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1、硕上论文基于激光双目视觉系统的接缝三维重建摘要本文研制了一套结构激光双目视觉传感器，能避开弧光飞溅的干扰，清晰地采集到 接缝图像。该传感器加入结构激光，很好的解决了立体视觉中对应点的匹配问题。 利用V i s u a lC + + 在W i n d o w s 2 0 0 0 系统平台上建立了图像采集处理系统，该系统能 实现接缝图像处理和特征分析，得到接缝特征点的图像坐标和粗略的特征信息。 总结了一种精度较高的三维重建算法，能由接缝特征点的图像坐标计算出其三维坐 标，进行三维重建，并能精确的分析接缝特征。在不焊接无弧光干扰和焊接有弧光干扰 两种情况下对典型接缝进行了三维重建试验。试验证明，无弧
2、光干扰时，对于v 型、半 V 型、对接I 型、u 型、搭接等接缝重建精度很高，有弧光干扰时，对对接I 型、u 型 重建效果欠佳。关词t 接缝重建双目视觉三维重建图像处理结构激光视觉第l 页硕士论文基于激光双目视觉系统的接缝三维重建A B S T R A C TAb i n o c u l a rs t e r e ov i s i o ns y s t e mi sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r I ti n c l u d e st w oC C Dc a m e r a s 、as t m c t u r a l l a s e ra n dt w
3、 os u i t e df i l l e tl e l l s I tc a l la v o i dt h ed i s t u r b i n go ft h ew e l d 访ga r ca n do b t a i nc l e a ri m a g ew h i c hr e f l e c t st h ec h a r a c t e ra n dt h ed e p a r t u r eo ft h ew e l ds e a m T h ed i 伍c u l tp r o b l e mo f t h eF e a t u r eP o i n tM a t c h
4、 i n ga l g o r i t h mi ns t e r e ov i s i o ni ss o l v e dw i t ht h es t r u c t u r a l1 a s e L Ai m a g eo b t a i n i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mi ss e tu pb yV i s u a lc + + ，w h i c hi sb a s e do nt h ep l a t f o r mo fW i n d o w s2 0 0 0 T h ei n f o r m a t i o no ft h ew
5、 e l ds e a r n sa n a l y z e d T h e2 Di m a g e C O O r d i n a t e so f t h es e a n lf e a t u r ea n dt h ec h a r a c t e ro f t h es e a n lc a nb eo b t a i n e d A na l g o r i t h mo f3 Dc o o r d i n a t e sc a l c u l a t i o nm e t h o di sp r o p o s e di nt h i sP a F l e LI tc a nr
6、e c o n s m a c tt h e3 DC O O r d i n a t e so f t h es e a r f lw i t ht h e2 Di m a g ec o o r d i n a t e so f t h es e a nf e a t u r ep o i n ta n do b t a i np r e c i s ei n f o r m a t i o no ft h es e a m T h ee x p e r i m e n t so ft h er e c o n s t r u c t i n go ft y p i c a ls e a m
7、sh a v eb e e nd o n e T h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h e r ei sn ow e l d i n ga r c t h ea c c u r a c yo ft h es e a r f lr e c o n s t r u c t i o ni sv e r yh i 曲B n tw h e nt h e r eh a st h ed i s t u r b i n go fw e l d i n ga r c ，t h es q u a r ej o i n ta n dt h eUt y p ej o i n
8、 tc a n n o tb er e c o n s t r u c t e d 晰t 1 1h i g hp r e c i s i o n K e y w o r d s ：R e c o n s t r u c to fs e a m ，B i n o c u l a rS t e r e oV i s i o n ，3 DR e c o n s t r u c t ，I m a g eP r o c e s s i n g ，S t r u c t u r a lL a s e rV i s i o n第1 I 贰Y 6 24 8 “ 9声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果
9、，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：鲎整，3 0 口掌卯月旧日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：舢蛑1 月f 伯亟堡义基于激光双目视觉系统的接缝二三维重建1 绪论随着工业制造技术的不断发展，
10、高品质的产品对焊接的质量要求越来越高，尤其在国防领域显得更加突出。为了确保焊接产品的焊接质量，尽量减低人为因素的影响，缩短生产周期，势必要实现焊接的自动化和智能化，这也是未来焊接的主要发展方向。目前机器人在弧焊领域得到越来越广泛的应用。应用机器人进行作业的优点非常明显：劳动生产率大大提高；机器人成本远低于入力成本：机器人的引入提高企业的市场适应力，以机器人为主体的柔性焊接生产线容易对产品进行调整，大大缩短产品的生产周期；在恶劣的工作条件下，机器人可以代替人进行焊接操作。目前的工业机器人，虽然装配了一些位置、触觉、力觉传感器而具有一定的环境感知能力，但其工作方式基本上还是示教再现，即需要操作者预
11、先将工作中的路径和姿态等参数通过示教方式存入机器人控制器内，然后由机器人进行重复操作。这种方式有以下弱点：操作者必须在工作现场直接进行示教，机器人以示教再现方式工作，它只能重复输入的指令，对于在实际工作过程中发生的变化，如大批量焊接生产过程中，预加工尺寸或装配位置的不一致性及焊接热变形后造成的后续焊缝线偏离示教轨迹的变化，机器人将无法作出判断，也就不能自动调整焊炬的移动和焊接参数，显然会影响最后质量；为保证示教轨迹的精度，对曲线焊缝，示教点数应较多，为此需要较长时间的示教操作：示教再现方式适合大批量生产过程，对于单件或混合产品的批量生产过程，示教过程的频繁进行，会影响机器人灵活性的发挥。鉴于此
12、，对具有适应性的弧焊机器人的研究十分必要而迫切。以视觉系统为传感器的弧焊机器人，可以先通过识别接缝二维图像，由接缝二维图像重建其三维信息，再根据接缝三维信息生成机器人的焊接程序，实现机器人在线焊接。就视觉系统而言，虽然相关领域已有较多的研究工作，但三维视觉的实用问题仍未彻底解决，而对环境光下接缝的二维图像识别和三维坐标计算问题还研究极少川。目前研究较多的是采用双目视觉系统进行三维重建，并在视觉系统中加入结构激光，降低三维重建中对应点匹配的难度，减少三维重建的复杂度，提高视觉传感系统的实时性和精度。1 1 项目研究的背景与意义“车体炮塔自适应焊接技术”来源于总装备部，是与6 1 7 厂合作的项目
13、，主要目标是解决坦克车体炮塔焊接质量与效率问题。采用双目视觉系统获取接缝图像，建立接缝特征智能识别和处理系统，对接缝图像进行处理，获得接缝特征点的图像坐标：由接缝特征点的二维图像坐标通过三维重建算法得到接缝特征点的三维坐标，重建出接缝的三维位置、形状并精确的计算出接缝坡E l 的特征信息；根据接缝的三维位置、形状和坡口特征信息可得到焊枪位置、姿态等机器人焊接所需参数，并通过与机器人的通讯协议将第1 负硕士论文基于激光双目视觉系统的接缝三维重建这些参数传输给机器入，使焊枪能够根据接缝位置、形状和坡口信息及任务规划系统自动调整焊枪的位置、姿态参数和焊接参数，实现自适应焊接。1 2 焊缝跟踪的发展现
14、状与趋势1 2 1 基于视觉传痦器的焊缝跟踪技术的发展现状和趋势目前采用的焊缝跟踪传感器分为以下几种【2 J ：电弧传感器、接触传感器、超声传感器等。随着计算机视觉技术的发展，焊缝跟踪引入视觉传感技术，与其他传感器相比，视觉传感器具有提供信息量丰富、灵敏度和测量精度高、抗电磁场干扰能力强，与工件无接触的优点，适合于各种坡口形状，能同时进行焊缝跟踪控制和焊接质量控制。计算机技术和图像处理技术的不断发展，使得实时性容易满足，视觉传感是种很有前途的传感方法。随着电子工业和图像处理技术的发展，在红外和可见光范围内的视觉传感器发展同益成熟。光学器件成本下降，器件工作的可靠性和保护措施得以提高和完善、图像
15、处理硬件和软件算法得以改进，许多焊接视觉传感器被研制出来并得到广泛应用。视觉传感根据光源的不同分为主动视觉和被动视觉，被动视觉是指利用弧光或普通光源和摄像机组成的系统，利用C C D 直接获取接缝区的图像。而主动视觉一般指使用具有特定结构的光源与摄像机组成的系统，主要采用特殊的照明光投射到工件表面，C C D 摄像机摄取工件表面的图像并进行处理p 】。1 2 1 1 被动视觉被动视觉主要采用电弧光作为光源，C C D 摄像机直接摄取焊接熔池图像，通过图像处理检测出熔池中心位置，将焊接熔池中心位置和焊炬位置的偏差送入控制器，控制执行机构调整偏差，只至偏差消除为止 4 】。其优点是检测对象( 焊缝
16、中线) 与被控对象( 焊炬) 在同一位置，不存在检测对象与被控对象的位置偏差，即时间差问题，更容易实现较为精确的跟踪控制。但其缺点也显而易见，尤其在极为强烈的弧光干扰下摄取焊接熔池图像，图像噪声很大，抗干扰能力也不理想。在视觉焊缝跟踪系统中，被动视觉不是主流，而主动视觉特别是基于激光结构光的视觉焊缝跟踪会成为主要采用的方法睁J 。1 2 1 2 主动视觉主动视觉采用一些特殊的照明光源，如钨灯、激光二极管等。主动光源一般为单光面或多光面的激光或扫描的激光光束，分别称为结构光法和激光扫描法。结构光法的敏感器是面型的，激光扫描法中光束集中于一点，其信噪比要大的多。l 、结构光法结构光法的系统组成一般为激光管发出点光源经一柱面镜转换成条形光，投射到工第2 页硕士论文基于激光双曰视觉系统的接缝三维重建件表面各种类型的接缝上，发生相应的形变，并在工件上方漫反射嘲。C C D 接收从工件上方漫反射的反映不同接缝坡1 ：3 类型的条形光，通过信号采集或图像处理环节，可知条形光变形处的中间位置即接缝中心线的位置。若将光源安装到焊接机头上，
