毕业设计(论文)-基于激光检测的三维特征区分和提取技术研究.doc
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1、 毕业设计(论文)报告纸 I 编号 南京航空航天大学南京航空航天大学 毕毕业业 设设计计 题 目 基于激光的三维检测特征区 分和提取技术研究 学生姓名 学 号 学 院机电学院 专 业飞行器制造工程 班 级 指导教师 二一一年六月 毕业设计(论文)报告纸 II 南京航空航天大学南京航空航天大学 本科毕业设计(论文)诚信承诺书本科毕业设计(论文)诚信承诺书 本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文) (题目: )是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知,除了毕业 设计(论文)中特别加以标注引用的内容外,本毕业设计(论文)不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 作者签名:
2、年 月 日 (学号): 毕业设计(论文)报告纸 III 基于激光的三维检测特征区分和提取技术研究 摘 要 现代科技的飞速发展,对三维测量技术提出了越来越高的要求。线结构光三维检测技术 是测量物体表面轮廓最普遍的方法之一,由于该方法具有大量程、非接触、速度快、测量精 度适中、光条图像信息易于提取等优点,在工业检测中得到了广发应用。对线结构光测量技 术的研究,对军事、工业等领域的发展都具有重大的意义。 本文论述了线结构光测量系统的原理和系统组成,描述了系统的测量过程,介绍了图像 处理的步骤,分为滤波与二值化处理,光条中心提取,并对每个部分的处理方法进行了分析。 本论文介绍了一套结构光测量系统装置,
3、对实际物体进行实验测量,并且拍摄一系列图 像,从中挑选一些典型的图像使用 VC+软件编写程序进行处理。通过采用不同的方法对图 像进行去噪与二值化的处理,通过对比,选取效果较好高斯滤波的方法处理图像。对光条中 心提取处理过程,选择比较简单的几何中心法,处理后提取出了光条中心的二值化图像。然 后,通过对图像处理将提取的单像素条纹进行扫描处理,通过最小二乘法拟合直线,从而得 到所需的物体表面的参数数据。最后对所得的数据进行进一步处理,得到相对准确的数据。 实验结果表明,对物体表面特征的识别和处理效果比较好,达到系统的设计要求。 关键词:线结构光, 图像处理, 像素, 最小二乘法 毕业设计(论文)报告
4、纸 IV The research of the feature distinguish and extraction technology based on laser 3D detection Abstract With the rapid development of modern science and technology,higher and higher petitions of 3D technology have been asked. Linear structured light 3d detection is one of the most popular ways f
5、or measuring objects surface profile. Because the method of linear structured light has been found wide applied for its advantages of wide range, wide field of view, high accuracy, simple principle and simple structure.The research on the method of linear structured light is of great importance in t
6、he area of military, industry, and so on. This thesis described the principle and the make up of linear structured light measurement system. Then generally introduced the four sequences of image processing and calibration,including filtering and binarization, light stripe centre extraction, shape re
7、cognition and calibration. On the basis of these theories,this thesis introduced a measurement system of linear structured light, used it to carry out the experiment, and took a series of images of measured objects. Choose some typical images and use VC+ to write software program for processing. By
8、using different methods to do image denoising and binary processing, through comparing, choose the better effects ganssian filter method to deal with the image. The center extraction process of the light stripe choose the relatively simple geometric center method, then we get the binary image of the
9、 light stripe center. Then we scan the single pixel image by the image processing, through the least squares method fitting lines, thus we obtain the surface parameters data for require. Finally get relatively accurate data by the data of income for further treatment. Experimental results show that
10、surface characteristics of objects of recognition and processing effect is good, achieving system design requirements. Key Words:Linear structured light; Image processing; Pixel; Least square method 毕业设计(论文)报告纸 目 录 摘 要III ABSTRACT .IV 第一章 绪论- 1 - 1.1 课题背景和意义.- 1 - 1.1.1 光学三维测量技术背景与意义- 1 - 1.1.2 线结构光
11、测量系统的研究现状- 2 - 1.1.3 本论文的主要内容- 3 - 第二章 线结构光测量原理.- 5 - 2.1 线结构光探测模型的建立- 5 - 2.1.1 三种坐标系- 5 - 2.1.2 线结构光探测系统- 5 - 2.1.3 结构光模式- 6 - 第三章 图像处理.- 8 - 3.1 图像滤燥与二值化处理.- 8 - 3.1.1 典型图片的选择- 8 - 3.1.2 影响光条图像质量的因素.- 8 - 3.1.3 图像处理的一般流程.- 10 - 3.1.4 图像滤波- 11 - 3.1.5 滤噪与二值化处理.- 11 - 3.2 光条中心提取- 12 - 3.2.1 光条中心提取方
12、法综述- 12 - 第四章 程序设计和结果分析- 15 - 4.1 OPENCV 介绍.- 15 - 4.1.1 OPENCV 特点- 15 - 毕业设计(论文)报告纸 4.1.2 OPENCV 在 C+环境下的配置- 16 - 4.2 程序设计.- 18 - 4.2.1 程序设计要求.- 18 - 4.3 结果.- 19 - 4.3.1 图像处理流程及结果.- 19 - 4.3.2 结果计算- 21 - 第五章 总结与展望- 22 - 致 谢.- 23 - 参考文献- 24 - 附录 1 线结构光探测系统图像处理程序代码.- 25 - 毕业设计(论文)报告纸 - 1 - 第一章 绪论 测量是
13、一门古老而富有智慧的科学,从人类文明的诞生至今,已经有几千年的历史了。 人类社会在不断进步,测量技术也在不断进步,随着近几十年来电子学、激光技术、空间技 术、信息技术的飞速发展,给测量技术注入了新的活力,使测量技术趋于自动化、数字化、 智能化、信息化、精确化。研究新型的测量装置和先进的测量方法,对科研、生产和生活都 具有重要的意义。 1.1 课题背景和意义 1.1.1 光学三维测量技术背景与意义 光学三维测量技术具有量程大、非接触、速度快、系统柔性好、精度适中等优点,是目 前工程中应用广泛的一种三维数据采集方法。它是以现代光学为基础,融入光电子学、计算 机图像处理、图形学、信号处理、模式识别技
14、术等学科技术于一体的现代测量技术1 ,把光 学图像作为检测和传递信息的手段或载体加以利用,通过使用 CCD 摄像机对目标进行成像, 从图像中提取有用信息,从而实现计算机中三维实体模型的重建。激光技术、精密计量光栅 制造技术、计算机技术以及等高新技术的发展,高分辨率的彩色图像系统等硬件设施的应用, 和数字图像处理、模式识别等软件技术的不断发展,使它在光学测量领域的技术新,拥有了 更广阔的发展前景,在军事、工业等方面的应用越来越广泛。当前,已经被实际应用的光学 三维测量技术大致分为主动式和被动式两大类。其中被动视觉方法更多的是应用在二维情况, 典型的应用之一是集成电路和半导体行业,其具体条件为:被
15、观测对象的理想尺寸和位置己 知,照明也经过了细致的调整,即测量系统处在很理想的测量环境下。在更一般的情况,对 于三维目标的较精确测量,更多的是采用主动视觉的方法。在主动视觉方法中,结构光三维 视觉测量方法基于光学三角法测量原理,由激光器照明,CCD 摄像机作为结构光图像传感器。 激光器根据测量需要将一定模式的光线射于物体表面形成特征图样,再调节 CCD 摄像机拍 摄特征图像。建立合理的坐标系之后,由物体表面投射光图案的几何形态特征,通过图像处 理提取特征点形成的像素坐标发生了偏移和断续,偏移的程度与形状有关2。通过这种关系, 对 CCD 拍摄到的图像进行处理,就可以求取物体的形状。多线结构光方
16、法是线结构光方法 的一种变化形式,是采用光栅或者网格进行测量。测量中向物体表面投射了多条光条,其目 的一方面是为了在一幅图像中可以处理多条光条,提高图像处理的效率,另一方面是为了实 现物体表面的多光条覆盖从而增加测量的信息量,以获得物体表面更大范围的深度信息。较 毕业设计(论文)报告纸 - 2 - 之线结构光法,多线结构光法检测的效率提高,但同时增加了系统复杂度,标定复杂性和光 条匹配问题。 结构光三维测量技术是测量物体表面轮廓最普遍的方法之一,利用结构光可以简单、快 速并且精确地对被测物体进行三维测量,对获取的三维数据点集进行三角剖分,可以快速准 确地重建被测物体的三维形状。它是一种依据三角
17、法测量原理为基础,既利用图像作为信息 载体又利用可控光源的测量技术。由于该方法具有大量程、非接触、速度快、测量精度适中、 光条图像信息易于提取等优点,在工业测量中得到了广泛应用3。结构光光源可以采用激光 或者白光,选用激光作为结构光光源可以大大增加图像中结构光光条与背景的对比度,便于 结构光图像处理,因而得到了广泛应用。从结构光光源的几何形状上来说,有点状、线状、 圆形状、其他特殊形状等多种形状,其中以线状结构光的应用最为广泛,线结构光又可分为 单线结构光和多线结构光等。在实际应用中,线结构光测量系统由于其快速、精确、稳定性 好,而且结构简单,易于实现,相比点结构光提高了效率,又避免了面结构光
18、方法的复杂性, 因此在各个应用领域,如制造业、军事、医学上获得了更广泛的应用。本项目中采用的也是 线结构光系统,因此本论文的内容都围绕线结构光测量系统展开。 1.1.2 线结构光测量系统的研究现状 三维测量技术的核心是三维信息的获取,国内外学者在这一领域做了大量的工作,一些 实用系统也应用于实际工作中。从应用目的看,这方面的工作氛围两大类:一种是获得视野 范围内的立体信息;另一种是以被测物体为中心,获得物体表面全方位立体信息。70 年代 初,4Will 和 Pennington 首先提出利用结构光单点法进行三维测量,这种方法能够精确地 获取被测点的三维信息,但是由于每次只是投射一个光点,而测量
19、完一整个物体至少需要几 千个数据点,因此该方法测量速度非常慢;之后发展为单线结构光法,通过投射源投射出平 面狭缝光,每次投射一条结构光条纹,每幅图像可得到一个截面的深度,为得到整个物体便 面的三维形状,需增加以为扫描机构,其测量精度略低于单点法;在测量速度上大为改善, 该方法也是在商业上广为应用的获取三位深度信息的成熟方法;为了解决测量速度和精度问 题,学者们提出了多线结构光法,该方法可以通过一幅图像就可以获取这个被测物体表面的 三维形状,测量速度快,同时测量精度高,这种方法也是目前研究人员进行物体三维测量与 三维重建常采用的方法。国内许多学者对结构光三维测量原理和方法进行了深入地研究,并 广
20、泛地应用于各个领域。5战丽等采用二进制编码结构光用于形貌测量;杨培等利用线结构 光通过机器人手臂实现扫描来测量工件三维数据;周丽丽等利用光栅投射到物体表面,测量 物体的三维形貌;刘国文等利用线结构光扫描构成三维视觉系统进行三维测量和曲面重建; 毕业设计(论文)报告纸 - 3 - 袁芳林等采用结构光相移实现了人脸三维形貌数据的获取;王树杰等自制三维激光测量仪对 牙颌模型表面进行了三维测量,并用所测量数据重建了牙颌的实体模型;王亚元将结构光光 栅投影到软质材料和薄壁零件上实现了非接触测量;樊强等采用激光点扫描测量道具面形的 细微特征,并再现了道具复杂突变表面;许丽等采用投影仪投射出编码多线结构光实
21、现目标 三维测量。 国外,结构光三维测量系统的研究更为成熟,已经制造出许多基于结构光的三维测量设 备应用于各个领域。6Cyberware 是美国一家著名的三维光学扫描公司,其产品系列的扫描 对象包括苹果大小的物体到人体的全身扫描;日本美能达公司开发了名为 Vivid 的激光扫描 系列,测量从 110mm80mm40mm 到 1200mm90mm75mm 大小范围的物体,而且具有自 动对焦功能,简化了使用前的距离调整和标定过程;德国 Gom 公司开发的 Atos 扫描仪是根 据结构光三角测量原理计算物体表面的三维信息。 目前,对线结构光测量系统的研究,主要集中在模式识别与标定方法的研究上。这就需
22、 要对 CCD 摄像机拍摄的图像进行处理,通过滤噪与二值化,光条中心提取等步骤提取出有 用信息后,对信息进行分析,来判断出被测物体的形状与位置。其中,对滤噪有各种线性与 非线性滤波器方法;二值化处理要设计合适的阈值;对光条中心提取这一步有细化法、水平 中值法、灰度重心法、阈值法等。 基于结构光的三维测量能够快速、非接触式地获取被测目标的三维信息,能够实现在线 测量,对一些特殊的测量目标如重要文物、弹塑性材料、人体的等,结构光测量方法能够很 好地完成传统的测量方法所不能完成的任务;同时,结构光测量能够为目标重建提供大量的 三维数据。目前,结构光技术快速发展,采用多线结构光三角测量法一次测量可以获
23、得目标 可见表面全部被测点的三维数据,得到数据点集,通过对数据点集进行差值可以得到目标表 面更多的三维数据信息。基于结构光的三维测量被广泛应用于工业现场三维测量、飞机外形、 水轮叶片形状、汽车外形、导弹、卫星、大型雷达几何尺寸测量、考古、车祸、机器人运动 轨迹等领域,尤其在逆向工程中有重要的作用。 此课题是基于以上背景提出的,针对当前飞机蒙皮主要检测方法还是运用各种检验塞尺 和方尺进行检测,效率低、人为因素多、精度没有保障、浪费人力物力。当前现有的光学测 量系统,存在着精度不高,稳定性差的难题。所以,本课题具有重要的研究意义和实用性。 1.1.3 本论文的主要内容 本论文对设计的线结构光测量系
24、统的图像处理和物体表面特征区分和处理进行研究。具 体工作有以下几个方面: 毕业设计(论文)报告纸 - 4 - (1) 描述了线结构光探测系统的原理、系统结构及模型,分析了各个因素对探测精度的 影响。 (2) 设计并搭建了一套线结构光探测系统,并使用它进行实验测量,使用系统中配套的 CCD 摄像机对被线激光照亮的被测物体拍摄了图像。 (3) 通过对拍摄到的图像进行滤噪处理和光条中心提取等步骤,对被测物体表面特征进 行区分和识别。 各章的内容大致如下: 第一章:介绍了结构光探测方法的技术背景,并对本论文的工作作出说明。 第二章:介绍了线结构光测量原理,包括建立模型。 第三章:介绍了线结构光测量图像
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