● 摘要
随着现代工业的发展，自由曲面的三维测量成为测量领域的一个重要研究方向。而机器视觉检测技术是建立在计算机视觉理论基础上的一门新兴检测技术，具有精度高、速度快、非接触、柔性好、自动化和智能化水平高等优点，因此这项新技术在自由曲面测量中发挥着重要作用。 受视觉传感器测量范围的限制以及被测物自身的遮挡，无法通过单个视觉传感器一次完成自由曲面的整体测量，须从不同视点对不同区域进行局部测量。然而视觉传感器对各局部区域测量得到的是局部坐标系下的三维数据，应将其统一到一个全局坐标系下，即三维拼接，才能获得自由曲面完整三维数据。因此，三维拼接是自由曲面整体测量的重要环节。 论文围绕国家自然科学基金项目“超大自由曲面结构光流动式三维测量研究”，对自由曲面三维视觉测量方法及三维数据拼接技术从理论、方法和实验上进行了较深入的研究，实现了自由曲面的流动式三维视觉测量及三维测量数据的拼接。 论文的主要内容包括： 1. 介绍了机器视觉检测技术的理论基础，总结了自由曲面视觉测量方法及三维数据拼接方法，并对其关键技术及存在的问题进行了系统的分析。结合双目立体视觉技术与光栅结构光编码技术，搭建了光栅式双目立体视觉测量系统样机。 2. 研究基于标志点的视觉测量三维数据拼接原理，介绍了标志点设置和匹配方法以及拼接矩阵的求解方法，提出分别通过1台和2台高分辨率相机获取标志点全局坐标系下坐标的方法。以某型导弹模型为被测对象，采用视觉测量系统样机从不同视点进行多次测量，给出了相应三维测量数据及拼接结果，并进行了精度评定。 3. 研究基于靶标的视觉测量三维数据拼接方法，提出分别采用1台或2台高分辨率数码相机作为全局测量基准，以靶标为中介的三维测量数据拼接方法。分别以Venus和Agrippa石膏像为被测对象进行实物测量及拼接实验，给出了实验结果并进行了拼接精度评定。 4. 研究基于ICP算法的三维数据拼接方法，包括ICP算法的基本原理，两种典型ICP算法的比较，ICP算法关键步骤讨论，提出了改进的基于ICP算法的坐标系误差最小化三维数据拼接方法，并以Venus石膏像多次测量三维数据进行了拼接实验，给出了拼接结果。 三种类型拼接方法各有自身的优势和不足。基于标志点的三维拼接方法，易实现大型自由曲面的测量，但不适合软材质及曲率较大的被测物；以靶标为中介的三维拼接方法对被测物材质及曲率没有任何限制，但在测量大型自由曲面时易出现测量盲区。基于ICP算法的拼接方法无需任何外部测量设备，对于不规则自由曲面的拼接具有较大的优势，但不适合对规则曲面拼接。