线结构光视觉检测系统的标定与测量-研究

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1、万方数据长春工业大学硕士学位论文1．1研究背景和意义第一章绪论在现实的生产和生活中，为了能够全面而准确的描述所要测量物体表面的信息，需要获得物体的三维信息，因此对物体的三维信息测量在测量领域成为一个重要的分支。它主要应用在电子、纺织、汽车、机械加工等现代工业中[1捌。随着现代自动化生产及机械加工的复杂程度的增加，对所加工零件的检测精度要求也逐渐增高，特别是对一些形状复杂的、易变形的、带有孔心距和曲面轮廓的零件，原始的三维检测方法已经不能满足现代工业的要求【3,4】。对新的三维检测技术的研究是时代和发展趋势下的必然。三维测量分为两种

2、：接触式、非接触式【5,6】，其中比较典型的早期接触式测量的代表是三坐标测量机，它是运用精密仪器，在当前比较前沿的数控、计算机、光学和电子等技术的基础上实现的。在这种方法中，会有探针接触在物体表面，原理就是通过控制探针的移动来测量物体表面三维信息，这种方法精度虽然比较高，但是却有很大的缺点。一方面，在测量过程中，移动的探头很容易划到被测物体的表面而损伤到零件；另一方面，这种方法的速度比较慢，因此效率会比较低。在对曲面比较复杂的物体进行跟踪时也比较困难，因此可靠性也低【7】。三坐标测量机的结构比较复杂，对周围的环境的要求也比较大，适

3、用的范围也因此大大受到限制，所以接触式测量对环境要求高、速度慢、可靠性低、效率低等缺点无法满足现代工业高效率高精度的要求。最近的十几年，人们开始转向对非接触式测量的研究。在计算机技术和光电技术的发展的带领下，非接触式测量方法成为国内外科研人士在对物体的三维检测中的重点研究方向。这种方法不再需要测量设备接触物体表面，避免了物体会受到设备的挤压，进而使测量的精度得到了提高，因此是一种较为理想的测量方法。视觉检测是现代非接触式测量技术中重要的一种技术，根据主动光源的有无，可以分为被动三维视觉和主动三维视觉两种。被动三维视觉又主要包括单目

4、视觉和双目立体视觉，其中双目立体视觉又称为立体视差法。主动三维视觉是通过光源照射被测物体或者使视觉系统主动的运动来获得物体的三维信息。比较具有代表性的主动三维视觉方法是编码光法和结构光法【8】。其中结构光法在测量的过程中要同时利用到可控光源和图像。不同的结构光光源所投射出的光条形状不同，根据不同的光条形状，结构光法又可以分为点结构光法、线结构光法以及编码结构光法等【9】。在计算机、光学和图像处理等技术发展的带动下，具有非接触、量程大、速度快、光条信息易于提取等优点的线结构光三维视觉检测技术也日趋成熟，在测量技术中的发展前景也越来越

5、好。线结构光视觉检测技术是计算机视觉测量中的一项重要技术，它运用光学三角法原理，根据视觉原理，用激光光源发出的一束光扫描物体，从打在万方数据长春工业大学硕士学位论文物体上发生畸变的光条图像获得被测物体表面上的三维信息【10】。这种技术不仅提高了测量的精度，速度也大大提高，因此在机械加工、零件的检测、医疗整形、汽车制造等各个领域得到了广泛的应用。线结构光视觉检测系统精度的高低，取决于能否在采样位置处准确的确定图像中激光光条中心的位置。因此，提取光条中心的精度将会直接影响到整个结构光视觉检测系统的检测精度。所以，专门对光条中心的提取方

6、法进行研究是很有必要的；再次线结构光视觉检测系统的标定对整个检测系统精度的影响也是不可忽略的，也是应该进行研究的重要问题。因此，对线结构光视觉检测系统的标定和测量问题进行研究，具有很大的实际意义。1．2结构光的视觉检测1．2．1线结构光法简介线结构光常常被看作一条光带。如下图1．1所示，激光器投射出一光束，这条光束经过一个柱面镜，然后就在空间内形成了一个激光平面。当这个激光平面和所测的物体的表面相交时，就会在物体的表面形成一个比较亮的光条。这里的光条会随着物体表面的深度的变化而发生调制，物体表面深度的大小决定了光条会发生畸变的程度

7、，物体表面上存在的物理间隙则会使光条变得不连续【111。能够从发生畸变的光条图像的信息中得到所测物体表面的三维信息，就是线结构光视觉检测系统的主要目的。由摄像机的光心位置所发射出的视线束和激光平面在空间中会相交于很多点，光条上的光点即是由在物体表面处的交点所组成得到，这样就可以形成许多几何三角约束，是与点结构光模式相类似的。而线结构光模式即是点结构光模式在一维方向上的扩展。而与点结构光模式不同的是，线结构光模式的信息量会大很多，而它的复杂度却没有因此而增加，因此线结构光在实际中的应用比较广泛[121。线结构光传感器主要包括两部分，

8、一部分是成像装置，它是由线阵CCD和平面镜所构成的；另一部分是由半导体激光器柱面镜构成的面光发生系统。线结构光传感器的大致原理【13]是：由激光器投射出的激光束通过柱面镜之后被转换成线光源，被测物体和投射出的光面相交于一条线，这条光线经过CCD摄像