受限空间三维形貌主动立体视觉测量技术研究

围绕受限非开放空间物体形貌三维测量，构建基于结构光视觉、立体视觉和光纤传像技术的小型柔性立体视觉测量方式，研制柔性主动立体视觉传感器，传感器测量头可以置入受限非开放空间，获取被测对象的双目立体图像，根据双目视觉测量原理实现被测物体表面的三维在线测量。主要研究内容为：研究主动立体视觉传感器小型化和柔性化的总体方案；研究单摄像机镜像式双目立体图像成像原理；研究基于光纤传像的摄像机和结构光投射器外置的双目立体图像内窥拍摄技术；研究基于多尺度理论的图像特征提取方法及同名特征的对应匹配方法；研究基于光纤传像的小型立体视觉测量的标定方法；研究摄像机、光纤传像束和传感器测量头之间的耦合方法，解决摄像机视场与测量头光学系统视场的适配问题；实现相关算法研制出主动立体视觉测量系统样机。本项目将为受限非开放空间的小尺寸测量和嵌入式在线三维测量提供有效技术手段，推动三维视觉测量的进一步广泛应用和迅速发展。

本项目围绕受限空间的三维测量，构建基于结构光技术、立体视觉技术和光纤传像技术相结合的柔性主动双目测量模式，研制外置单像机的柔性镜像双目视觉测量技术，解决常规双目视觉传感器体积大，难以小型化等问题，传感器测量头可以进入受限空间，获取包含变形光条的具有双目特征的被测物体图像，根据双目视觉测量原理实现无特征被测物体表面的三维测量。.取得的主要成果：.1）、提出了柔性小型化双目视觉测量方案，基于外置单像机，结合光纤传像及镜像双目技术，实现了传感器测头的小型化及柔性化；.2）、建立了镜像双目视觉传感器的几何模型，在保证最佳测量精度前提下，以合理测量视场为约束，对平面反射镜组的几何尺寸、相互位置、与摄像机光轴的夹角及工作距离等参数进行了计算，推导出单像机镜像双目视觉传感器的优化设计方法；.3）、研究了基于光纤传像的多模式可编程特征投射技术，集成了小型特征投射终端、双目摄像终端及平面反射镜组，研制了新型外置摄像机柔性镜像双目传感器测头；.5）、面向视觉测量的高精度需求，提出了面向三维测量误差优化的摄像机模型参数再优化及精度评价方法，以三维测量坐标系中已知特征点与模型特征点空间距离最小为目标函数，有效地提高了摄像机的标定精度和测量精度；.5）、面向小视场视觉测量标定需求，提出基于由方格和圆构成的复合靶标的摄像机标定方法，由单圆和方块可以产生12个具有透视投影不变性和同等精度的标定特征点，解决了微型靶标加工制造困难，特征点少的问题；.6）、建立了唯一摄像机坐标系的镜像双目测量一体化模型，提出了基于平面靶标的镜像双目直接标定方法；.7）、集成了特征投射单元、双目图像采集单元和镜像双目传感器测头，研制了柔性主动双目视觉测量系统原理样机，通过实验验证了本项目方案的可行性和正确性；.8）、在项目研究成功的关键技术基础上，适应小视场非完全开放视场测量的需求，研制了基于电子内窥镜的小型双目视觉测量实验装置，突破了现有内窥镜只能观测物体表面的二维图像，拓展了内窥镜的三维定量测量功能；.9）、在项目研究成功的关键技术基础上，研制了基于多平面组镜像的全向结构光视觉测量装置，满足了受限空间内（如管道内壁）宽视场三维测量的需求。.本项目取得的研究成果为受限非开放空间的小尺寸测量和嵌入式在线三维测量提供有效技术手段，推动三维视觉测量的进一步广泛应用和迅速发展。