标。一种为圆形编码靶标,使用二进制相对编码的方法对靶标进行编码和解码。另一种为圆环形编码靶标,是一种具有坐标系的绝对编... 详细信息

根据旋转、平移和缩放不变性、易于探测与高精度定位等原则设计出了两种用于航天器交会对接视觉测量的编码靶标。一种为圆形编码靶标,使用二进制相对编码的方法对靶标进行编码和解码。另一种为圆环形编码靶标,是一种具有坐标系的绝对编码,通过模版匹配实现解码。在不同条件下进行了实验,两种编码靶标都能被准确地识别。实验结果证明两种靶标具有很好的抗干扰性和稳定性,能够适应交会对接视觉测量的要求。

关键词：交会对接飞行器编码靶标仿射变换

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基于机器视觉的模型测量靶标的跟踪研究

基于机器视觉的模型测量靶标的跟踪研究

作者：豆华哲北京交通大学

学位级别：硕士

随着信息技术迅速发展,基于机器视觉的目标跟踪技术在很多领域具有广泛的应用价值。目标跟踪涉及到图像处理、模式识别以及人工智能等诸多领域,是一门交叉性很强的学科。在对目标进行跟踪的过程中,目标自身特征的多样性、运动场景的复... 详细信息

随着信息技术迅速发展,基于机器视觉的目标跟踪技术在很多领域具有广泛的应用价值。目标跟踪涉及到图像处理、模式识别以及人工智能等诸多领域,是一门交叉性很强的学科。在对目标进行跟踪的过程中,目标自身特征的多样性、运动场景的复杂性和跟踪过程遇到的问题(如遮挡、光照、防射变换、相似目标物干扰),都构成了限制目标跟踪算法性能的影响因素。因此研究一种具有实时性、准确性、鲁棒性的运动目标跟踪方法依然是该领域面临的一个巨大挑战。本文对基于机器视觉的模型测量靶标的动态跟踪算法进行研究。根据跟踪系统的特点,首先以圆作为基本结构设计测量靶标,并对靶标识别定位。根据圆的特性,采用圆参数优化方法提取靶标亚像素级的中心坐标,并通过不同的仿真实验和评价指标对提取精度进行分析,表明设计靶标的适用性和中心定位的精确性。为了满足目标跟踪系统的实时需求,本文选择了计算量较小的Mean shift跟踪算法,分析该跟踪算法容易出现跟踪失效等不足。针对光照不均匀影响问题,本文提出融合顶帽变换的Mean shift跟踪算法,提高了运动目标检测的完整性,进而增加了目标跟踪的准确性。针对Mean shift目标跟踪算法存在尺度更新策略缺陷,以及在跟踪过程中出现遮挡、防射变换等复杂情况下跟踪不稳定,本文采用基于SIFT尺度不变特征的Mean shift跟踪算法,在跟踪过程中,采用SIFT算子的局部描述和RANSAC算法实现对错误匹配点的剔除。通过在复杂环境下进行目标跟踪实验,并提取目标运动轨迹曲线进行对比分析说明,实验证明本文采用方法能够有效地适应跟踪过程中出现的尺度变换和遮挡等情况,提高了跟踪算法的适用性、准确性和鲁棒性。

关键词：编码靶标识别定位目标跟踪 Mean shift 顶帽变换 SIFT