激光測量技術-第五章-激光視覺三維測量技術課件

第五章激光視覺三維測量技術黨學明合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院1第五章激光視覺三維測量技術黨學明1引言眼睛是信息的重要途徑:

獲取信息90%以上獲取信息主要有:

顏色大小遠近明暗程度幾何光學中的測量幾何光學的透鏡成像系統(tǒng)2引言眼睛是信息的重要途徑:幾何光學的透鏡成像系統(tǒng)2引言隨計算機技術與CCD技術的發(fā)展出現:計算機視覺(ComputerVision)又稱機器視覺(MachineVision)應用:航空航大、生物醫(yī)療、物體識別、工業(yè)自動檢測視覺檢測(VisionInspection)技術:

在計算機視覺理論基礎上發(fā)展起來的,利用光學成像特性,應用測量領域.特點:非接觸、速度快、精度適中、可實現在線,全場應用:工業(yè)產品的在線檢測。3引言隨計算機技術與CCD技術的發(fā)展出現:3引言視覺檢測技術分類:

按照明方式和幾何結構關系的不同可以劃分:激光視覺檢測技術:

利用激光做光源來獲取結構光的主動視覺檢測4引言視覺檢測技術分類:激光視覺檢測技術:4第一節(jié)激光三角法測量原理激光三角法是激光視覺檢測技術的基礎其原理:

數學基礎:

空間某一平面上的兩條直線的方程已知,非平行時,交點可以求出.5第一節(jié)激光三角法測量原理激光三角法是激光視覺檢測技術的基礎第一節(jié)激光三角法測量原理激光三角法的結構:1.直射式

2.斜射式1.直射式θ6第一節(jié)激光三角法測量原理激光三角法的結構:θ62.斜射式根據幾何光學成像特點:72.斜射式根據幾何光學成像特點:7直射式與斜射式比較8直射式與斜射式比較8第一節(jié)激光三角法測量原理根據三角法測量原理制成的儀器被稱為激光三角位移傳感器.其結構組成:

一般采用半導體激光器(LD)作光源，功率在5mw左右光電位置探測器對采用PSD或CCD,PSD為非分割型位置探測器，分辨力高，動態(tài)響應快，后續(xù)處理電路簡單，但線性差，需要精確標定9第一節(jié)激光三角法測量原理根據三角法測量原理制成的儀器被稱為傳感器的形狀及主要特性10傳感器的形狀及主要特性10激光三角位移傳感器應用應用于:

厚度,變形,形貌,位移等,缺點:點掃描,速度慢11激光三角位移傳感器應用應用于:11第二節(jié)激光視覺測量的基本原理激光視覺檢測技術:

利用激光做光源來獲取結構光的主動視覺檢測激光視覺傳感器:

由結構光和CCD攝像機組成的測量裝置.結構光的類型:12第二節(jié)激光視覺測量的基本原理激光視覺檢測技術:第二節(jié)激光視覺測量的基本原理激光視覺傳感器的主要結構:

點結構光傳感器線結構光傳感器多線結構光傳感器13第二節(jié)激光視覺測量的基本原理激光視覺傳感器的主要結構:工作原理成像特點：像的大小，由透鏡的焦距，物體的遠近決定像的方向，與物體的方向相反。1.若已知像的大小，和透鏡到成像面的距離，則物體的最高點的位置為某一條直線上（過光學中心）若采用主動視覺技術，照射光源的方向（線，面，多面的方程）已知），可連立方程，求出實際的物體的位置大小視覺傳感器的核心：其數學模型即：CCD像面坐標與測量參考坐標之間的關系14工作原理成像特點：14數學模型的建立分類：1)完全利用投影變換理論，通過無任何物理意義的中間參數，將圖像坐標系與測量參考坐標系聯系起來。

2)通過具有明確物理意義的幾何結構參數，如光學中心、焦距、位置以及方向等，建立圖像坐標系與測量參考坐標系的關系：這類方法的模型參數一般分為攝像機內部參數和傳感器結構參數兩部分，攝像機內部參數指攝像機內部的幾何和光學特性，傳感器結構參數指圖像坐標系相對于測量參考坐標系的位置參數15數學模型的建立分類：15一、攝像機理想透視變換模型三維測量:三維空間坐標←→二維圖像坐標

P=g(H)

P為空間坐標H為圖像坐標g為變換矩陣變換過程:物空間坐標→攝像機坐標攝像機坐標→CCD像面坐標CCD像面坐標→計算機圖像坐標(像素點位置)16一、攝像機理想透視變換模型三維測量:16①物空間坐標→攝像機坐標17①物空間坐標→攝像機坐標17②攝像機坐標→CCD像面坐標fxzyoxuZuYuS’18②攝像機坐標→CCD像面坐標fxzyoxuZuYuS’18③CCD像面坐標→計算機圖像坐標(像素點位置)圖像坐標與CCD坐標關系像素點距：dx,dy采集時,x向為高速采集,y向慢速采集,x方向一般采用間隔采集CCD上坐標可表示為:19③CCD像面坐標→計算機圖像坐標(像素點位置)圖像坐標與CC攝像機理想透視變換模型λ≠0

為比例因子,與ρ相通,與物坐標Zc有關20攝像機理想透視變換模型λ≠0為比例因子,與ρ相通,與物坐二、實際攝像機模型1、鏡頭的存在的畸變 攝像機鏡頭是非理想光學系統(tǒng)，存在加工誤差和裝配誤差，物點在攝像機像面上實際所成的像與理想成像之間存在光學畸變誤差主要的畸變類型有三種： 徑向畸變、 偏心畸變 薄棱鏡畸變徑向畸變：僅使像點產生徑向位置偏差偏心畸變和薄棱鏡畸變： 使像點既產生徑向位置偏差，又產生切向位置偏差21二、實際攝像機模型1、鏡頭的存在的畸變21⑴徑向畸變（Radialdistortion）徑向畸變主要是由鏡頭形狀缺陷造成的，它是關于攝像機鏡頭主光軸對稱的。分類:

正向畸變又稱枕形畸變負向畸變又稱捅形畸變22⑴徑向畸變（Radialdistortion）徑向畸變主要(2)偏心畸變(DecenteringDistortion)起因:它主要是由于光學系統(tǒng)光學中心與幾何中心不一致造成的，即鏡頭各器件的光學中心不能嚴格共線.

這類畸變既含有徑向畸變．又含有攝像機鏡頭的主光軸不對稱的切向畸變.其數學模型為:式中，a0為最大切向畸變與x軸正向夾角23(2)偏心畸變(DecenteringDistortion(2)偏心畸變(DecenteringDistortion)將極坐標轉化為笛卡爾坐標P1P2為切向畸變系數24(2)偏心畸變(DecenteringDistortion(3)薄棱鏡畸變(ThinPrismdistortion)起因：它是由于鏡頭設計缺陷與加工安裝誤差所造成的，如鏡頭與攝像機像面有小的傾角等。這類畸變相當于在光學系統(tǒng)中附加一個薄棱鏡，不僅引起徑向位置偏差，而且引起切向位置偏差。其數學模型為式中，a1為最大切向畸變與x軸正向夾角25(3)薄棱鏡畸變(ThinPrismdistortion2.實際攝像機模型綜合以上畸變：各種畸變一般只考慮前兩項：

除廣角和精度較高場合：機加工、制造、安裝設計精度高，薄透鏡畸變可以忽略非高精度，切向畸變可以忽略，只考慮徑向畸變的前兩項參數太多，5-19可能產生不穩(wěn)定262.實際攝像機模型綜合以上畸變：各種畸變一般只考慮前2.實際攝像機模型所以實際的攝像機數學模型：272.實際攝像機模型所以實際的攝像機數學模型：27三、點結構光視覺傳感器模型取光線傳播方向為物坐標系的Xw，則光線的任意一點的坐標為（Xw

，0，0）28三、點結構光視覺傳感器模型取光線傳播方向為物坐標系的Xw，則四、線結構光視覺傳感器模型線面為Xw，Yw平面，Zw垂直于Xw，Yw平面,則光線上的任意點的坐標為(Xw,Yw,0)29四、線結構光視覺傳感器模型線面為Xw，Yw平面，Zw垂直于第三節(jié)應用30第三節(jié)應用30二、BGA管腳31二、BGA管腳31三、無縫鋼管直線度測量32三、無縫鋼管直線度測量32四、汽車輪冠33四、汽車輪冠33第五章激光視覺三維測量技術黨學明合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院34第五章激光視覺三維測量技術黨學明1引言眼睛是信息的重要途徑:

獲取信息90%以上獲取信息主要有:

顏色大小遠近明暗程度幾何光學中的測量幾何光學的透鏡成像系統(tǒng)35引言眼睛是信息的重要途徑:幾何光學的透鏡成像系統(tǒng)2引言隨計算機技術與CCD技術的發(fā)展出現:計算機視覺(ComputerVision)又稱機器視覺(MachineVision)應用:航空航大、生物醫(yī)療、物體識別、工業(yè)自動檢測視覺檢測(VisionInspection)技術:

在計算機視覺理論基礎上發(fā)展起來的,利用光學成像特性,應用測量領域.特點:非接觸、速度快、精度適中、可實現在線,全場應用:工業(yè)產品的在線檢測。36引言隨計算機技術與CCD技術的發(fā)展出現:3引言視覺檢測技術分類:

按照明方式和幾何結構關系的不同可以劃分:激光視覺檢測技術:

利用激光做光源來獲取結構光的主動視覺檢測37引言視覺檢測技術分類:激光視覺檢測技術:4第一節(jié)激光三角法測量原理激光三角法是激光視覺檢測技術的基礎其原理:

數學基礎:

空間某一平面上的兩條直線的方程已知,非平行時,交點可以求出.38第一節(jié)激光三角法測量原理激光三角法是激光視覺檢測技術的基礎第一節(jié)激光三角法測量原理激光三角法的結構:1.直射式

2.斜射式1.直射式θ39第一節(jié)激光三角法測量原理激光三角法的結構:θ62.斜射式根據幾何光學成像特點:402.斜射式根據幾何光學成像特點:7直射式與斜射式比較41直射式與斜射式比較8第一節(jié)激光三角法測量原理根據三角法測量原理制成的儀器被稱為激光三角位移傳感器.其結構組成:

一般采用半導體激光器(LD)作光源，功率在5mw左右光電位置探測器對采用PSD或CCD,PSD為非分割型位置探測器，分辨力高，動態(tài)響應快，后續(xù)處理電路簡單，但線性差，需要精確標定42第一節(jié)激光三角法測量原理根據三角法測量原理制成的儀器被稱為傳感器的形狀及主要特性43傳感器的形狀及主要特性10激光三角位移傳感器應用應用于:

厚度,變形,形貌,位移等,缺點:點掃描,速度慢44激光三角位移傳感器應用應用于:11第二節(jié)激光視覺測量的基本原理激光視覺檢測技術:

利用激光做光源來獲取結構光的主動視覺檢測激光視覺傳感器:

由結構光和CCD攝像機組成的測量裝置.結構光的類型:45第二節(jié)激光視覺測量的基本原理激光視覺檢測技術:第二節(jié)激光視覺測量的基本原理激光視覺傳感器的主要結構:

點結構光傳感器線結構光傳感器多線結構光傳感器46第二節(jié)激光視覺測量的基本原理激光視覺傳感器的主要結構:工作原理成像特點：像的大小，由透鏡的焦距，物體的遠近決定像的方向，與物體的方向相反。1.若已知像的大小，和透鏡到成像面的距離，則物體的最高點的位置為某一條直線上（過光學中心）若采用主動視覺技術，照射光源的方向（線，面，多面的方程）已知），可連立方程，求出實際的物體的位置大小視覺傳感器的核心：其數學模型即：CCD像面坐標與測量參考坐標之間的關系47工作原理成像特點：14數學模型的建立分類：1)完全利用投影變換理論，通過無任何物理意義的中間參數，將圖像坐標系與測量參考坐標系聯系起來。

2)通過具有明確物理意義的幾何結構參數，如光學中心、焦距、位置以及方向等，建立圖像坐標系與測量參考坐標系的關系：這類方法的模型參數一般分為攝像機內部參數和傳感器結構參數兩部分，攝像機內部參數指攝像機內部的幾何和光學特性，傳感器結構參數指圖像坐標系相對于測量參考坐標系的位置參數48數學模型的建立分類：15一、攝像機理想透視變換模型三維測量:三維空間坐標←→二維圖像坐標

P=g(H)

P為空間坐標H為圖像坐標g為變換矩陣變換過程:物空間坐標→攝像機坐標攝像機坐標→CCD像面坐標CCD像面坐標→計算機圖像坐標(像素點位置)49一、攝像機理想透視變換模型三維測量:16①物空間坐標→攝像機坐標50①物空間坐標→攝像機坐標17②攝像機坐標→CCD像面坐標fxzyoxuZuYuS’51②攝像機坐標→CCD像面坐標fxzyoxuZuYuS’18③CCD像面坐標→計算機圖像坐標(像素點位置)圖像坐標與CCD坐標關系像素點距：dx,dy采集時,x向為高速采集,y向慢速采集,x方向一般采用間隔采集CCD上坐標可表示為:52③CCD像面坐標→計算機圖像坐標(像素點位置)圖像坐標與CC攝像機理想透視變換模型λ≠0

為比例因子,與ρ相通,與物坐標Zc有關53攝像機理想透視變換模型λ≠0為比例因子,與ρ相通,與物坐二、實際攝像機模型1、鏡頭的存在的畸變 攝像機鏡頭是非理想光學系統(tǒng)，存在加工誤差和裝配誤差，物點在攝像機像面上實際所成的像與理想成像之間存在光學畸變誤差主要的畸變類型有三種： 徑向畸變、 偏心畸變 薄棱鏡畸變徑向畸變：僅使像點產生徑向位置偏差偏心畸變和薄棱鏡畸變： 使像點既產生徑向位置偏差，又產生切向位置偏差54二、實際攝像機模型1、鏡頭的存在的畸變21⑴徑向畸變（Radialdistortion）徑向畸變主要是由鏡頭形狀缺陷造成的，它是關于攝像機鏡頭主光軸對稱的。分類:

正向畸變又稱枕形畸變負向畸變又稱捅形畸變55⑴徑向畸變（Radialdistortion）徑向畸變主要(2)偏心畸變(DecenteringDistortion)起因:它主要是由于光學系統(tǒng)光學中心與幾何中心不一致造成的，即鏡頭各器件的光學中心不能嚴格共線.

這類畸變既含有徑向畸變．又含有攝像機鏡頭的主光軸不對稱的切向畸變.其數學模型為:式中，a0為最大切向畸變與x軸正向夾角56(2)偏心畸變(DecenteringDistortion(2)偏心畸變(DecenteringDistortion)將極坐標轉化為笛卡爾坐標P1P2