大尺寸表面三维形貌视觉测量研究

大尺寸表面三维形貌的测量是现代逆向工程和产品数字化设计及制造的基础支撑技术，是我国目前大飞机设计与制造所亟需解决的关键技术,在许多行业有着广泛应用。视觉测量作为重要的高精度非接触测量手段，在大尺寸表面三维形貌测量领域受到广泛关注。本项目围绕大尺寸表面三维形貌视觉测量，从理论方法、测量原理及关键技术等方面展开系统深入研究，主要研究内容为：基于双目立体视觉原理和以靶标为中介的测量模式，建立大尺寸表面三维视觉测量模型；提出全局统一方法，通过中介靶标进行局部三维扫描数据到全局坐标系的转换，无须粘贴标记点，不依赖运动平台；提出基于一维靶标的大视场双目视觉传感器现场标定方法，无运动约束，操作简单且效率高；建立大尺寸表面三维形貌视觉测量系统样机。本项目将突破大尺寸表面三维形貌视觉测量中的基础理论和关键技术，为大尺寸表面三维形貌视觉测量提供有效的技术途径和检测手段，进一步推动视觉技术的广泛应用和迅速发展。

视觉测量作为重要的高精度非接触测量手段，在大尺寸表面三维形貌测量领域受到广泛关注。本项目围绕大尺寸表面三维形貌视觉测量，从理论方法、测量原理及关键技术等方面展开了系统深入的研究，完成主要工作和成果如下：. ①针对大视场视觉测量应用，提出了一种基于无约束双一维靶标的摄像机参数标定方法，多次拍摄任意摆放的两根一维靶标的图像，利用其空间夹角维持不变的约束，通过线性解和非线性优化相结合的方法求取摄像机的全部参数。. ②提出了一种基于同心圆合成图像匹配的双目视觉系统标定方法。根据摄像机模型与已知同心圆在靶标坐标系上的位置关系，构造合成图像，将合成图像与观测图像进行相似度匹配。匹配函数作为优化目标函数之一，与距离约束和极线约束共同构成总体优化函数,通过优化求解双目视觉系统的参数。. ③提出一种基于平面圆靶标的全局统一方法，以平面圆靶标为中介，将局部测量测量数据全局统一到全局坐标系下，通过实物实验验证，该方法在遮挡情况下明显优于平面方格靶标法，适合于在复杂现场下应用。. ④研究了基于全局摄像机的全局统一方法，采用两台高分辨率数码相机建立全局坐标系，基于Screw理论进行全局统一矩阵的求解，从而实现了局部测量数据的全局统一。. ⑤研究了大尺寸表面三维形貌视觉测量中光条、角点、圆形光斑、圆及椭圆图像特征的快速高精度提取方法，研究了形心法提取同心圆特征点、椭圆的亚像素提取及三维重建方法。. ⑥搭建了大尺寸表面三维形貌视觉测量系统样机，完成大尺寸表面三维形貌视觉测量软件的设计，并利用导弹模型进行了实物实验。实验结果表明，在10m范围内实现0.344 mm的测量精度，达到预期目标。. 本项目按照计划完成了全部研究内容，所取得的研究成果对于推动大尺寸表面三维形貌视觉测量技术的发展和应用具有重要意义。