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• 本文标题：基于主动视觉的汽车轮辋三维重建方法研究.docx
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• 内容摘要：摘要计算机视觉涉及计算机科学、图像处理、模式处理以及人工智能等多个领域，是一门正蓬勃发展的交叉学科。由于计算机视觉的重点在于使机器学会“看”，而主动视觉系统强调模拟人类眼睛的主动适应性，且具有无靶标实现自动化检测、不易受环境光的影响等优点，因此其在对空间物体进行重建等领域具有良好的应用前景，而对主动视觉系统的研究也成为了当今世界的热门研究课题。本文以主动视觉对汽车轮辋进行三维重建为背景，针对主动视觉实际应用中的图像获取、摄像机标定和三维重建等问题进行了学习和研究。本文主要工作如下：根据已有实验器材确定了实验系统硬件设备以及设计实验系统的工作流程，以确保实验能够正确有序地进行，而后成功搭建实验系统。根据相机标定原理以及公式、确定了一个含特殊图案的标定模板，特殊的标定模板不同于传统的获取多幅图像进行相机标定的方法，本文采用由多个矩形构成的标定模板，这样的靶标板可以实现只获取一幅图像完成相机标定的目的。利用已标定的相机完成三维重建过程，并分析了重建精度以及该实验系统的普便性，确认该实验达到预期效果。最后，对实验系统可能存在的误差进行总结和分析。关键词：主动视觉、特殊标定模板、摄像机标定、三维重建AbstractComputervisionwhichinvolvesmanyfieldssuchascomputecienceimageprocessingpatteprocessingandartificialintelligenceisaboominginterdisciplinary。BecausethefocusofcomputervisionistomakethemachineleatoseeandtheactivevisioystememphasizestheactiveadaptabilityofsimulatinghumaneyesandhastheadvantagesofautomaticdetectionwithouttargetsandnoteasilyaffectedbytheenvironmentlightithasagoodapplicationprospectinthefieldofspaceobjectrecotructionandtheresearchontheactivevisioystemhasbecometheworldsHotresearchtopics。Inthispaperbasedonthebackgroundofactivevisionfor3Drecotructionofautomobilerimstheproblemsofimageacquisitioncameracalibrationand3Drecotructioninthepracticalapplicationofactivevisionarestudied。Themainworkofthispaperisasfollows:1。Accordingtotheexistingexperimentalequipmentthehardwareequipmentoftheexperimentalsystemandtheworkflowofthedesignoftheexperimentalsystemaredeterminedtoeurethattheexperimentcanbecarriedoutcorrectlyandorderlyandthentheexperimentalsystemissuccessfullybuilt。2。Accordingtotheprincipleandformulaofcameracalibrationacalibrationtemplatewithspecialpatteisdetermined。Thespecialcalibrationtemplateisdifferentfromthetraditionalmethodofobtainingmultipleimagesforcameracalibration。Inthispaperacalibrationtemplatecomposedofmultiplerectanglesisused。Suchatargetplatecanachievethepurposeofobtainingonlyoneimagetocompletecameracalibration。3。Usingthecalibratedcameratocompletethethreedimeionalrecotructionprocesstherecotructionaccuracyandtheunivealityoftheexperimentalsystemareanalyzedandtheexpectedeffectoftheexperimentisconfirmed。4。Finallythepossibleerrooftheexperimentalsystemaresummarizedandanalyzed。Keywords:activevisionspecialcalibrationtemplatecameracalibration3Drecotruction目录第1章绪论11。1基于主动视觉的汽车轮辋三维重建方法的背景及意义11。2车轮运行参数检测和计算机视觉、三维重建技术的研究现状31。3本文的主要研究内容概述4第2章汽车轮辋三维重建实验系统62。1汽车轮辋三维重建流程设计62。2汽车轮辋三维重建实验系统设计72。2。2实验所用硬件72。2。1汽车轮辋三维重建实验系统硬件设计92。3本章小结10第3章针对汽车轮辋三维重建的相机标定113。1相机标定原理113。1。1相机标定中的坐标系113。1。2相机标定参数133。2针对汽车轮辋三维重建的相机标定方法143。2。1相机标定方法简述143。2。2相机标定方法选择153。2。3相机标定公式整理153。3针对汽车轮辋三维重建的标定结果203。3。1图像采集203。3。2Hough变换提取直线坐标203。3。3数据归一化213。3。4相机内外参数223。4小结24第4章汽车轮辋的三维重建254。1三维重建公式254。2汽车轮辋的三维重建过程254。2。1汽车轮辋的三维重建实验系统所需硬件254。2。2重建实验过程264。3汽车轮辋的三维重建结果264。3。1汽车轮辋的三维重建实验系统的精度264。3。2汽车轮辋的三维重建实验系统的普遍性284。3。3拟汽车轮辋的三维重建304。4小结31第5章误差分析与重建汽车轮辋的整体实验过程总结325。1误差分析325。2整体实验过程总结33第6章总结与展望35参考文献37致谢39第1章绪论1。1基于主动视觉的汽车轮辋三维重建方法的背景及意义现今科技的飞速发展，使汽车工业逐渐趋于智能化和信息化，对于汽车检测行业来说，获取车轮的定位参数是一项很重要的工作，然而人工测量已经被淘汰，为了更加精确以及方便获取车轮的定位参数，越来越多的实际工程中采用了计算机视觉的应用，将计算机视觉应用于汽车检测行业，实现了汽车检测趋于智能化，并且加快了汽车车轮检测的效率，加快了工作节拍，实现了更加精确更加高效的工作目的。下面对计算机视觉以及三维重建技术进行简述。计算机视觉是指利用计算机实现人眼的“看”的功能，它与相机相连，相机相当于眼睛来获取图片，而计算机实现了获取图片后的重建过程，即实现了三维空间中某物体的重建，以便能够在计算机中获取该物体的几何参数。而除了在汽车工业的应用中，计算机视觉还广泛地受到了全世界各个行业的应用和重视，比如工件的测量、机械设备的检测与监控、探究人工智能机器人的视觉、医学行业的图像处理、重建文物模型等领域，如图1。1显示了计算机视觉与各个行业和领域的交互关系，其中计算机视觉与机器视觉和图像处理的关系密不可分，并且应用范围很广。计算机视觉经过几十年的发展，已经为人们的生活生产带来了更多的可能性。图1。1计算机视觉与其他领域的关系本文还涉及三维重建的过程，三维重建是计算机视觉的后续工作中非常重要的环节，它能够实现利用某物体的图像来建立其三维模型，这样可以在计算机中实现对该物体的查看，测量以及性质分析等功能，它涵盖了图像处理、立体视觉、模式识别等许多个学科的体系。而且随着工业化进程的飞速发展，许多工业技术的实现很多都有赖于目标物体三维重建技术。三维重建已经在逐渐的发展中展现了极强的生命力，它也称为许多行业研究的重点和热点。基于以上对计算机视觉和三维重建的简述，可以想到它们对于汽车行业来说也有着很重要的意义，例如对汽车形貌进行重建，获取汽车外貌的几何信息。本文主要研究了将计算机视觉和三维重建技术应用于汽车车轮轮辋的检测，下面对汽车车轮参数对于汽车运行的意义进行介绍。汽车在运行中有很多使用性能，其中汽车行驶的平稳性和安全性是汽车在一般行驶过程中的两个非常重要的使用性能。由于汽车车轮直接接触地面，地面的突起、凹坑以及一些特殊地貌等对汽车运行都有很大的影响，显然，这些会对汽车车轮造成一定的冲击和影响，所以车轮在汽车行驶系中具有非常重要的地位。它会对汽车行驶的平顺性和安全性产生很大影响，会在一定程度上决定汽车的这两个性能，因此研究汽车车轮的定位参数和动平衡等重要运行参数是对汽车检测行业的发展具有重要意义的。而汽车轮辋是汽车车轮的外露表面，它能够为测量车轮的定位参数提供数据，因此研究基于主动视觉的汽车轮辋三维重建方法对研究改善车辆的平顺性和安全性具有非常重要的理论和实际意义。（1）改善汽车的平顺性汽车平顺性，它表示汽车在道路上行驶时由于道路条件的影响汽车能够减小冲击保证车内成员处于一个舒适的状态以及保证车内运输货物的不会损坏的性能。车轮的性能是保证汽车平顺性的主要组成部分，它对于汽车行驶过程中的平稳性具有直接影响。对汽车轮辋进行三维重建可以应用于研究汽车的动平衡等运行参数，即可广泛用于辅助进行现代汽车的静、动平衡的试验，从而改善车轮平衡性能，也就是改进现代车辆的平顺性。改善汽车的安全性汽车安全性，它是汽车在行驶时必须要具备的使用性能，只有安全性能得到保障，车辆及车内外人员的安全才能够得到保障。汽车安全性可以分为主动和被动两种性质，其中主动安全性是指汽车装备的能够减少发生事故的设备或性能，被动安全性是指在汽车发生交通安全事故时，汽车配备的能够减少事故伤害的设备或性能。对于车轮性能来说，它属于主动安全范畴，因为车轮的定位参数（包括车轮前束、车轮外顷角、主销内倾角及主销后倾角等）能够保证汽车的直线行驶性能（即汽车在行驶过程中不会发生跑偏和侧滑等危险现象）、保证汽车在转弯时能够具有足够的附着力（即防止汽车在进行转弯时轮胎的侧向附着系数过小，失去侧向附着力，造成危险的侧滑事故）、减少轮胎磨损（包括防止轮胎破损、爆胎等影响汽车行驶的危险现象），以上均是车轮定位参数对于汽车行驶的安全性的影响，可见，汽车车轮在很多方面都能够影响汽车的安全行驶，因此汽车轮辋的三维重建对于车轮定位参数的研究具有重要意义，可用于改进汽车安全性。因此，汽车轮辋三维重建对汽车车轮的定位参数和动平衡等重要运行参数进行研究提供另一种可行的方法，并适应于未来智能化的发展进程，利用相机和计算机结合的方法实现智能化。并且其对于改进车辆的平顺性和安全性具有重要意义。1。2车轮运行参数检测和计算机视觉、三维重建技术的研究现状1、基于机器视觉的测量方法近景摄影测量[1]近景摄影指的是利用对物距不大于300m的立体像或目标物摄取的立体像对目标物进行的近景摄影测量在图像的最近距离(一般是指100米以内)拍摄立体像或目标物的图像经过计算机加工处理确定其几何元素大小、形状和其他几何元素位置的近景摄影技术探针标识技术和曲面检测[2]；三坐标测量机[3]将被测物体和零件的点放入它自身所允许的三个坐标测量空间的范围内精确地测出被测零件和物体表面的点在空间三个坐标几何元素位置的数值将这些点的空间三个坐标位置数值经过自动化的计算机加工处理拟合出来形成测量元素经过自动化和数学计算的方法可以得出其几何元素形状、位置间的公差及其他形状和几何元素的测量数据。2、按照不同标定物的测量方法三维靶标标定[45]、二维靶标标定[6～10]、一维靶标标定[11～14]、自标定方法[1518]。根据三维靶标的特征点与多幅图像对应点的三维空间对应的关系可以求解三维摄像机内部的参数这种方法的标定性优点主要是三维标定图像结果的精度高缺点主要是三维的靶标图像存在自身特征点被遮挡的问题并且靶标图像加工的难度大费用高其中这些特征点在三维空间的三维坐标上的测量也是相对十分复杂的基于二维靶标的标定方法这种标定方法在三维标定的过程较灵活可以同时获得多幅高质量的三维靶标的图像标定结果的精度较高缺点主要是三维靶标较小时标定图像结果的精度较低自标定的方法不需要靶标仅需要依靠多幅靶标图像对应点之间的关系求解三维摄像机内部的参数由于不需要三维靶标只是需要同时建立多个靶标图像对应点所以这种基于三维标定的方法灵活方便它的缺点主要是精度和稳健性差主要是应用在对精度和稳定性要求不高的摄像机场合。3、常用三维信息获取技术一般来讲常用的三维物体结构信息重建和获取的技术根据所需要利用的各种光源可以划分为主动的视觉和被动的视觉。后者认为主动获取的三维物体结构信息是在自然的光照下重建和完成而前者获取需要重建和利用特别的三维光源所需要提供的的是结构光和色彩信息。被动获取视觉的技术特别是适合于军事和电子工业技术应用中需要的保密和安全以及受特殊环境条件限制的特殊场合。而主动的视觉技术主要适合于非军事的领域且该方法具有图像重建精度高抗干扰性能好和图像实时性强的视觉技术优点可见该技术应用于的视觉技术领域非常广泛。其中主动的视觉技术包括结构光和成像处理雷达(该技术方法扫描受遮挡的影响小、精度较高无需进行图像处理但是扫描的速度慢对于测量仪器设备扫描精度的要求高、难以获得物体的色彩信息)、结构光和偏码光(该方法扫描的速度快、精度高、计算的复杂性低、可以直接获取彩色的信息但可能存在遮挡的问题、受物体表面反射特性的影响、需要特质的三维扫描测量设备)、莫尔技术(该方法扫描速度较快但由于计算复杂量大、硬件昂贵以及测量设备精度不高)等。4、基于视觉的三维重建方法单目视觉方法重建是图像学中指使用一台三维摄像机对物体进行三维图像重建的一种方法。所需要使用的三维图像可以仅仅是单视点的单幅或多幅的图像也有的甚至可以仅仅是多视点的多幅图像。这一类方法主要有明暗度法[19]和光度立体视觉法[20]等；双目视觉方法[21]是一种将双目视差信息转换为深度信息的方法。这种重建方法是使用两台三维摄像机从两个视点上直接观测同一位置的物体获取在与物体不同视角下的感知深度三维图像通过三角测量的单目视觉方法将与物体相匹配点的感知深度视差图像信息直接转换为感知深度。这一类图像重建的过程与传统的人类对视觉图像感知的过程相似比较直观和简单易于被使用者理解。第2章汽车轮辋三维重建实验系统为了充分利用主动视觉中的关键技术对于汽车轮辋等进行三维重建与相机标定以及重建之后的主动视觉测量等研究和应用本人对主动视觉研究过程中的一些关键技术和其研究工作内容进行了深入的了解和系统性的学习认真地研究和分析了本文对实验系统的具体需求和其目的搭配了一套的实验硬件和软件用以探究和完成本文的所有相关理论和实验并且规划了系统的具体工作方法和流程细分了系统进行实验工作的步骤保证了实验工作能够按照本文所设计好的实验过程有条不紊的有序进行以期能够得到正确且实用的主动视觉实验方法和结果。该项研究工作对于后续的主动视觉图像获取相机标定与三维重建各环节关键步骤的具体研究和应用等实施工作奠定了正确的研究方向和理论基础。2。1汽车轮辋三维重建流程设计本文根据所设计的实验系统的特点和实际需求，确定了该系统的整体工作流程，如图2。1所示。通过摄像机采集图像后，完成摄像机标定、三维重建等步骤。图2。1系统工作流程图根据系统的工作流程图可以知道，相机标定包含拍摄标定模板即采集图像、提取特征直线即提取矩形边界、计算摄像机内外参数即利用获得的数据完成相机标定。而相机标定也是三维重建的基础，三维重建的精度取决于相机标定的精度，相机标定过程的结果可直接用于三维重建。而三维重建包含计算离散点的三维坐标以及利用计算机绘制离散点，提取图像中的标记点，利用三维重建即可获得其三维坐标，这也是三维重建的真正意义所在。确定实验的工作流程，可以明晰实验脉络，逐步细分，将实验整体有计划的分解，这样一步步地完成实验，以达到搭建的实验系统的实验目的。2。2汽车轮辋三维重建实验系统设计本文实验所涉及的实验硬件包括标定模板，激光器，连接件，车轮轮辋，摄像机以及笔记本电脑，实验硬件的不同也会对实验的进行产生一定的影响，根据现有的实验条件确定了本实验所需的实验硬件，下面介绍了各实验硬件的功能以及其相关规格参数。2。2。2实验所用硬件（1）摄像机本实验系统所使用的相机为京杭工业相机JHSM120f（如图2。2所示），该相机可以与电脑直接相连，利用安装好的配套相机驱动，可以实现利用电脑控制相机采集图片，使得实验更加方便有效，达到了节省时间和精力的目的。其参数规格如下表2。1所示。图2。2系统所用相机实物图表2。1系统所用相机的规格参数相机型号传感器尺寸传感器型号有效像素JHSM120f13’CMOSMT9M031120万分辨率数据接口工作温度外壳尺寸1280x960USB2。00℃70℃40×45×45（mm）（2）标定模板本文采用了一个新的标定模板图案，不同于一般形式的棋盘格模板图案，标定模板含有一个特殊的几何图案，其由多个矩形构成，根据相机的标定原理可知，一个矩形可以标定相机的内外参数，那么多个矩形的图案可使相机的标定结果更加精确合理。采用多个矩形的特殊靶标图案也是本文的亮点所在，下面将对本文所采用的标定图案与普遍采用的二维棋盘格标定模板进行比较。①二维棋盘格标定模板传统的棋盘格标定图案如图2。3所示。图2。3传统棋盘标定模板传统的标定方法需要采集多幅图像（一般要多于16幅）来完成对相机的标定，这无疑加大了实验的工作量以及繁琐性。但是传统的方法由于经过多年的研究，目前已经是广为接受且标定结果正确性和稳定性都很高，本位的目的是为了简化标定过程，因此采取了一个可以实现只采集一图像即可完成相机标定的方法。②本文所用标定模板本文采用了一个含特殊图案的标定模板，其由五个矩形组成，他们同心且角度为72度，由于其中每一个矩形可以确定一个内参数矩阵、旋转矩阵以及平移向量，因此需要将多个矩形得到的参数进行一定的优化，从而求得最优参数。本文所用标定模板图案如图2。4所示。图2。4特殊标定模板应用该标定模板所采用的原理和公式详见3。4。2。特殊标定模板的采用是对传统标定方法的学习和创新，学习传统方法的原理和公式，在图形以及参数优化方面进行改变和调整，这是本文的研究目的所在。能够在学习的基础上有所改变，这也是科学研究的意义所在。（3）电脑以及所用电脑软件本实验系统所使用的电脑为联想Y700（如图2。5），电脑需要提供较为畅通的运行模式，对程序的运行具有一定的影响，由于特殊的疫情原因，可选电脑只有一个，因此总结其具体性能如下表2。2所示：表2。2系统所用电脑的规格参数处理器内存(RAM)系统类型Intel(R)Core(TM)i56300HQCPU@2。30GHz2。30GHz8GB64位操作系统图2。5系统所用电脑实物图2。2。1汽车轮辋三维重建实验系统硬件设计系统所用硬件简易示意图如图2。6所示。图2。6实验系统整体组成实验系统主要由图2。6中所示的四部分组成，标定模板含有标定图案以及与激光器相连的连接件（详细介绍见4。2。1）；摄像机部分包含一个摄像机支架和一个工业相机；笔记本电脑内包含实验所需的软件以及与摄像机相连的驱动装置；汽车轮辋为该实验所要重建的物体。实验系统除汽车轮辋外的三个部分具有各自的功能，在整个实验中实现相互关联，由于其功能不同，完成的任务也不相同，合理运用实验系统的三个组成部分，采用正确的实验操作方法，针对三个不同的部分，整理其各自的功能如下表2。3所示：表2。3主动视觉实验系统各部分功能名称功能标定模板用来进行摄像机标定，获取摄像机的内外参数摄像机采集图像笔记本电脑储存图像、完成摄像机标定、三维重建等阶段的数据处理2。3本章小结本章介绍了实验系统的硬件以及流程设计，并提供了所需实验硬件的相关信息，通过本章的系统设计，可以明确实验过程，达到对整体实验进行分块的目的，便于明确思路和整理信息。第3章针对汽车轮辋三维重建的相机标定在提高图像相机测量的准确性方面以及在计算机图像和视觉的应用中为了更准确地表明空间中的某个物体在他的表面上某特征点的三维几何位置和他在采集到的图像中对应点之间的相互关系我们需要研究建立一套用于相机成像的数学模型这些能够确定数学模型的几何参数就是所谓的相机标定参数。在大多数的情况下这些相机标定参数必须通过进行实验和计算才能得到这个求解相机参数的过程我们称之为标定相机(或者是摄像机的标定)。无论是在计算机图像的测量或者是在计算机视觉的应用中相机的标定都已经是非常重要的一个环节其中相机标定所产生结果的精度准确性和标定算法的准确稳定性对于相机标定后续工作过程所产生结果的误差即精度和普遍性具有很大的影响。因此确保了相机的标定的工作过程的准确性是我们能够保证相机继续做好后续标定工作的一。。。
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