第5期(总第144期)；2007年10月机械工程与自动化；MECHANICALENGINEERING&AU；Oct1；文章编号:07)0520；图像式非接触三维测量的研究；彭亮,杜宏明,曾德惠；(西南交通大学,四川成都610031)；摘要:逆向工程是一种产品创新的重要手段,而零件表；0引言；∽?PC2O4；得:；C2O4=；d×l2；
第5期(总第144期)2007年10月机械工程与自动化MECHANICAL　ENGINEERING　&　AUTOMATIONNo15Oct1文章编号:07)图像式非接触三维测量的研究彭　亮,杜宏明,曾德惠(西南交通大学,四川　成都　610031)摘要:逆向工程是一种产品创新的重要手段,而零件表面三维数据的提取是逆向工程中的基础。采用非接触式测量,运用立体视觉原理来提取零件表面三维数据,利用VC++和MATLAB混合编程可以使此算法实现起来更加方便、快捷。通过实验,验证算法完全正确,测量速度快、精度比较高,可以应用于逆向工程领域。关键词:VC++;MATLAB;立体视觉原理;图像分析法中图分类号:TN911173∶TG806　　　文献标识码:A0　引言∽?PC2O4。?P2PO3得:C2O4=d×l2。f逆向工程(ReverseEngineering)也称反求工程,是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法,重构实物的CAD模型,从而实现产品设计与制造的过程。逆向工程的应用领域有:快速成型(RP);检测(CAT)??CAE;科学研究,如计算几何;考古;娱乐艺术,如动画造型;医疗,如畸齿矫正、整容及上颌面手术。如何准确快速地测量零件表面数据是逆向工程的关键。根据测量探头是否和零件表面接触,零件表面数据采集方法可分为接触式和非接触式两大类。接触式主要有三坐标测量机等;非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等[1～3]。采用图像分析法来获取零件表面数据已成为逆向工程的研究热点,但图像分析处理的复杂算法却是制约其发展的瓶颈。本文运用VC++与MATLAB混合编程来实现零件表面数据的提取以解决这些问题。1　零件表面三维数据获取原理零件表面数据应由三个坐标(X,Y,Z)来表示。我们可以利用图像表达的二维信息来确定零件表面数据的X、Y,利用立体视觉原理确定其深度信息Z。立体视觉的一般性原理见图1。图1中,C2、C1分别为左、右两个相机的光学中心的位置,C2和C1之间的距离为b,相机焦距为f。设点P在左、右相机图像面上的投影点分别为P2、P1,点P到光学中心C2、C1连线的距离为d。C2、C1投影到图像面的点与P2、P1之间的距离分别为l2、l1。则由:?C2O2P2∽?P2PO3,收稿日期:;修回日期:由:?C1O1P1∽?P1PO3,∽?PC1O4。?P1PO3得:C1O4=d×l1。f即得:b=d×l1d×l2+。ff整理就可以得出:b×f。d=(l1+l2)图1　立体视觉原理作者简介:彭亮(19832),男,江西吉安人,硕士研究生,研究方向:机械电子工程CAD??CAM??CAPP。?22?　机械工程与自动化　　　　　　　　　　　　　　　2007年第5期　其中,左、右两个相机的光学中心间的距离b为已知,相机的焦距f也已知。因此,要计算出点的深度信息,就只要测量出l1和l2的大小即可,也就是要测量出点P在两个相机中的成像点P1、P2的位置坐标。立体视觉最简单、最基础的情况是只考虑两个摄像机,并约定这两个摄像机自身的参数是一致的。如图2所示,假定两摄像机C1、C2的各项内部参数相等,而且它们的光轴相互平行,因此成像平面x1o1y1、x2o2y2位于同一个平面,所成像的坐标只相差x轴方向上的一个平移b,P1、P2分别为空间点P在C1、C2上的成像点。假定P在坐标系X1O1Y1下的坐标为(X1,Y1,Z1),则在坐标系X2O2Y2下的坐标就是(X1-b,Y1,Z1),利用射影几何学的知识得:x1=fX1Z1开,使得该范围内的像素亮的更亮、暗的更暗,从而达到了增强对比度的目的,方便下一步轮廓特征的提取。Y1y1=fZ1x2=f。图2　立体视觉最基础情况21113　二值化处理X1-bZ1Y1y2=fZ1。其中,x1、y1和x2、y2分别为P在C1、C2上的成像点P1、P2的坐标。通过上面两式即可解得P点在坐标系X1O1Y1下的空间坐标为:x1×bX1=x1-x2y1×b。Y1=x1-x2f×bZ1=x1-x2现在还存在下f和b的数值可以在测量之前得到。面两个问题:①如何在两张图片中找到点P的成像点P1、P2;②如何获取成像点P1、P2的坐标。我们可以运用以下的图像处理算法来解决这些问题。2　所需的图像处理211　图像的预处理[4]图像在采集、转换和传输过程中,常常受到成像设备与外部环境噪声干扰等影响,产生降质。因此为了提高图像的清晰度,便于计算机的处理,在对采集到的图像进行处理前,需要先对图像进行预处理,即采用图像增强的方法对图像质量进行改善。21111　灰度化处理灰度化就是使彩色的R、G、B分量值相等的过程。由于R、G、B的取值范围是0～255,所以灰度的级别只有256级。采取灰度化处理的目的一方面是便于后续更快速图像处理,另一方面是对处理各种颜色的图片进行统一。21112　灰度拉伸灰度拉伸的意思就是把你所感兴趣的灰度范围拉灰度阀值法是一种最常用同时也是最简单的分割方法。只要选取一个适当的灰度级阀值,然后将每个像素灰度和它进行比较,将灰度超过阀值的像素点重新分配以最大灰度(如255),低于阀值的分配以最小灰度(如0),就可以组成一个新的二值图像,并成功地把目标与背景分割开来,方便下一步轮廓特征的提取。21114　细化处理细化就是求得图像骨架的操作,方便下一步特征像素点的提取。212　在两张图片中找到点P的成像点P1、P2假定两个摄像机拍摄一个三维实体而获取的两幅对应图片分别为I1、I2。P在图片I1上的成像点为P1,在图片I2上的成像点为P2。我们要求出这两个对应点的基本思想是基于相似性度量与连续性假设:(1)相似性度量:由于P1、P2是同一点P所成的两个像,因此,P1、P2在灰度、灰度变化以及几何形状等方面具有相似性。(2)连续性假设:假设P与Q为同一物体表面上相距很近的点,则它们在I1、I2上的成像点P1、Q1与P2、Q2也比较接近,因此,假定确定了P1、P2的对应关系后,则在P1点附近的Q1点的对应点Q2就应在P2附近。213　获取成像点P1、P2的坐标设图像中成像点的像素坐标是(u,v),则以mm为单位的图像坐标为:-1Sx　0　u0xuy=0　Sy　v0v。110　0　1其中,Sx、Sy为图像平面在x、y方向单位距离上的像素数(pixels??mm),称为比例系数;(u0,v0)为摄像机光轴与图像平面的交点,即图像中心坐标。　2007年第5期　　　　　　　　　　　　彭亮,等:图像式非接触三维测量的研究?23?图像处理算法比较复杂,用VC++来编写算法程序显得非常繁琐,因此可以用MATLAB图像处理工具包来帮助我们完成;但是MATLAB是一个完全独立的编程和数据运算的集成环境,其强大的功能只能在其提供的平台下使用;还有MATLAB使用行解释的方式来执行代码,大大限制了程序的执行速度,而VC++恰恰可以弥补这些方面的不足。因此,我们可以扬长避短,利用MATLAB和VC++混合编程来解决这些问题。下面就介绍一下MATLAB与VC++之间的接口。3　MATLAB与VC++之间的接口[5]VisualC++与MATLAB之间有3种接口方法:①在VisualC++程序中利用MATLABEngine调用MATLAB函数;②将MATLAB程序编译成MEX文件;③在VisualC++程序中利用MATLABC++数学库调用MATLAB函数。其中,通过方式①、②生成的程序只有在安装了MATLAB的系统上才能正常运行,而由方式③生成的程序则没有这样的要求,它能够以独立执行程序的形式运行,即使在客户没有安装MATLAB系统时也能运行,是实现功能和效率兼顾的最好接口方法。4　试验结果为了检验上述方法的可行性和测量精度,用一个标记曲面进行了测量试验。以距零件的放置平面300mm处为坐标原点,XOZ平面与零件放置平面平行,Y垂直零件放置平面向下,构成坐标系XYZ。两相机之间的距离为70mm,相机的焦距为42mm。图3为采集数据点的实物图(线框里的交叉点为要采集的数据点,共9个点),图4为根据数据点重构的曲面。5　结论由两个CCD摄像机组成的一种非接触式、快速测量系统,可以快速准确地获取零件表面数据点的三维坐标。本文运用图像分析法来研究逆向工程,得出以下结论:(1)运用立体视觉原理来获得零件表面的三维数据。(2)可以运用MATLAB和VC++混合编程来解决图像处理中存在的一些问题。(3)在用CCD获取图片时,要精确确定两个相机之间的距离。图3　实物图图4　重构曲面图参考文献:[1]　胡勇,王从军,韩明,等.基于计算机视觉的三维激光扫描测量系统[J].华中科技大学学报(自然科学版),218.[2]　许智钦,孙长库.3D逆向工程技术[M].北京:中国计量出版社,2002.[3]　张畅.快速原型技术中的反求工程[J].中国机械工程,):60262.[4]　缪绍纲.数字图像处理:活用MATLAB[M].成都:西南交通大学出版社,2001.[5]　苏金明.MATLAB与外部程序接口[M].北京:电子工业出版社,2004.ResearchonNon-contact3DMeasurementBasedonImagesPENGLiang,DUHong-ming,ZENGDe-hui(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Reverseengineeringisanimportantmeansofproductinnovation.The3Ddataoftheparts’surfaceisthebasisforreverseengineering.Usingnon2contactmeasurement,thispaperextractsthe3Dsurfacedatabystereovisionprinciple.ThepaperproposesusingVC++andMATLABmixedprogrammingcanbemoreconvenientandquicker.Theexperimentshowsthatthemethodisfastandaccurate,whichcanbeusedtoreverseengineeringfields.Keywords:VC++;MATLAB;simageanalysismethod三亿文库包含各类专业文献、高等教育、各类资格考试、中学教育、应用写作文书、专业论文、图像式非接触三维测量的研究75等内容。　
　5 3.1.5 图像分析法 ......算机科学的发展,非接触式测量技术逐渐成为研究热点。 2 非接触式测量技术简介...图 1 投影结构光三维测量系统原理图 2 非接触式... 　非接触式测量_物理_自然科学_专业资料。非接触式测量的定义非接触测量是以光电、...测量系统、数字近景摄影视觉测量系统、数字摄 影三维测量系统、三维光学图像测量... 　非接触式三维数字化检测研究现状及关键技术探讨_物理_自然科学_专业资料。数字化制造技术前沿 论文非接触式三维数字化检测技术研究现状与 关键技术问题探讨(广东工业大... 　意见反馈 下载客户端 网页 新闻 贴吧 知道 音乐 图片 视频 地图 文库 | 搜...非接触式测量技术研究_机械/仪表_工程科技_专业资料。硕士学位论文 高温环境下非... 　非接触三维扫描测量数据的处理研究 数据处理点云处理 点云数据的处理 1.1 噪声点的剔除和失真点的查找.在非接触三维扫描测量过程中,受 测量方式、被测量物体材料... 　基于机器视觉的非接触尺寸测量技术研究 摘要伴随着...关键词:机器视觉,非接触测定,尺寸测定,图像处理 ...使电脑可以根据平面的图像来确定三维空间的具体讯息,... 　非接触式三维变形光学测量系统 技术指标_其它考试_资格考试/认证_教育专区。非接触...要求支持非现场标定 要求支持多相机(&2)系统标定 要求图像采集过程完全可编程... 　意见反馈 下载客户端 网页 新闻 贴吧 知道 音乐 图片 视频 地图 文库 | 搜...风扇叶片的非接触测量和三维建模研究毕业论文_其它_高等教育_教育专区。风扇叶片...君，已阅读到文档的结尾了呢~~
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三维非接触式激光测量系统研究
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3秒自动关闭窗口可测量透明薄膜材料的非接触三维表面形状测量装置-中国设备网
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可测量透明薄膜材料的非接触三维表面形状测量装置
&&&&日本佳能营销公司日前开始销售适用于各种材料的非接触三维表面形状测量装置“Zygo New View 6300”。通过采用名为“薄膜应用软件”的专用软件，可以测量此前无法评测的透明薄膜材料。这样一来，就可以应用于MEMS（微机电系统）和光磁盘等底板技术的研究开发，以及以液晶为首的显示器关联元器件材料的研究开发。&&&&该软件以选配形式提供。可测量厚度在1μm以上、50μm以下的透明薄膜材料的表面形状和膜厚分布。该软件以美国Zygo公司开发的测量方法“扫描型白色干涉法”为基础，在提高照明光学系统的高亮度LED的对比度的同时，提高了高速数码相机的光学系统的性能。 &&&&作为测量方法，扫描型白色干涉法不采用干涉强度在被测物最大位置时的光量，而是通过对白色光干涉波纹进行快速傅立叶变换（FFT）后得到的每个空间频率所对应的相位数据来测量高度的。具有高分辨率、低噪音的特点。尤其是分辨率方面，垂直分辨率甚至可以提高到0.1nm，完全可以测量材料的超精密加工面。 &&&&垂直扫描速度方面，标准模式下为14μm/s，高速模式下为85μm/s。垂直测量范围为1nm～15mm。落差测量正确性不到0.75％，落差测量再现性在0.1％以下。不含税的价格为1600万日元。
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广告经营许可证号 5非接触式光学全场应变测量系统
非接触式光学全场应变测量系统
XTDIC数字散斑应变测量分析系统系统结合数字图像相关技术(DIC)与双目立体视觉技术，通过追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量，具有便携，速度快，精度高、易操作等特点。与双目体式显微镜技术结合,实现微小物体变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量。应用范围1、应变计算、强度评估、组件尺寸测量、非线性变化的检测2、先进材料（CFRP、木材、内含PE的纤维、金属泡沫、橡胶等）3、零部件试验（测量位移、应变）4、材料试验（杨氏模量、泊松比、弹塑性的参数性能）5、生物力学（骨骼、肌肉、血管等）6、微观形貌、应变分析（微米级、纳米级）7、断裂力学性能8、有限元分析（FEA）验证9、三维全场振动分析10、高速变形测量11、动态应变测量，如疲劳试验12、谐振、冲击和噪声激励13、蠕变和老化过程的特性分析14、成形极限曲线FLC测定15、各种各向同性和各向异性材料变形特性功能特色系统技术先进：国内首个自主研发的数字图像相关法三维变形测量系统；自主知识产权的核心算法，技术指标达到国外先进水平。系统应用范围广：可用于机械、材料、力学、建筑、土木等多个学科的科学研究与工程测量中，适用于大部分材料，实时获得被测物全场三维坐标、位移、应变数据。系统配置灵活：支持几毫米到几米的测量幅面；支持百万至千万像素相机，支持低速到高速相机，支持千兆网和Camera Link等多种相机接口；支持任意数目相机的同时标定，支持外部图像标定，。系统兼容性强：同时兼容单相机二维测量和多相机三维测量；兼容32位、64位系统。辅助功能强大：具备圆形标志点动态变形测量功能；具备刚体物体运动轨迹姿态测量功能。扩展接口丰富：具备万能试验机接口，实时采集试验机的力、位移等信号；具备杯突实验机接口，可以测量材料的FLC曲线；具备体式显微镜接口，可以实现微小型物体的三维全场变形应变检测；支持多相机组同步测量，可以同步测量多个区域的变形应变；系统具备多路A/D输入、多路D/A输出、多路开关量输入和输出，并可灵活进行扩展。主要应用在材料力学性能测量方面DIC已成功应用于各种复杂材料的力学性能测试中。如火箭发动剂固体燃料、橡胶、光纤、压电薄膜、复合材料以及木材、岩石、土方等天然材料的力学性能的检测中。值得注意的是，DIC被广泛应用于破坏力学研究中，包括裂纹尖端应变场测量、裂纹尖端张开位移测量以及高温下裂纹尖端应变场测量等。在细观力学测量方面借助于扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道电子显微镜(STEM)以及原子力显微镜(AFM)，DIC被越来越多地应用于细观力学测量。最近，数字散斑相关方法还被应用于物体表面粗糙度的测量中。在损伤与破坏检测方面DIC被应用于多种复杂材料，如岩石、炸药材料的破坏检测中。DIC还被应用于一些特殊器件，如陶瓷电容器、电子器件，电子封装的无损检测研究中。在生物力学测量方面DIC被应用于测量手术复位后肱骨头在内旋转及前屈运动下大小结节的相对位移量，以及颈椎内固定器对人体颈椎运动生物力学性能的影响等。对于大中专院校的研究教学应用本系统开展各种软组织、金属及复合材料性能测试、力学性能测试分析、有限元分析验证等研究和教学实验，具有大至2000%应变测量范围，并可以实时计算、实现动态全场的应变变形测量。在土木工程的相关研究中，如四点弯试件、半圆弧试件、悬臂梁实验，对应完整实验设计方案，以非接触式的方式提升研究手段，提高研究能力。亦可为学生提供可视化的教学工具，让学生的基础学习课程变得直观和可视，使复杂问题简单化、抽象问题直观化、隐蔽问题可视化。应用案例（1）材料实验利用XTDIC系统测量钢件、铝件在单向及双向拉伸过程中材料的三维全场变形和应变。（2）复合材料大变形拉伸实验变形前试件的有效区域的尺寸为70×18×4mm。对比试件变形前后的尺寸变化可以发现，试件的中间区域发生了不小于400%的大变形。（3）泡沫材料大变形压缩实验变形前后泡沫的厚度由30mm减至12mm，平均压缩量约为60%。&（4）钛合金试件压缩变形实验对于氧化处理的钛合金试件，高5mm，直径3mm。使用万能材料试验机进行压缩，同时使用XTDIC系统测量试件在变形过程中各个状态下的应变场信息。（5）木材变形测量实验& & & & &1.通过压缩实验获取木材的杨氏模量和泊松比&2.通过弯曲实验获得木材在弯曲变形时的变形场信息。（6）裂缝生长实验XTDIC非常适合于材料断裂力学研究。系统提供的全场应变分布，裂纹增长路径可以分析计算材料的断裂特性参数。（7）车车桥加载变形实验近年来，利用室内试验设备,&通过车桥的模拟加载进行可靠性试验,&越来越受到各大汽车和车桥制造厂的重视。本项目将XTDIC用于某车桥厂的卡车车桥模拟加载试验的变形测量中，取得了良好的效果。& & & （8）金属薄板焊接实验该项目将XTDIC系统用于金属薄板焊接时产生的高温变形的测量。实验结果表明：与传统方法相比，XTDIC系统可以更全面、更直观、更高效地测量金属薄板焊接过程中的表面三维变形和应变场，且精度较高，为研究焊接变形规律提供一种有效手段。（9）有限元分析（FEA）验证在固体力学、实验力学领域，有限元模拟可以在一定程度上代替实验手段,但由于单元划分、形函数的选取、迭代参数的选定和材料模型的建立,正确的初值和边界条件以及适当准则判据的选择都会对模拟的精度和结果产生重要的影响。因此，很有必要对有限元分析（FEA）结果进行验证。本实验采用XTDIC数字图像相关系统，不仅实现了有限元分析的验证，而且所得的测量结果还可以进一步指导FEA。（10）沙土变形测量沙土的变形特性是土木工程学科的研究重点，由于传统的测量方法和测试手段的限制，无法方便测量。本实验采用XTDIC数字图像相关系统应用于传统的沙土试验中，实现沙土表面位移、应变等变形信息的同步测量，克服了传统测量方法的不足。沙土由透明的器皿盛放，可通过上部的压头对其进行压缩。（11）疲劳实验疲劳实验频率：0.2HZ & &最大应变：1%个应变 &&相机采集速速：2HZ & &&试件材料：钛，直径10mm
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非接触式三维测量仪
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非接触式Z轴测量仪，以裂像聚焦指示器为测量原理,采用高精度光学聚焦点检测方式进行非接触高低差测量。
不仅可以对准目标影像,还能观察测量点的表面状态,对高度,深度,高低差等进行测量。本仪器的各种镜筒还具有明暗场，微分干涉，金相，偏光等多种观察功能。所以对极细微的间隙高低差，夹杂物、微米以下的突起、细微划痕、以及金相组织进行观察。
二、用途：适用于硅片、IC、LCD、TFT、PCB、MEMS激光加工、晶片测试、半导体材料、线束加工蚀刻、液晶电池盖、导线框架等产品的检查观察.也适用于经过磨抛、化学处理的工件表面的金相组织结构，几何形状进行显微观测。并且有三维的测量功能，其解析率达0.0005mm。因此是精密零件，集成电路，半导体芯片，光伏电池，光学材料等行业的必用仪器。　　三、主要规格　　1.镜筒：铰链式三目头部30°倾斜270°旋转　　2.高眼点平场目镜:WF10X/22　　3.平场复消色差物镜：(可根据使用需求选择不同倍率的物镜)　　f=200mm用全平场复消色差物镜/M　PlanAPO　　物镜数据 　　倍率 2X *5X *10X *20X 50X 100X　　NA 0.055 0.14 0.28 0.42 0.55 0.55　　W.D(mm) 34 34 33.5 20 13 13　　焦点距离(mm) 100 40 20 10 4 2　　分解率(um) 5 2 1 0.7 0.5 0.5　　焦深(um) 91 14 3.58 1.6 0.9 0.9　　注：带*号的为标配物镜　　4.水平转换器：五孔转换器，可对每个转换口进行调焦和调中,以消除物镜和转换器的制造误差,保证测量精度。（本项已申请专利）　　5.落射式照明系统：高亮度LED灯（5W）　　6.调焦结构：粗微动同轴调焦,带锁紧和限位装置，　　粗动升降范围30mm，微动格值，0.001mm*100格，数显解析值0.0005mm。　　7.透射光源：LED光源，1W，亮度可调　　8. Z轴升降范围：38mm以内，手轮转动130mm允许最高工件130mm，　　导轨精度3+L/1000um　　X轴移动范围：200mm解析率：0.001mm可解锁手动快进，　　Y轴移动范围：100mm解析率：0.001mm可解锁手动快进，　　测量精度(3+L/100)um(L:被测长度,um)　　落射光测量误差≤0.08%　　9.Z轴采用裂像法原理进行观察测量，结合精密的Z轴导轨，可有效保证测量的准确度。　　10.工作台尺寸:360mm*250mm玻璃板尺寸:225mm*175mm工作台承重:30kg　　11.仪器外型尺寸：380mm*550mm*830mm　　12.净重：100kg毛重：120kg}