主动三维视觉传感技术的研究
触觉传感器发展历程、功能、分类以及应用的解析
触觉传感器发展历程、功能、分类以及应用的解析
触觉是接触、滑动、压觉等机械刺激的总称。
多数动物的触觉器是遍布全身的，像人类皮肤位于人的体表，并且遍布全身，触觉器有很多种，有的感觉冷热，有的感觉痛痒，还有的感觉光滑或是粗糙，不同部位的皮肤对不同个东西的触觉不一样，这是因为不同感受器分布的数量和种类不同。
人类的脸部、嘴唇、手指等部位的各种感受器很多，所以这些部位的感觉很敏感。
人类皮肤的感知都是定性却无法定量。
而触觉传感器可以模仿人类皮肤，更让人惊叹的是，还可以把温度、湿度、力等感觉用定量的方式表达出来，甚至可以帮助伤残者获得失去的感知能力。
比如一款新型毛状电子皮肤，能使机器人快速分辨出呼吸引起的轻微空气波动或者微弱地心跳震动。
这款传感器甚至比人类皮肤更敏感，能够广泛应用于假肢、心率监视器以及机器人。
触觉传感器的主要功能
检测功能
检测功能包括对操作对象的状态、机械手与操作对象的接触状态、操作对象的物理性质进行检测。
识别功能
识别功能是在检测的基础上提取操作对象的形状、大小、刚度等特征，以进行分类和目标识别。
触觉传感器的发展历程70 年代国外的机器人研究已成热点，但触觉技术的研究才开始且很少。
当时对触觉的研究仅限于与对象的接触与否接触力大小，虽有一些好的设想但研制出的传感器少且简陋。
80 年代是机器人触觉传感技术研究、发展的快速增长期，此期间对传感器设计、原理和方法作了大量研究，主要有电阻、电容、压电、热电磁、磁电、力、光、超声和电阻应。
浅谈虚拟现实技术的研究现状及发展趋势
浅谈虚拟现实技术的研究现状及发展趋势1、虚拟现实技术及其特征虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界，是一个看似真实的模拟环境，通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件，同时提供视、听、触等直观而又自然的实时感知，并使参与者“沉浸”于模拟环境中。
虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。
模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。
感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。
除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。
自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官。
传感设备是指三维交互设备。
常用的有立体头盔、数据手套、三维鼠标、数据衣等穿戴于用户身上的装置和设置于现实环境中的传感装置，如摄像机、地板压力传感器等。
VR具有以下四个重要特征：①多感知性。
指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。
理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能。
②存在感。
指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。
③交互性。
指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。
④自主性。
指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。
虚拟现实的关键技术主要包括：动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术。
2、国外虚拟现实技术的研究现状2.1 美国美国是VR技术的发源地。
美国VR研究技术的水平基本上就代表国际VR发展的水平。
目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。
基于立体视觉的高速列车动态限界测量技术研究
ｓ ｒ ｇ ｔ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｌａ ａ ｃ ｉ ｔ ｆ ｕ ｉ ｙ ａ ｃ ｃｅ ｒ ｎ ｅ ｌ ｎ ｈ ｍｉ ｏ ＥＭＵ ｉ ｐ ｅ ｆ５ ０ ｋ ｈ ｗ ｔ ｓ ｅ ｄ ｏ ０ ｍ／ ． ｈ Ｋｅ ｗｏ ｄ ： Ｈｉｈ－ ｐ ｅ ｒ ｉ Ｌ ｃ ｍｏ ｉｅ Ｃ ｅ ａ ｃ ｉ ｔ Ｄ ｎ ｍｉ ａ ｕ ｅ ｎ ； Ｓ ｅ ｅ ｓ ｎ； Ｍｅ ｓ ｒ － ｙ ｒｓ ｇ ｓ ｅ ｄ Ｔ ａｎ； ｏ ｏ ｔ ｌａ ｎ ｅ Ｌ ｍｉ； ｙ ａ ｃ Ｍｅ ｓ ｒｍｅ ｔ ｖ ｒ ｔｒ ｏ Ｖｉ ｏ ｉ ａｕｅ
（ 极坐标值） ，发射接收设备在内部高速旋转以等
角度 扫 描测 量 ，得 到不 同角度 上反 射 点 的距 离值 ， 从 而 在 １ 测 量 周 期 内得 到一 定 角 度 范 围 的断 面 个
列车的倾摆角和偏移量 ；三是测量精度低 ，在实际 运用 中只能 达 到 ５ｍｍ；四是安 装 位置 距 离列 车 较
（ 以下 简称 “ 量 系统 ” ，运 用 双 目空 间 交会 测 量 测 ）
轮廓尺寸 ，组合整个车体运动过程 中不 同时刻所
测 得 的 断 面 ，描 绘 出车 体 的 动态 三维 轮 廓 。测 量
原 理如 图 ｌ 所示 。
收 稿 日期 ：２ １— ２ ２ ０２０ —３
作者简介 ：黄
・
健 ，助理研究 员；高福来 ，副研究员
（． １ 铁道部产品质量监督检验中心，北京 １０ ８ ；２ 天津大学精 密测试技 术及仪器国家重 点实验室 ，天津 ４ ０７ ００１ ． １０ ５）
摘 要 ：为解决高速列车动态限界测量的技 术难题 ，提出一种基于立体视觉测量技术 的高速列车动态位
姿测量方法 ，构建了测量系统。详细介绍测量系统的基本构成 、测量 原理 、模型建立 、参数标定和现场运用
VR在建筑施工中的应用研究
VR在建筑施工中的应用研究 现代建筑业依靠高新技术的运用，极大地提高了建筑行业的发展和进步。应用前景十分广阔。现实虚拟技术简称VR技术，作为高新信息技术，在建筑业中的应用极大的提高了建筑施工设计方案的可行性和经济性，保证了后期施工的安全开展。本文将针对VR技术的特点，研究其在建筑业中的应用效率和发展前景。
标签：VR技术；建筑施工；应用 1 VR技术的概念与应用优势 虚拟现实技术产生于上世纪90年代，被人们简称为VR技术。VR技术能够通过计算机技术模拟建立一个虚拟的三度空间，让使用者犹如真实的一般体验到模拟出的视觉、听觉、触觉等感官刺激，从而对三维环境中的事物进行没有限制的事实观测。VR技术是仿真技术、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术进行交叉、集成的技术。因此是一门前沿性的、科技含量很高的技术，具有很高的研究价值及应用价值。VR技术的特性：
（1）多感知性。多感知性是指除了计算机图像技术提供的视觉感之外，还具有提供触觉、听觉、运动感知等感知的功能。理性状态下，嗅觉、味觉感知功能也应该具备。即，能够提供人所具有的一切感知能力。
（2）存在感。即沉浸性，指的是虚拟现实对真实世界的模拟达到以假乱真的地步。使用户深陷其中，分不清现实和虚拟。
（3）交互性。是指使用者对虚拟环境内的事物的可操作程度以及能得到相应的自然反馈的能力。
（4）自主性。自主性是指虚拟环境中的事物能够主动的依照现实世界事物运行的规律而运动的能力[1]。
2 VR技术在建筑业中的应用 2.1 VR在施工前的建筑结构设计中的应用 在以往的建筑设计阶段，建筑师通常采用虚拟现实CAD技术进行制图，可以有效的提升制图速度，并能方便快捷的修改设计方案[2]。建筑师如同置身在虚拟的世界中，无数庞大的建筑材料、家具设备、施工工具都以数据的方式存在于三维空间中，可以随时被安排调用组合成不同的方案。同时，不同设计方案呈现出的不同效果，建筑师可以360度无死角的进行观察，随时更改自己不满意的搭配、最终得到满意的方案。最终方案中搭建好的虚拟建筑和实际施工中的建筑在尺寸、色彩、材料上几乎完全一致，施工过程中只要按照设计方案执行，设计阶段追求的效果在施工后能得到最大程度的体现。对于提高工程质量和市场竞争 力具有重要的意义。 2.2 VR技术在建筑施工阶段的应用 在建筑实施的各个阶段中，VR技术都可以发挥积极的作用。从招投标开始，可以采用VB（网上虚拟招投标）技术对实际招标环境进行模拟，减少人为因素的干扰，使得招标流程更加规范、公平。其次，VR技术能够解决无法拍摄建筑内部构造的问题，使得招标方能够对建筑完工后的质量有更准确的把握，从而增加中标的几率。在施工阶段，可以通过VR技术对施工方案进行模拟，通过对比结果进行筛选和修改，最终完善施工方案。之后的施工管理阶段也可以运用VR技术，将具体对决策带入三维空间进行模拟，通过观察施工过程和结果，发现现实中可能出现的问题，针对性地对决策进行调整，防患于未然，保障施工安全。以VR技术的具体运用为例：模拟施工现场，合理安排现场材料、设备、机械的安放位置。进行5D施工管理，即利用BIM技术结合时间、成本管理方法，模拟整个施工过程。对施工工序进行科学合理的安排，在保障施工工期的条件下追求最小的时间成本。
面向企业需求的《视觉传感技术及应用》授课方案设计
面向企业需求的《视觉传感技术及应用》授课方案设计摘要：《视觉传感技术及应用》课程的特点是授课内容紧密围绕行业应用，因此，其针对性强、通用性弱，内容更新发展快。
针对这些特点，本文设计了视觉传感实测授课环节、并辅以教学形式、教材设计、课程更新等环节的设计，给出授课方案。
初步实践证明，本文方案取得了较好的效果。
关键词：教学改革视觉传感技术实践教学精品课程中图分类号：g642.0 文献标识码：a 文章编号：1673-9795（2012）10（b）-0197-02《视觉传感技术及应用》是测控技术与仪器专业本科教学第四学年开设的专业方向课程，教学过程中将综合运用“工程光学”、“传感技术”、“数字图像处理”等课程知识。
该课程主要讲授光学非接触测量领域的主要方法之一——视觉测量方法，因此，该课程应用针对性强，同时也决定了其广泛性相对较弱。
基于上述特点，帮助学生明确学习目的、所学技术的应用场合，才能激发学生的学习兴趣。
针对今后从事光学测量、图像处理等工作的学生，掌握该课程对于快速进入工作角色大有益处。
《视觉传感技术及应用》在我校迄今授课6个轮次，效果较好，但仍存在较多问题，主要表现为以下几个方面：（1）所涉及的基本理论本身具有一定深度，如视觉测量误差分析和设备标定涉及的空间几何与范函分析等，要求十几学时内完成基本理论教学存在难度。
（2）以往教学模式只按“概念、理论推导、实验验证”的步骤讲述，而对于提出问题的艺术，概念的形成、公式意义与联系，乃至理论的创造与发展过程，以及运用课程知识解决实际问题等涉及较少，结果使课程显得枯燥乏味。
（3）该课程较强的前沿性和针对性决定其应充分利用先进的多媒体设备、实验设备进行教学，但这两种手段目前尚欠缺。
（4）在传统教学模式作用下，不少学生没有养成良好的学习习惯；缺乏正确的思维和理解方法，部分学生甚至感到学习本课程对工作作用不大，影响了“视觉传感技术”在整个课程结构中的地位。
因此，本课题以建构主义（constructivism）理论为思想指导[1～2]，构建合理的课程资源体系。
基于三维动画与虚拟现实技术的理论研究
对州
基于三维动画与虚拟现实技术的理论研究
５ ０ ０ ０ １
摘要： 随着科 学技术的 不断发展 ， 三维技 术其余 完善 ， 计 具有实时性 ， 也正是这种实 时『 生 使人机具有了交互性 。 虚拟现 算机 图形 学的应 用能够欧诺个三维物体来对复杂信息进行表 实产 品可 以用于园林设计 、 建筑设计结构 的交互浏览 ， 给用户 示， 再现物体的三维效果 ， 而 在 三 维 图 形 基 础 上 发展 起 来 的 三 塑造环境 ， 用户在虚拟 现实产 品中拥有绝对 的行动 自由权 ， 可 维动画技术与虚拟现 实技术 ， 使得我们的生活更加的丰富。 本 以根据 自身需求选择需要体验的项 目。虚拟现实产品的观看 文 主要 针 对 三 维动 画 技 术 及 虚 拟 现 实技 术 的理 论 进 行 研 究 。 不受 时间 、 观察角度等 限制 ， 与动画同样 ， 可以指定既定路 线 关键词 ： 三维动画 虚拟现 实 计算机 图形 技术 进行浏览 。 三维动画技术是 艺术 与计算机 图形学的结合 ， 是对 计算 机科学 、 数学 、 艺术 、 物理 以及其它学科知识 的综合利用 ， 人类是生活在三维世界中的 ，这个世界也充满了三维物 通过计算机生成多彩 、 连续 的虚拟真实画面 。 动 画作 品在用户 体 ，在三维 图形技术基础上出现的三维动画技术及虚拟现实 交互性方 面具有很大 的局限性 ， 如果作 品剪辑完成 ， 动画产品 技术使世界变得更加多彩。动画技术 能够让设 计者对 自己的 就成 为最终 的产 品， 不能进行改变 ， 用户只能放映观看。而虚 想象进行最大限度的发挥 ， 用数字 的形式进行创作 ， 而虚拟现 拟现实技术针对三维动 画的这一缺陷进行 了弥补 ，在表现力 实技术则是在 维图形技术的基础上 ， 结合传感技术 、 主体视 和交互性方 面都更为突 出，观看者可 以自主创造游览路线和 觉、 多媒体等技术实现的一个虚拟世界 ， 本文主要针对三维动 内容 。 三维动画技术 与虚拟现实技术之间是相互联系 的，如要 画技术及虚拟技术及二者的联系进行 分析 与论述 。 建立虚拟校园系统 ， 第一步就需要建立三维系统模型。 在空间 １ 、 三维动画技术 实体 的对象一般包含建 筑、 绿地 、 道路 、 地形 、 树木等 等 ， 这 人类生存 的环境 ， 本 身就是 由一幅 幅图画来呈现 的 ， 所 以 中， 用 图形可 以最直接 、 最 自然 的表达思想 。 三维动 画技术是指将 些实体可以利用现有 的三维模型制作软件或者编程 的方法来 幅幅的景物画面通过绘图程序呈现出现 ，后一帧画面是对 实现。 编程 的方法就是通过程序 ， 对三维空间的坐标利用 图形 前一帧 画面的部分修改。该技术 下中的每一个 对象不是简单 绘制 函数来建立模型 ， 因为系统 的模型建造一般 比较复杂 ， 模 的输入 ，而是通过计算机内部数 据对 三维数据进行确定生成 型的几何数据也 比较难确定 ，因此在地形模型的制作较为常 的。通过该技术的应用 ， 可 以在计算机 中建立场景 、 角色的原 用。制作校 园模型最好采用 已经成熟的三维设计软件 ，例如 始数据 ， 然 后对角色 、 场景设置不 同的动作及运动轨 迹 ， 这一 ＭＡ Ｍ Ｙ、 ３ Ｄ Ｓ Ｍ Ａ Ｘ等。 建立虚拟场景与 ＿ ＝ ： 维动画技术场景有所 虚拟场景因其实时 陛要求 ， 强调模型的简单化 。在模型 切全部 由计算机完成 。 在动画生成之后 ， 可 以在场景 内设置灯 不同 ， 在场景的真实性 和相应速度发 生矛盾 时 ， 真实性要 光、 摄影机 ， 以及对角色赋予材质等。 因此可 以说 ， 三维动画技 的制作 时 ， 术完全依靠计算机来实现 ， 是可 以制作数字化角色 的动 画 ， 可 做出汤不 ， 主要视觉上能达到基本真 实就 可以。所 以 ， 很多时 以通过不 同的媒体表现出来 ， 如 电视 、 电影 、 游戏 ， 甚至可 以无 候都是用 一些基本框架来代替复杂的模型 。为 了保证模型具 缝 的将视觉效果集成到实拍的镜头中。 由此可见 ，三 三 维动画 有一定的真实性 和弥补视觉上的不足 ，通常采用贴 图的方式 由此可见 ， 三维动 画技术和虚拟现实技术存在必然 的 中， 运动是 其要素 ， 是关于运动 的艺术 ， 由其构造 出一个 虚拟 来实现。 的世界 ， 不需要真正去建造 画面 中的物体 ， 虚拟摄像 机 、 物体 联系 ， 尽管虚拟现实产品能够进行真 实的虚拟再现 ， 但在技术 的运动不受任何 的限制 ， 全部 由动 画师来操作。 层面上 ， 三维动画为其模型的建 立提供 了理想 的方法。 ２ 、 虚拟现实技术 结束 语 随着虚拟现实技术 的应用 ，以其在 电脑游戏 中逼真 的画 是一种创造和体验虚拟世界的计 算机系统 ，又称为灵境 技术 。由计算 机对构想 中的世界进行生成 。 具体来说 ， 就是通 面呈现 ， 得到广大用户 的喜爱。 虚拟现实技术能够将设计师 的 过计算机技术 ， 通过现代 高科技生成逼真 的视觉 、 听觉甚至是 想法通过 电脑 得以实现 ， 并且能够与人进行互动 。 因其形式多 具有感知性 、 交互性等特点 ， 也是 电脑 动画难 以实现的。 虚 触觉 的虚拟环境 ， 用户可以身 临其境 的进行体验 与感 受 ， 实现 样 ， 用 户与环境 的交互 。 该系统主要涵盖 了图像处理与模式识别 、 拟现实技术对 动画技术 提出了新 的挑 战，也为其提供 了新 的 计算机 图形学 、 语音处理 、 多传感器 、 网络技术等综合 集成 ， 能 辅助方法 。 目前 ， 虚拟现实技术在社会各行各业 中都已经广泛 使 用户产生虚拟环境 的感觉 ，可以对环境 中的物体实时 的进 应用 ， 并且会逐渐与人们 的生活结合在一起 。 行操纵 ， 并且操作者可以漫步于环境 中。 该技术 的最基本 的特 参考文献 ： 征是 、 构想性 、 交互性 和沉浸感 ， 其发 展始终都是 围绕着这 三 ［ １ ］ 宋超． 三维动画技术应用 浅谈［ Ｊ ］ ． 科学与财 富， ２ ０ １ ２ （ ５ ） ． 『 ２ １ 牛小 刚． 展 望虚拟 现实 技术 的前景［ Ｊ ］ ． 甘肃科技 ， ２ ０ ０ ８ 个 特点展开 的 ， 与计算机 可视化技术 、 多媒体技术 不 同， 构想 性是使人沉浸在虚拟环境 中， 并可 以从 中获取知识 ， 提高理性 （ １ ９ ） ． 与感性认识 ， 深化概念甚 至萌发新意 ； 交互性 ， 是指人 在虚拟 【 ３ ］ 解雄飞． 浅谈 三维 动画技 术的现状 － ９发展［ Ｊ ］ ． 世界家苑， 环境 中可 以与对象进行交流与操作 ；沉浸感是指人进入虚拟 ２ ０ １ １ （ ７ ） ． 环境 中 ， 有一种进入 真实 的客观世界 的感觉 。所 以 ， 虚拟现实 ［ ４ ］ 李凌． 基于 Ｖ Ｒ ＭＬ的虚拟现 实系统建模 与动画研究［ Ｊ ］ ． 能够让人 的思维变得具有创造性。 该技术 目前在美 、 英等 国的 硅谷． ２ ０ ０ ９ （ １ ２ ） ． ［ ５ ］ 吴隆伟． 虚拟场景漫 游的设计 － ９实现 探讨［ Ｊ ］ ． 城市建设 发展较快 ， 在我国 目前还处 于起步 阶段 。 理 论 研 究（ 电 子版 ） 。 ２ ０ １ １ （ ２ １ ） ． ３ 、 三维动画技术与虚拟现实技术的关 系 这两种技术都是基于三维图形技术产生的 ，虚拟现实技 术 的特点在于临场感和真实感 ， 用户可 以用游戏操纵 杆 、 方 向 盘及数表等对环境进行操作 ， 并走进到环境 中 ， 用户图像渲染
关于逆向工程测量技术的探讨
关于逆向工程测量技术的探讨[摘要]数据的获取、测量是逆向工程中的第一个步骤，也是逆向工程测量最关键的技术之一。
综合接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术的实物数据获取方法，是目前众多逆向工程测量技术中针对大型的、结构复杂的测量对象最具有高效性的一种工程测量方式。
[关键词]逆向工程测量技术0引言综合接触式工程测量技术和非接触式工程测量技术的实物数据获取方法，是目前众多逆向工程测量技术中针对大型的、结构复杂的测量对象最具有高效性的一种工程测量方式。
这种方法由接触式工程测量技术获取散布在被测物体上或周围的人工标记点群的三维坐标，再以这些坐标数据作为非接触式工程测量数据拼接的依据，从而获取得到整体测量数据。
1逆向工程概述逆向工程，又称反求工程、反向工程，指通过各种测量手段和三维几何建模方法，将已有实物原型转化为计算机上的三维数字模型的过程，是工程测量技术、计算机软硬件技术的综合。
随着计算机技术的发展，CAD技术已经广泛地应用于工程测量工作，但由于多种因素的限制，现实世界中的很多物体形状并不能完全用CAD设计的方法进行描述。
因而，我们提出了逆向工程的概念。
2逆向工程测量数据获取技术研究数据获取是反求工程的关键技术，数据的获取通常是利用一定的测量设备对所测工程进行数据采样，得到的是采样数据点的（x，y，z）坐标值。
数据获取的方法大致分为两类：接触式和非接触式。
（1）接触式工程测量技术。
接触式工程测量技术是在机械手臂的末端安装探头，通过与工程表面接触来获取表面信息，目前最常用的接触式测量系统是三坐标测量机（CMM）。
传统的坐标测量机多采用机械探针等触发式测量头，可通过编程规划扫描路径进行点位测量，每一次获取被测形面上一点的（x，y，z）坐标值，测量速度都很慢。
CMM 的优点是测量精度高，对被测工程无特殊要求，对不具有复杂内部型腔、特征几何尺寸繁多、只有少量特征曲面的被测工程，CMM是一种非常有效可靠的三维数字化手段。
基于视觉传感和深度学习的熔焊增材成形质量检测技术
熔焊增材制造的主要工艺方法
选择性激光熔化（SLM）
选择性电子束熔化（SEM）
激光工程化净成形（LENS）
电子束工程化净成形（EBN）
熔焊增材制造的应用领域
航空航天领域
由于熔焊增材制造技术可以制造出具有复杂形状的高性能 金属构件，因此广泛应用于航空航天领域。如发动机涡轮 叶片、燃料喷射器等。
模型训练
利用训练数据集对模型进行 训练，通过多次迭代优化网 络参数，提高模型的分类准 确率。
基于深度学习的熔焊增材制造质量检测模型优化
模型评估
参数优化
利用测试数据集对训练好的 模型进行评估，分析模型的 准确率、召回率、F1值等指
标。
根据评估结果对模型参数进 行调整和优化，如增加网络 深度、增加数据量、调整学
焊接参数设定
根据预实验结果，确定焊接电流、焊接速度、电极角度等参数。
实验过程
将母材和填充材料按照设定的焊接参数进行熔焊，并对焊接后的试 样进行无损检测、金相制备和力学性能测试。
实验结果与分析
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无损检测结果
通过无损检测技术对焊接 接头进行检测，发现焊接 接头表面无明显缺陷，内 部缺陷较少。
特征提取与模型训练的难度随着数据 量的增加而增加。
复杂的加工环境导致数据采集难度大 。
模型的可解释性与稳定性仍需进一步 提高。
研究内容与方法
研究内容 研究适用于熔焊增材成形的视觉传感技术，以实现对加工过程的实时监控。 基于深度学习技术，研究适用于海量数据的特征提取与模型训练方法。
研究内容与方法
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收稿日期:2005-12-08. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50275049).
光电技术应用主动三维视觉传感技术的研究刘 晨,费业泰,卢荣胜,张勇斌,陈晓怀(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009)
摘 要: 主动三维视觉传感技术主要有飞行时间法、点结构光扫描法、线结构光扫描法和编码面结构光法、莫尔法、相位测量轮廓术、傅里叶变换轮廓术等。介绍了上述各种技术的基本原理和优缺点。提出了一种新的技术,即单幅二维图像不标定自适应三维场景重构技术,给出了它的原理并讨论了其特点。关键词: 机器视觉;主动视觉;三维形貌测量;结构光中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2006)05-0618-03
32DActiveVisionSensingTechniqueLIUChen,FEIYe2tai,LURong2sheng,ZHANGYong2bin,CHENXiao2huai(SchoolofApparatusScienceandPhotoelectricEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,CHN)
Abstract: 32Dactivevisionsensingtechniqueismainlyinvolvedintime2of2flightmethod,pointstructuredlightscanning,linearstructuredlightscanningandspaceencodingstructuredlightmethod,Moirecontouring,phasemeasuringprofilometry,Fouriertransformprofilometry,etc.Thebasicprincipleandcharacteristicsofallthesemethodareintroduced.Anewmethod,i.e.,the32Dshapefromasingleimageandnon2calibrationtechniqueisproposed.Itsprincipleisgiven,anditsfeaturesarediscussed.Keywords: machinevision;activevision;32Dimagemeasurement;structuredlight
1 引言随着计算机技术和数字摄像技术的发展,机器视觉技术近年来发展十分迅速。基于机器视觉技术,由摄像机摄取三维(32D)场景中的物体图像,获取该物体三维坐标数据,重构三维场景与物体的三维模型,确定物体在三维空间中的形状、大小、位置和方向,在产品质量检测、机器人定位与导航、逆向工程、工业造型设计、模具制造、文物修复、量体裁衣、人体面形美容与假肢制作、农作物分类等方面具有广阔的应用前景。当前用光电技术来获取物体三维信息的方法非常多,大致可分为被动三维视觉传感和主动三维视觉传感。主动三维视觉传感是将结构光用投影仪投
射到物体表面,通过物体表面的高度不同对结构光进行调制而获得三维信息。而被动视觉传感是采用自然光或普通照明光对物体进行照明[1]。主动三维视觉传感测量的精度和可靠性较高,
因此在三维测量中得到广泛应用,大多数以三维面形测量为目的的三维传感都采用主动三维视觉传感。主动三维视觉传感根据三维面形对结构光照明光场调制方式不同,可分为基于三维面形对结构照明光束产生的时间调制的飞行时间法和三角法,后者以传统的三角测量为基础,如点结构光、线结构光、编码面结构光法。已经研究的另一些更复杂的三维面形测量技术,包括莫尔法、傅里叶变换轮廓术、相位测量轮廓术等也最终归结于三角测量法[2]。本文就主动三维视觉传感的各种方法进行总结,并重点对一种新型的主动三维视觉传感———单幅二维图像不标定三维场景重构技术作介绍。
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SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.27No.5Oct.20062 各种三维主动视觉传感技术2.1 飞行时间法(TOF)[2～4]系统由三部分组成:发射器、接收器和时间间隔测量单元。一个激光脉冲信号从发射器发出,经物体表面漫反射后,沿几乎相同的路径返回到接收器,
测出光脉冲从发出到接收之间的时间间隔Δt,就可以计算出距离z,z=kvΔt,k是系统几何参数确定的常数,v为传播速度。用附加的扫描装置使光束扫描整个物面可得三维面形。飞行时间法测距的关键是如何精确测量光波的往返时间Δt,测量的方法有两种。一是脉冲间隔测量法:光源是脉冲式发射,通过测量脉冲往返时间间隔来得到距离;另一个是相位测量法:光源是连续光束,通过测量光波的往返间的位相差而得到距离。飞行时间法具有较高的距离分辨率,运行速度快,可以避免在三角测量法中所碰到的由于阴影产生的“盲点”问题,但技术实现难度较大。2.2 结构光三角法[5]光学三角法是以传统几何学中的三角测量为基础,用光学三角测距原理构成多种多样的视觉传感器,主要分点结构光、线结构光和编码面结构光法。2.2.1 点结构光扫描法[6]激光器投射一个光点到待测物体表面,被测点的空间坐标可由投射光束的空间位置和被测点成像位置所决定的视线空间位置计算得到。由于每次只有一个点被测量,为了形成完整的三维面形,必须有附加的二维扫描。它的优点是对信号处理比较简单,缺点是需对光束作二维方向的扫描。2.2.2 线结构光法[7]由线光源和面阵CCD摄像机组成。线光源产生一个光平面投射到被测物体表面而形成一条光带,根据上述同样的原理,被光源照明的物体线上各点的三维位置可通过图像中其在像平面上的坐标以及光束平面的空间位置等参数得到。由于一次只能得到一条光带上的三维数据,因此为获得完整的三维面形,需要进行一维扫描。与点结构光法相比,其硬件结构比较简单,数据处理所需的时间也较少。2.2.3 编码面结构光法它是由一投影仪、一面阵CCD组成。结构光照明系统投射一个二维图形(这种图形可以是多种形式)到待测物体表面,如将一幅网格状图案的光束投射到物体表面,三维面形同样可以通过三角法计算得到。它的特点是不需扫描,适合动态测量。总之,三角法精度很高,但摄像机可能接收不到部分照明区,造成部分数据的丢失。2.3 莫尔法(Moire)[3,5,8]莫尔法一般分为光栅照射法和光栅投射法。光栅照射法是将光栅置于被测物体的附近,光照射到光栅,透过光栅照射到物体表面,形成光栅像的变形,此变化了的光栅像由物面反射后再经过此光栅,在观察点就能获得含有物体表面各点的距离信息的莫尔等高条纹,对莫尔条纹的分布作解码数据处理就可以得到物体表面的三维面形数据。光栅投影法与光栅照射法不同,它是通过投影仪把光栅投射到物体表面,再用成像系统把物体表面上的变形光栅成像到像面上,经像面上另一相同光栅的重叠而产生莫尔条纹。莫尔法的优点是对整幅图像的数据进行处理,可以很快、很容易地测量整个物体的形貌,它的精度与三角法相当,但莫尔法要求被测物表面深度不能太大,不能在自然光背景下工作。2.4 相位测量轮廓术(PMP)[2,7,9]它是由正弦光栅投影仪、图像传感阵列照相机以及微型电子计算机数据获取与处理三部分组成。当一个正弦光栅图形被投影到三维漫反射物体表面时,由成像系统就可获取变形的光栅像。它的光强中的相位函数Φ(x,y)表示了条纹的变形,并且与物体的三维面形z=h(x,y)有关。相位和三维形状之间的关系取决于系统的结构参数。相位的确定可以通过相移算法、相位展开而得到。由位相Φ(x,y)就可求出物体的高度。此方法的优点是粗条纹可用来测量大型物体表面的变化,细条纹可以用来测量微小的物体表面细节,分辨率高,不连续点可被测量,并且只需一个简单的正切函数的计算。2.5 傅里叶变换轮廓术(FTP)[2,10]此方法的光学结构类似于莫尔投影法。它将罗奇光栅产生的结构光投射到待测物体表面,得到被三维物体面形分布调制的变形条纹光场,成像系统将此变形条纹光场成像于面阵探测器上,然后用计算机对像的强度分布进行傅里叶分析、滤波和处理,就可得到物体的三维面形分布。此方法的优点是不需要产生莫尔条纹,所以它没有莫尔法的种种难点,并且比莫尔法有更高的灵敏度。此方法数据获取速度快,并适于计算机进行处理。
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《半导体光电》2006年10月第27卷第5期刘 晨等: 主动三维视觉传感技术的研究3 单幅二维图像不标定三维场景的重构技术
以上所提到的主动三维传感技术,在系统工作之前,系统内部的有关参数必须精确标定。然而在许多应用场合,三维视觉系统的参数可能要实时调整,以适应场景的变化,这时不可能采用精密标定装置对视觉系统进行在线标定。因此这里我们提出一种全新的技术,即单幅二维图像不标定三维场景的重构技术,它不需标定摄像机,仅需用一幅图像通过已知的几何约束与自标定算法来自动恢复系统变化的参数来重构三维场景。此系统由投影仪、彩色数码摄像机与计算机图像处理设备组成。投影仪将一幅伪随机彩色编码片投射到物体表面,通过一彩色CCD摄像机接收后输入到计算机,由计算机进行处理,可快速再现物体三维立体形状。系统的测量原理图如图1。
图1 测量原理图图中P点的坐标(x,y,z)可通过以下公式求得:
x=xc
fc-z
fc
y=yc
fc-z
fc
z=fcfp
fcxp-fpxc
(xo+xp-xc)+
xpzo
fp
式中,xp,yp是投影点的坐标,xc,yc为与之相对应的
像点坐标,xo,yo,zo为投影面中心坐标,fc,fp分别为摄像机和投影仪的焦距。坐标系的原点定在相机成像面的中心点,它的z轴与相机的光轴重合。因此,只要测得像点的坐标xc,yc,同时得到所对应的投影点的坐标xp,yp就可获得三维数据。可采用伪随机彩色编码法来确定对应点,因它具有良好的窗口特性,窗口每一个方格及顶点都可以唯一地辨认。经过对投影仪的预标定,其成像内参数矩阵、各光线之间夹角以及这些光平面的法向矢量和参考点坐标
已确定,这些可提供约束条件,然后通过不标定自适应三维重构算法,分别逐层推导射影重构、仿射重构、尺度重构和欧氏重构,即按如下步骤来实现单幅二维数字图像的不标定自适应三维欧氏重构的目的:
(1)从投影模板编码特征点与摄像机图像点对
间的特征点匹配计算出基础矩阵和极点,实现射影层次的重构;
(2)将投影仪视为仿射模型,利用正交投影约
束实现仿射层次的重构;
(3)由一个4×4的可逆变换矩阵将仿射重构
结果转换到尺度空间,实现尺度重构;
(4)利用空间特征点同时在纵向和横向光平面
内的共面性实现场景的欧氏重构。相对于其他方法而言,此方法主要有以下特点:
(1)动态性:仅利用一幅空间编码图像就能重