【优秀硕士博士论文】数字散斑三维变形测量分析关键技术研究 毕业答辩.ppt

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1、1数字散斑三维变形测量分析关键技术研究申请人：指导教师:学科专业：机械制造及其自动化21.1课题背景和意义传感器测量方法：位移传感器、引伸计、应变计等。精度高、测量结果稳定，缺点是布线复杂费时、仅能用于点测量，并且对被测试件有一定的刚度要求。在现代生产实际中，除了需要对零件的外部形状和几何尺寸等静态特征进行测量外，在很多场合，还需要测量和计算在负载条件下刚性零件的位移、零件的变形和零件的动态特性，以用于分析材料的变形特性，找出零件的变形原因，预测零件的变形趋势等。传统的一些光学测量方法包括：激光扫描法、全息干涉法、密

2、栅云纹法等。这些方法一般需要采用激光作为光源，受环境影响较大，且设备昂贵。31.1课题背景和意义本课题提出的基于立体视觉技术和数字图像相关方法的三维变形测量方法光路简单，受环境影响小，能够无接触地测量零件在机械负载、动力负载、热负载等复杂受力条件下的表面形貌和全场三维变形。41.2国内外研究现状国外：德国GOM公司、美国CSI公司已经做出比较实用的动态变形测量系统，可用于测量各种载荷作用下的三维形貌、三维位移和应变分布。但价格昂贵。国内：只是针对特定领域特定对象的变形测量提出了一些实验性方案，通用性较差，测量精度参差

3、不齐。51.3研究内容基于以上研究现状和需求，本课题提出基于数字图像相关技术的三维动态变形测量方法，研究的主要内容包括：像机的标定技术和算法散斑特征相关匹配算法立体匹配三维重建变形计算原型系统软硬件实现61.4技术路线关键技术：像机标定图像匹配变形计算72.1测量系统方案82.2立体视觉原理立体视觉测量基本步骤：图像获取、像机标定、立体匹配、三维重建。关键步骤：标定匹配立体视觉原理示意图92.3采集散斑图像采集设备采用MVVS120FM定焦镜头：CCD尺寸为6.4×4.8mm，分辨率为1280×960像素，帧率为1-

4、15帧/秒，焦距为25mm/16mm。MVVS120FM数字像机数字像机结构102.4像机标定标定就是确定像机的内部参数和外部方位元素的过程。国内常用张正友标定方法。本课题提出一种基于摄影测量原理的像机自标定方法。112.4像机标定1.像机标定软件界面标定结果122.4像机标定2.标定精度对比张正友标定方法和本课题标定方法的重投影误差位置张正友法本文方法平均误差标准偏差平均误差标准偏差10.25490.04630.06030.034720.33990.04270.06870.038930.21630.04950.06

5、170.028140.25030.05860.07990.042350.17500.04280.06280.0362结论：本课题标定方法测量误差约为张正友方法的27%，具有较高的精度。132.5立体匹配1.立体匹配：寻找左右两张相片上的同名点，同名点就是同一空间点在两相机上的像点。立体匹配外极线几何关系外极线约束的图像匹配142.5立体匹配2.图像匹配效果152.6三维重建(3).将匹配获得的图像坐标代入上式，利用最小二乘法求解空间坐标(X,Y,Z)。1.三维坐标重建方案：(1).根据相机标定结果求解摄像机投影矩阵的

6、元素；(2).根据立体视觉图像坐标与空间坐标关系，推导得：162.6三维重建2.表面轮廓重建172.7位移计算位移计算流程“图像i-j”中i是变形状态，j是相机编号(1是左相机，2是有相机)DSCM-A：相关匹配方法DSCM-B：立体匹配方法计算流程182.8系统测量精度的主要影响因素影响因素：(1).CCD像机质量及分辨率大小；(2).CCD记录的噪声影响；(3).光照强度不均匀；(4).像机标定精度；关键影响因素(5).图像匹配精度；关键影响因素(6).三维重建精度。原始图像光照不均匀图像193.1散斑图像相关法

7、原理基本思想：在变形前的图像中选取一个子区（一般为矩形），利用子区中的散斑灰度信息，在变形后的图像中寻找其所对应的位置，从而获得子区位置和形状的变化，进一步计算获得位移、应变等力学信息。20（其中，C：相关系数；f，g：图像点灰度；﹤﹥：求平均）相关系数计算公式：衡量散斑图像匹配程度的公式3.2相关系数213.2相关系数C4相关系数分布图C5相关系数分布图C6相关系数分布图C7相关系数分布图C10相关系数分布图结论：选择公式10进行相关匹配计算最有利。比较相关系数计算公式223.3相关搜索1.整像素相关搜索引入盒滤波

8、思想进行像素相关搜索，以提高计算速度。假设I0,I1分别为物体变形前、后的散斑图像，大小均为M×N，在I0中指定大小为(2K+1)×(2L+1)的一块区域作为相关窗口（即相关区域），窗口中心记为(x,y)，在I1中进行相关搜索，相应的相关窗口中心记为，则相关系数表示为：求解相关系数的速度直接影响了相关的计算效率，而盒滤波的核心思想是利用前后和上