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形貌测量中的特征匹配及光学特征投射技术研究

作　者: 朱洪岩
导　师: 吴斌
学　校: 天津大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 大型锻件在位测量达曼光栅并行组合模拟退火算法立体匹配单应性约束
分类号: TG316.193
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

大锻件作为重大设备的关键部件,在国家的工业振兴过程中扮演着重要角色。随着电力、造船、化工和冶金等行业的发展,大锻件的需求量日益增加。在大锻件的加工与锻造过程中,其尺寸形状的精确测量对于提高锻造质量与效率,降低材料加工余量,都有着十分重要的理论意义和实用价值。针对大型锻件尺寸大,制造过程中伴随着高温、高压、强震动的特点,在国家科技重大专项“大型高温锻件热态在位检测技术”项目的支持下,开展了摄影测量相关技术的研究。在摄影测量中,为实现测量往往需要在物体表面人为地设置可视测量特征,因此有效的特征投射技术至关重要。同时在测量过程中密集测量特征的快速、准确匹配也是个关键问题。基于上述考虑,本文主要开展了两方面的研究工作:一、针对大型锻件热态在位测量应用,基于532nm绿色激光光源,开展了点阵结构光及网格结构光光学投射器的设计技术研究;二、针对摄影测量中密集测量特征图像,结合单应性映射矩阵与极线约束,研究了测量特征的快速、准确匹配技术。主要完成的工作有:1.根据大型锻件热态在位测量的特点,确定了基于532nm绿色激光光源和能衍射出等间距、等光强点的达曼光栅来构建点阵及网格结构光投射器的方案。2.在充分了解二元光学器件达曼光栅的原理及其衍射特性的基础上,根据光栅优化方程的特点,研究选取了合适的优化算法。3.编写实现了遗传优化算法,并根据光栅优化方程解的精度和个数研究了进化调整策略,提出了一种新的结合遗传算法与模拟退火算法的并行组合模拟退火算法,改进了优化结果。4.针对实际应用中环境光的变化及被测对象光反射特性的差异,设计了光强自适应调节装置,以保证测量图像具有良好的对比度。5.对几种常用的匹配约束方法进行了分析,结合单应性映射矩阵与极线约束实现了密集点阵的快速、准确匹配。6.设计了相关实验,对上述研究内容进行了实验验证。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-14
  1.1 引言  9-10
  1.2 大型高温锻件热态在位检测技术国内外发展状况  10-11
  1.3 国内外典型结构光投射装置  11-13
  1.4 本文的研究目标及主要工作  13-14
第二章达曼光栅设计理论  14-24
  2.1 夫琅禾费衍射理论  14-16
    2.1.1 光的衍射理论  14-15
    2.1.2 夫琅禾费衍射理论  15-16
  2.2 达曼光栅相关理论  16-20
    2.2.1 衍射效率  17-19
    2.2.2 评价函数  19-20
  2.3 达曼光栅设计理论  20-22
  2.4 光栅制作需考虑的因素  22-23
    2.4.1 光栅的制作方法  22-23
    2.4.2 分束角  23
  2.5 本章小结  23-24
第三章光栅的优化设计与激光器光强自适应调节  24-43
  3.1 遗传算法  24-29
    3.1.1 编码  24-25
    3.1.2 初始种群  25-26
    3.1.3 适应度函数及其尺度变换  26-27
    3.1.4 遗传算子  27-29
  3.2 模拟退火算法  29-32
    3.2.1 Metropolis 准则  29-30
    3.2.2 冷却进度表的制定  30-32
    3.2.3 冷却进度表的选取原则  32
  3.3 并行结合模拟退火算法PRSA  32-33
  3.4 光栅的计算与仿真  33-38
    3.4.1 遗传算法对光栅的设计和仿真  33-35
    3.4.2 并行组合模拟退火算法对光栅的设计和仿真  35-37
    3.4.3 网格型投射器设计  37-38
  3.5 激光器光强自适应调节  38-41
    3.5.1 图像对比度计算  38-39
    3.5.2 硬件设计  39-41
  3.6 对比度调节实验  41-42
  3.7 小结  42-43
第四章图像特征提取与匹配方法  43-52
  4.1 常用的匹配约束  43-44
  4.2 外极线几何约束  44-46
    4.2.1 外极线约束  44-45
    4.2.2 基本矩阵的表示  45-46
  4.3 单应性映射  46-48
  4.4 极线约束结合单应实现图像匹配  48-50
    4.4.1 基于单一极线约束匹配的误差分析  48-50
    4.4.2 单应与极限约束结合进行匹配  50
  4.5 基于单应性矩阵的平面靶标图像特征提取  50-51
  4.6 小结  51-52
第五章图像特征提取与匹配实验验证  52-62
  5.1 图像匹配实验设备  52-53
  5.2 图像匹配实验过程  53-55
  5.3 靶标平面到像面单应性矩阵的建立  55-57
    5.3.1 圆靶标平面到像面单应矩阵的建立  55-56
    5.3.2 方格靶平面到像面单应性矩阵的建立  56-57
  5.4 基于单应矩阵的平面特征中心的提取  57-60
    5.4.1 基于单应矩阵的平面圆特征中心的提取  57-58
    5.4.2 基于单应矩阵的平面方格特征角点的提取  58-60
  5.5 特征提取精度评价  60-61
    5.5.1 平面圆特征中心的精提取评价  60
    5.5.2 平面方格特征角点的精提取评价  60-61
  5.6 小结  61-62
第六章总结与展望  62-64
  6.1 全文总结  62
  6.2 工作展望  62-64
参考文献  64-67
发表论文和科研情况说明  67-68
致谢  68

形貌测量中的特征匹配及光学特征投射技术研究

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