基于主动视觉大空间坐标测量关键技术的研究

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1、国内图书分类号：TP391.4学校代码：10213国际图书分类号：681.39密级：公开工学博士学位论文基于主动视觉的大空间坐标测量关键技术研究博士研究生：黄艳导师：车仁生教授申请学位：工学博士学科：仪器科学与技术所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2012年6月19日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP391.4U.D.C:681.39DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTHETECHNOLOGIESOFLARGESCALECOORDINATEMES

2、UREMENTBASEDONACTIVEVISIONCandidate：HuangYanSupervisor：Prof.CheRenshengAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：InstrumentationScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofElectricalEngineeringandAutomationDateofDefence：June,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstitu

3、teofTechnology摘要摘要针对固定式单摄像机坐标测量系统在大空间测量时测量精度低的问题，本文提出了主动视觉测量的新构想。课题“基于主动视觉的大空间坐标测量关键技术研究”的主要目的是将主动视觉引入现有的基于光学测棒的固定式单摄像机坐标测量系统中，探讨研究一种新的视觉坐标测量方法，以提高大空间测量精度。对这一新的测量系统的关键技术如：主动视觉坐标测量建模、移动光学测棒的捕获、移动光学测棒的跟踪、摄像机相对转台位姿现场校准等进行了深入研究，并提出了解决方案。本文研究了主动视觉坐标测量的系统结构并建立了测量模型。在测量过程中，光学测棒随着被测工件上的被测

4、点改变而移动，系统首先通过摄像机变焦、偏摆和俯仰捕获并跟踪移动中的光学测棒，使不同测距处的光学测棒都以合适的大小成像于CCD中央区域；再根据固定式单摄像机坐标测量模型计算光学测棒测尖也即被测点在此时系统姿态下的三维坐标；最后通过坐标变换将系统各姿态下测得的点的三维坐标拼接在世界坐标下，实现对大型工件的点位坐标测量。对移动中的光学测棒的捕获是指当测棒移动时，摄像机镜头经过变焦和对焦来捕获移动中的光学测棒，使其在像面上仍成大小合适且清晰的图像。本文对变焦镜头做分级变焦，即先根据测距范围和成像目标占像面百分比划分镜头的变焦等级，再估计出变焦镜头的焦距输出曲线，最

5、后在该曲线上快速定位各级焦距，可以获得光学测棒大小合适的图像；为了获得光学测棒上特征光点的清晰图像，本文提出一种将对焦深度法和离焦深度法结合的自动对焦方法，即先用基于退化图像二阶微分自相关的离焦深度法粗估计出正确对焦位置后，再用对点光源的灵敏度最高的Variance函数作为清晰度评价函数的对焦深度法在该位置附近搜索正确对焦位置。实验结果表明在全测量范围内，系统能随着光学测棒的移动完成对其的运动捕获，使其在像面上始终成大小合适且清晰的图像。对移动中的光学测棒跟踪是指当测棒移动时，转台带动摄像机做偏摆和俯仰运动跟踪移动中的光学测棒，使其始终成像于CCD像面的中

6、心区域。为实现快速准确的跟踪，本文提出一种基于图像平面逻辑分区的跟踪规划，即将图像平面划分成理想成像区、跟踪区和搜索区，当特征像点质心在搜索区内时用-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文基于特征像点质心偏差的快速跟踪方法以使光学测棒始终保持在摄像机视场范围内，当特征像点质心在跟踪区内时用基于PBVS的精确跟踪方法以使光学测棒成像于CCD平面的中央区域。实验结果表明该跟踪方法的有效性。摄像机相对转台位姿现场校准是保证主动视觉坐标测量系统测量数据拼接精度的重要环节之一，本文提出一种基于矩阵直积理论的线性算法和基于固定点重复测量的非线性规划相结合的二步校准法。为消

7、除测量噪声的影响，用四元数法正交化所求解的旋转矩阵并计算出新的平移矢量。实验结果表明校准方法具有较高的校准精度。最后，对基于主动视觉的大空间坐标测量系统进行了全面测试，与固定式单摄像机坐标测量系统相比，单点测量重复性在同一水平上，空间尺寸测量精度提高了2-3倍，验证了主动视觉坐标测量系统对扩展测量范围和提高大空间测量精度的有效性。关键词：主动视觉；视觉测量；自动对焦；目标跟踪；摄像机校准-II-AbstractAbstractInviewoftheproblemoflowaccuracyinthemeasurementoflargesacleforstat

8、icsolo-visioncoordinatemeasuremen