基于图像工件曲面重建关键技术的研究

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1、博}：学位论文摘要在生产实践中，表面处理工艺的方法和技术水平越来越占据重要地位。喷涂是一个典型的表面处理工艺，对于喷涂机器人离线编程系统的研究越来越引起人们的重视，研究的核心是喷涂轨迹的生成与优化模块，其前提是工件表面CAD模型已知。而在实际的生产实践中，往往会遇到未知曲面CAD模型的喷涂问题，在未知曲面情况下，关于机器人离线编程系统的研究很少。因此，基于被动机器视觉技术，对于表面处理领域中未知曲面三维重建技术的研究，在理论和实践中都具有重要的意义。本文在快速制造理念下，针对未知曲面喷涂离线编程的需求，面向喷涂领域，阐述了基于图像的立体视觉理论，提出并实现了未知曲面三维模型重建算法，首

2、先对己标定图像进行校正，然后采用基于GPU硬件加速的并行信任传播算法进行深度图的生成，实时获取未知曲面的点云数据，从而获取曲面的CAD模型。将基于图像的立体视觉技术应用于工程喷涂领域，其关健技术在于立体视觉，具体有几个方面的因素：第一，摄像机的标定精度，直接影响了后续的深度图生成和三维空间距离的测量精度，在计算机视觉领域是一个较为关键的问题。第二，立体匹配的精度，在计算机视觉领域，立体匹配是被公认为难度非常大的问题，其匹配精度和速度往往不能两全。第三，立体匹配的速度，立体匹配算法目前很多，精度高的速度较慢，速度快的精度差，目前的立体区配算法生成一幅视差图的时间不等，从最快的几毫秒，到最

3、慢的二十分钟以上。为了适应工程领域对立体视觉快速、精确的要求，本文的工作重点集中在立体视觉系统的标定与立体匹配算法上。本文提出了如下几个标定与立体匹配算法：(1)基于支持向量机的角点检测方法。摄像机标定是立体视觉测量的关键技术，标定精度直接影响着视觉测量和三维重建的精度。现已有许多摄像机标定方法，但普遍存在的一个问题是靶标图像的角点检测不很准确。本文基于支持向量机理论，利用支持向量机的学习和分类能力，将支持向量分类器用于标定图像角点的检测，实验验证可取得较好的检测结果。(2)结合图像梯度和亮度的并行信任传播算法。立体匹配是视觉测量的关键技术。对立体匹配问题建立马尔可夫随机场模型，使用并

4、行的多尺度信任传播算法求解马尔可夫随机场的能量最小化问题。在传统串行算法基础上利用CUDA技术实现了并行计算，并结合图像的梯度和亮度信息计算能量函数的数据项，平滑项采用两个相邻像素视差的绝对差度量。以标准的Middlebury立体数据集作为输入，实验结果表明：算法具有很好IV博fj学位沦文的实时性能，运行时间远小于传统的串行算法，深度图具有良好的精度。(3)最近邻搜索立体匹配算法(Nearestneighborsearchingstereomatching，NNSSM)。本文提出一个高效的立体匹配算法，将一个像素的水平方向的导数和垂直方向的导数作为相似性度量，由于像素是离散点，所以导数

5、用差分表示。这样，常用的一维相似性度量转换为多维的相似性度量，视差搜索空间从一维空间转换为多维空间。以KD．树作为数据存贮结构，利用最近邻搜索算法，可快速生成一幅初始视差图，然后利用一个基于分割的优化算法进行优化，最终获得一幅精度较高的视差图。最后采用本文提出的算法对工件曲面进行了重建，验证了方法的可行性。关键词：计算机视觉；立体匹配；摄像机标定；马尔可夫随机场；信任传播算法VAbstractSpraypaintingisanimportantprocessinthemanufactureofmanydurableproducts，suchasautomobiles，furniture

6、andappliances．ManyworksfocusonthisareawhenCADmodelofworkpieceiskown．Inthispaper’wefocusonthesurfacereconstructionofworkpiecebasedonimages．Thekeytechnologyofsurfacereconstructioniscameracalibrationandstereomatchingalgorithm．Although，manyglobalstereomatchingmethods，suchasgraphcuts，beliefpropagatio

7、nandobjectstereo，haveachievedexcellentperformance，theyaretroubledbycomputationalcomplexityorvariedparameters．Beliefpropagationstereomatchingrequiresmanyiterationstoensureconvergenceofthemessagevalues．Thematchingresultisaffec