基于多視相移框架的動(dòng)態(tài)物體三維面形測(cè)量技術(shù)與系統(tǒng)研究.pdf

1、三維面形測(cè)量技術(shù)目前已在航空航天、武器裝備、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,這些領(lǐng)域的核心零部件(如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋、葉輪葉片、進(jìn)排氣管道等)大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲面不規(guī)則,在其設(shè)計(jì)制造過程中,采用三維面形測(cè)量技術(shù)不僅能夠充分利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)制造成果,提高設(shè)計(jì)速度、縮短開發(fā)周期;還可精確控制產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本。然而,現(xiàn)有的三維面形測(cè)量技術(shù)大多只能測(cè)量靜態(tài)物體,對(duì)于諸如葉片旋轉(zhuǎn)過程中的動(dòng)態(tài)三維形變、飛行器風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)三維形變、機(jī)車沖撞實(shí)驗(yàn)

2、中機(jī)車表面連續(xù)變化的三維形貌和電磁成形過程中板料的連續(xù)三維形變等動(dòng)態(tài)過程尚缺少有效的實(shí)時(shí)三維面形測(cè)量方法。這些動(dòng)態(tài)過程的連續(xù)三維面形測(cè)量數(shù)據(jù)可與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性,并有助于描繪和分析物體運(yùn)動(dòng)過程中表面形態(tài)的變化規(guī)律,為研究變形機(jī)理和改進(jìn)相關(guān)工藝參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文針對(duì)基于多視相移框架的動(dòng)態(tài)物體三維面形測(cè)量技術(shù)中的系統(tǒng)非線性誤差校正、基于多視相移框架的對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找、高精度的

3、多視系統(tǒng)標(biāo)定和大規(guī)模細(xì)粒度并行計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的研究基礎(chǔ)上,通過系統(tǒng)硬件精確同步采集設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì),開發(fā)一套全時(shí)間分辨率、全空間分辨率不連續(xù)具有任意復(fù)雜形狀的動(dòng)態(tài)物體三維測(cè)量系統(tǒng)。
　　在以三步相移技術(shù)為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)物體三維面形測(cè)量系統(tǒng)中,相位計(jì)算精度容易受到系統(tǒng)非線性響應(yīng)的影響,使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的周期性誤差。為了提高三步相移的計(jì)算精度,對(duì)系統(tǒng)的非線性響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的建模。該模型充分考慮了投影儀空間離焦現(xiàn)象的影響,能準(zhǔn)確地揭示光柵圖

4、像空間非正弦化的規(guī)律。在此基礎(chǔ)之上,提出了一種系統(tǒng)非線性響應(yīng)伽馬參數(shù)標(biāo)定算法,該算法將標(biāo)定的伽馬值預(yù)先調(diào)制到預(yù)投影的光柵圖像中,間接的對(duì)相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能將最大相位誤差控制在0.045rad,從而有效地抑制由系統(tǒng)非線性響應(yīng)引起的周期性測(cè)量誤差,并且為整個(gè)三維計(jì)算過程打下了良好的基礎(chǔ)。
　　實(shí)現(xiàn)全時(shí)間分辨率、全空間分辨率任意復(fù)雜形狀物體三維面形測(cè)量在科學(xué)研究與工程應(yīng)用中具有重要的意義。為此,提出一種基于多視相移

5、框架的對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找方法,該方法根據(jù)多視約束與相移原理,使得每個(gè)像素在解相完成后可以獨(dú)立進(jìn)行圖像匹配與三維重構(gòu),無需相位展開過程。因此可以使測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀物體的全空間分辨率的三維測(cè)量。在連續(xù)測(cè)量的圖像數(shù)據(jù)流中,任意三幅圖像都可以用來重構(gòu)三維數(shù)據(jù),所以三維測(cè)量速度可以和相機(jī)采集速度一致,從而實(shí)現(xiàn)全時(shí)間分辨率的動(dòng)態(tài)三維面形測(cè)量。計(jì)算過程中,根據(jù)相位圖快速、穩(wěn)定的圖像匹配是保證動(dòng)態(tài)物體三維面形測(cè)量穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。匹配過程中,多光柵數(shù)與相位

6、誤差很容易導(dǎo)致誤匹配,為此提出一種立體匹配兩步方法(包括視差范圍約束與混合一致性檢查)來去除誤匹配點(diǎn),從而保證了圖像匹配的正確率。此外,為了使匹配精度對(duì)相位誤差不敏感,采用邊界點(diǎn)相位校正來輔助邊界點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)查找,同時(shí)利用極線約束對(duì)正確的匹配點(diǎn)進(jìn)行精度優(yōu)化。
　　系統(tǒng)標(biāo)定的精度直接決定了三維面形測(cè)量的精度與穩(wěn)定性。為此,提出一種高精度的多目視覺標(biāo)定方法。該方法主要包括單相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定與多相機(jī)間的位姿關(guān)系標(biāo)定。針對(duì)單相機(jī)標(biāo)定,采用

7、基于平面標(biāo)靶的柔性標(biāo)定方法,得到相機(jī)參數(shù)的初值,然后利用光束法平差策略對(duì)相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)與標(biāo)靶特征的三維坐標(biāo)進(jìn)行同時(shí)優(yōu)化,進(jìn)而消除標(biāo)靶誤差對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響。針對(duì)多相機(jī)間的位姿關(guān)系標(biāo)定,將世界坐標(biāo)系固定在某一個(gè)相機(jī)上,利用兩兩相機(jī)間的極線約束建立目標(biāo)方程,進(jìn)而優(yōu)化得到相機(jī)間的位姿關(guān)系,最后對(duì)位姿參數(shù)的平移矩陣中的比例因子進(jìn)行修正。此外,系統(tǒng)在使用過程中,相機(jī)間的位姿關(guān)系容易受環(huán)境或人為因素影響,從而發(fā)生改變。為了保證系統(tǒng)的測(cè)量精度。在現(xiàn)有位

8、姿標(biāo)定方法基礎(chǔ)上,研究了一種增強(qiáng)的相機(jī)姿態(tài)快速標(biāo)定方法。該方法只要求相機(jī)拍攝一幅標(biāo)靶圖像,便能準(zhǔn)確的計(jì)算出相機(jī)的位姿參數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明,以上標(biāo)定方法在噪聲環(huán)境下具有良好的標(biāo)定精度與穩(wěn)定性。
　　大數(shù)據(jù)量的密集計(jì)算一直是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維測(cè)量的瓶頸。為了有效提高三維計(jì)算速度,采用基于大規(guī)模、細(xì)粒度并行計(jì)算模型,充分利用GPU并行計(jì)算的性能優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)出應(yīng)用在常規(guī)主流芯片上的高分辨率、高精度、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維測(cè)量并行算法。計(jì)算測(cè)試表明,GPU中三維計(jì)

9、算的運(yùn)行效率比在CPU中提高400倍左右,并實(shí)現(xiàn)每毫秒32000個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維計(jì)算,從而為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)物體三維面形測(cè)量技術(shù)的工程應(yīng)用提供較為重要的基礎(chǔ)。
　　在前述理論與技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,研制一套全時(shí)間分辨率、全空間分辨率具有任意復(fù)雜形狀的動(dòng)態(tài)物體三維面形測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備。硬件方面,設(shè)計(jì)了投影儀與相機(jī)的同步時(shí)序。針對(duì)其中的DMD翻轉(zhuǎn)延時(shí)與相機(jī)接受到觸發(fā)信號(hào)至感光響應(yīng)的延時(shí),設(shè)計(jì)兩組測(cè)試實(shí)驗(yàn)分別測(cè)定了延時(shí)的大小,實(shí)現(xiàn)投影儀與相機(jī)精確同步