基于多幅标定图像的管件三维重建

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1、南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论逆向工程是CAD/CAM中一个相对独立的范畴。数据测量是逆向工程的第一个步骤，也是逆向工程中最关键的技术之一。摄影测量是通过摄影得到的图像进行场景或物体各种几何参数测量的方法，是光学图像处理最重要和最普遍的应用之一，也是视觉技术最早的应用领域之一[1]。按测量对象的不同可分为遥测、远景摄影测量、近景摄影测量、显微摄影测量等几种。其中近景摄影测量在工业应用中占有重要地位。数字近景摄影测量除了数字摄像机外，无需任何精密仪器，而且图像处理及三维模型重建等一般都交由计算机处理，因此，该方法硬件设置简单、测量方法灵活

2、、测量效率高，且继承了传统摄影测量的严密理论与方法，具有相当高的精度与可靠性，因而在逆向工程中有着非常广泛的应用。1.1近景摄影测量概述近景摄影测量（Close-rangePhotogrammetry）是摄影测量的一种，也是通过摄影手段来确定目标的外形和运动状态。但与其它摄影测量方法相比较，具有许多自身的特点[2]：（1）在被测物体的周围或内部拍摄像片；（2）相机的投影光轴很少平行，交向摄影居多；（3）待测物的尺寸与摄影距离的比值很大，接近1：1；（4）主要测量目标物的尺寸和形状，而不是绝对位置；（5）测量结果要与设计值（如CAD模型）进行比较

3、，等等。近景摄影测量的优越性，概括起来包括以下几点[3]：（1）它是一种瞬间获取被测物体大量物理信息和几何信息的测量手段。作为信息载体的相片或影像包含被测目标很多信息，特别适用于测量点众多的目标。（2）它是一种非接触性量测手段，不伤及测量目标，不干扰被测物自然状态，可在恶劣条件下（如水下、放射性强、有毒缺氧以及噪音）作业。（3）它是一种适合于动态物体外形和运动状态测定的手段，是一种适用于微观世界和较远目标的测量手段。（4）它是一种可提供相当高的精度与可靠性的测量手段，随处理方法以及技术手段和资金投入大小不同，测量精度有所变化，可提供千分之一至百

4、万分之一的相对精度。1基于多幅标定图像的管件三维重建（5）就当前发展而言，它是一种基于数字信息和数字影像技术以及自控技术的手段，使实时近景摄影测量正日益广泛地深入工业生产流程中，成为工业产品分类、导向、监测、装配和自动化生产的重要组成。（6）可提供基于三维空间坐标的各种产品，包括各类数据、图形、图像、数字表面模型以及三维动态序列影像等。作为一种测量手段，近景摄影测量以其非接触、高精度、测量速度快以及受温度、振动等外界干扰小等显著特点，已经被广泛应用于国民经济、科学研究和军事工程的各个方面[4][5]，如工业检测、机械制造、建筑业、医学、航空航天

5、、考古、虚拟现实等领域。随着水中摄影测量、X光立体摄影测量、全息摄影测量技术的发展；波形摄影测量、扫描电子显微镜等新的特殊测量手段的应用，近景摄影测量必定会在各个领域具有更加广泛的应用前景。与此同时，由于近景目标的大小各不相同，测定精度的要求差别悬殊，产品形式多种多样，其理论和实际应用等方面都有一系列特殊问题需要研究。1.1管路三维测量建模的研究现状1.2.1三维测量技术三维测量技术方法有很多种，主要有两大类：接触式测量和非接触式测量。接触式测量如三坐标测量机，出现较早，在工业界应用也很广泛，是基于机械接触式传感的三坐标测量方法。这种测量方法测

6、量精度高（可达1µ左右），但一般对环境要求很高，需要专门的测量室和专用测量台，测量范围有限，测量效率低，不适合复杂自由曲面物体的测量。非接触式测量如结构光法[6-8]、干涉法[9-11]、莫尔法[12][13]、相位法[14][15]等，结构光法是以硬件复杂性的提高和时序图像的增加，换取立体成像中对应点匹配的简化。目前这方面的趋势是简化系统装置，用尽可能少的时序图像获得高精度的三维数据；干涉测量法的特点是测量精度高，达到nm级，但是测量范围通常很小，并且测量系统的稳定性会受到温度、湿度、气压等因素的极大影响；莫尔条纹法有影像莫尔法、投影莫尔法、

7、扫描莫尔法等。影像莫尔法的特点是原理简单，精度高，但由于制造面积较大的光栅很困难，故该方法只适用于小物体的测量。投影莫尔法适合于测量较大的物体。扫描莫尔法优点是利用现代电子技术，可以很方便地改变扫描光栅的栅距、相位等，生成不同相位的莫尔等高线条纹图像，便于实现计算机自动处理。其缺点是需要扫描机构，数据获取速度低、稳定性较差、对噪声敏感；相位测量法采用多帧图像，测量精度高。相位测量法目前的困难[16]主要有两点：投影系统和叠相还原。为了2南京航空航天大学硕士学位论文产生投影条纹，用两个相干波前产生的干涉条纹作为投影机构。它要求有良好的机械稳定性以

8、及精确的机械移动机构，并且干涉条纹易受大气扰动的影响。这些三维测量方法，有着各自的优缺点，但相对于近景摄影测量方法，它们在管路系统的现场测量方面却存在