opencv双目标定原理_论文分享|基于双目结构光的高铁白车身三维测量技术研究...

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摘要

高铁白车身作为高铁上非常重要的大型曲面结构件，在腻子打磨后其表面质量的好坏直接影响到高铁运行时的风阻性能，需要通过测量其表面平整度来评判打磨质量。目前工厂采用人工检测的方法，测量效率极低、检测质量难以得到保证。基于面结构光的测量方法由于其高精度、高速度的测量特点，当前已成为一些大尺寸工件测量的研究热点，因此，本文研究基于双目结构光的方法对高铁白车身进行三维测量，以提高整体测量的速度与精度为目标，所做的主要工作及创新点为： 1. 分析了结构光编解码中基于PSP 的三种相位展开算法，给出了这三种方法的优缺点，并对其中两种方法进行了相应的标准球测量实验，得出了在综合稳定性和精度方面最好的相位展开法。 2. 提出了基于“极线斜率-相位查找容器”的快速匹配方法，该方法采用粗到精的匹配模式，首先通过粗匹配来获得像素级匹配点，然后在粗匹配点的邻域范围内进行插值查找获得亚像素级匹配点，这种方法具有匹配速度快和匹配精度高的特点。 3. 对于具有低重叠区域的两块点云拼接困难的问题，提出了基于多球面特征的点云粗拼接方法，它通过在被测物体前面放置三个半径大小不同的标准球，并基于此标准球的球面特征计算得到粗配准矩阵，实验证明该方法能将两块具有低重叠区域的点云较好的拼接在一起，有效解决了点云拼接困难的问题。关键词：双目结构光；高铁白车身；三维测量；点云拼接

1 绪论 1.1 课题来源 1.2 课题研究背景及意义 1.3 国内外研究现状 1.4 本文主要研究内容 2 测量系统设计与标定 2.1 测量需求分析 2.2 双目结构光硬件平台 2.3 相机标定 2.4 本章小结 3 双目结构光三维测量 3.1 编码结构光技术 3.2 立体匹配与三维计算 3.3 标准球测量实验 3.4 本章小结 4 多视角点云拼接 4.1 点云粗配准 4.2 基于多球面特征的点云粗配准 4.3 基于ICP 的点云精配准 4.4 本章小结 5 高铁白车身测量实验 5.1 系统软件模块介绍 5.2 高铁车身板测量实验 5.3 误差分析 5.4 本章小结 6 总结与展望 6.1 总结 6.2 展望致谢参考文献

课题背景及意义

高铁全称高速铁路，但常说的高铁其实是指运行在高速铁路上的高速列车，高铁白车身是指未经涂装的列车车身，如下图所示，其制造性能直接影响列车的最终质量。目前国内围绕高铁白车身的自动化生产，在车身焊缝打磨、拉丝、腻子打磨等制造工艺方面展开了大量的研究，但仍存在作业环境恶劣、加工效率低、加工质量不稳定等多种问题，尤其是普遍采用人工打磨方式的腻子打磨工序，所以研制一套加工效率高、精度好的机器人自动化生产线具有十分重要的意义。

图1：高铁白车身虽然采用工业机器人代替人力劳动能够提高加工效率和质量，但同时也带来了新的问题：机器人加工一般是采用离线编程的方式进行加工路径规划，实现这一方式的前提是要知道工件的三维模型，而高铁白车身表面的腻子是由人工涂覆的，不可避免地会存在随机分布的凹凸不平的缺陷，导致工件的实际模型与理论模型相差较大，因此不能仅依靠理论模型的数据来设置加工路径，需要在每次加工前获得车身表面的实际三维模型，然后在不同的缺陷位置设置不同的加工参数，以达到较好的加工效果。此外，白车身腻子表面打磨完成后，需要通过测量其表面平整度来评判打磨的质量。目前工厂采用的方法为人工检测，如下图所示，用靠尺靠近车体表面，在靠尺和车体表面间能塞下的塞尺的最大厚度尺寸即为平整度参数。这种检测方式效率极低，操作不便，检测结果不够全面，精度不高。为此本文引入一种基于编码结构光(面结构光)的三维测量技术，该测量技术具有足够高的测量精度和测量速度，满足自动化生产线的测量要求。

图2：平整度人工检测编码结构光技术，作为一种非接触式的光学测量技术，当前被广泛应用在计算机视觉、机器视觉以及光学领域。其主要测量原理是通过投影仪投射面结构光至物体表面，待摄像机接收到被物体表面调制后的编码结构光信息后再进行解码，并结合摄像机的一些标定参数信息，计算出被测物体的三维信息。由于其具有高精度、高稳定性以及大量程的测量特点，近些年逐渐成为一些大尺寸工件测量方面的研究热点。

主要内容

本文所研究的是基于编码双目结构光的高铁白车身测量技术研究，全文的内容安排分布如下：第一章，阐述了本文课题来源、课题研究背景及意义，并介绍了几种大尺寸工件测量方法的研究现状以及编码结构光技术的国内外研究现状。第二章，介绍了所搭建的双目结构光测量系统硬件平台，并采用基于OpenCV的相机标定方式对测量系统进行了标定。第三章，本章以提高系统的测量速度与测量精度为目标，介绍了基于PSP 的结构光编解码中三种相位展开算法，在本章末尾比较了这三种方法，并对其中两种方法进行了标准球测量精度实验，得到测量精度和测量稳定性最高的方法，最后再立体匹配方面提出了基于“极线斜率-相位查找容器”的快速匹配方法，该方法采用粗到精的匹配模式，能以较快的速度和较高的匹配精度完成匹配点的计算。第四章，为了进一步提高整体测量速度，在采用基于双目结构光对高铁白车身进行测量时，需要在一次点云拼接后能测量到尽可能大的区域，那么两个视角下的公共重叠区域就会很少，此时会出现点云拼接困难的问题，因此本章提出了基于多球面特征的点云粗配准方法，并对该方法进行了详细的原理介绍和公式推导。第五章，本章介绍了测量系统的软件平台，并对高铁白车身侧墙板进行了测量实验，验证了本文所研究的方法在对高铁白车身测量方面的可行性，最后进行了相应的误差分析。第六章，对全文进行了总结，并对未来所要做的工作进行展望。

总结

本文基于双目结构光的测量方式，以实现高铁白车身的高精度、高效测量为目标，所做的主要工作及创新包括以下几点： 1. 对于编码结构光中基于PSP 的编解码方法，介绍了格雷码加相移相位展开法、多频层次相位展开法和多频外差相位展开法三种相位展开方法，并对以上三种方法的优缺点进行了分析说明，最后针对于多频层次相位展开法和多频外差相位展开法设计了标准球的精度测量实验，对这两种方法在相同频率数量以及同样的频率配置下的测量精度进行了分析对比。 2. 对于基于相位的立体匹配方法中，首先实现了基于极线校正的相位匹配方法，然后提出了一种基于“极线斜率-相位查找容器”的快速匹配方法，该匹配方法能够通过建立基于极线斜率和相位的查找容器来进行快速的粗匹配，得到像素级匹配点，然后在该匹配点的基础上，通过其邻域点的查询来实现亚像素级的匹配，此外在粗匹配和精匹配的过程中还引入了对匹配点的检查，不仅提高了最终匹配的正确率，而且由于可以提前剔除错误匹配点，提高了最终的匹配速度。 3. 为了使得两个视角下扫描得到的点云在拼接后能有更大的测量视场范围，需要它们的公共重叠区域比较小，针对此问题提出了基于多球面特征的点云粗配准方法，并给出了该方法的原理以及详细的公式推导过程。通过实验验证了该方法能够将两块具有低重叠区域的点云较好的拼接在一起。

展望

本文基于双目结构光的方法来对高铁白车身表面进行了三维测量研究，虽然解决了一些基本的测量问题，但是由于测量设备有限，以及本人的经验和研究水平的不足，所提出的整个测量方法在测量速度方面还有进一步的提升空间，主要体现在： 1. 更少的投影条纹实现不低于本文使用的编解码方法的测量精度。本论文所使用的多频层次展开法以及多频外差展开法都是基于三频四步相移法来进行测量实验的，虽然这种方法能够实现较高的测量精度，但是，其测量时采集光栅所花费的时间较多。可以考虑使用“双频2+1”来实现结构光的编解码。 2. 搭建多个双目结构光设备组成的测量系统进行测量实验。本论文只搭建了一个双目结构光测量设备进行了测量实验，验证了所提出的方法测量高铁白车身的有效性，但是真正要实现对整个高铁白车身的全场测量，可以通过多个双目结构光设备来形成更大的测量视场进行测量，进一步提高测量速度。

作者简介

毕业院校：华中科技大学作者姓名：陈新字申请学位：硕士研究生学科专业：机械工程指导教师：严思杰教授答辩日期：2019年05月

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