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机械论文：基于双目视觉的工件定位与尺寸

测量之机械研究

第一章绪论

1.1研究背景与意义

近年来，随着科技的不断向前发展，传统的工业生产方式也在悄

然地发生着改变。在工业生产领域中，以往主要依靠人工进行生产制

造的模式，正在逐步的被机器人技术所替代。作为机器人技术领域的

一个重要研究方向，机器人视觉测量技术也在日益地影响着人们的生

活与工作。传统的工件测量方法主要依靠激光跟踪仪、三坐标测量机、

激光扫描仪等设备来完成，存在测量速度慢、易划伤被测物体表面、

随机误差大、受人为因素影响较大等缺点，已经不能达到国内外制造

业的测量要求[1]。而机器人视觉测量技术，因具有非接触、检测效率

好、自动化水平较高以及低成本等优良性能，在工业测量领域中得到

越来越广泛的应用。

机器人视觉测量近年来发展迅猛，其技术变得越来越成熟，测

量的对象也愈加丰富起来。早期的视觉测量技术，其测量范围比较局

限，大都是依靠单个摄像机来进行视觉测量，其仅能实现简单规整物

体的二维尺寸测量[2]。而在诸如工件的定位、目标物体识别、机器人

导航等实际的应用场合中，还需要得到物体的三维尺寸信息。此时，

单一的单目视觉测量已经满足不了这种应用需求。因此，一种基于双

目视觉的测量技术应运而生，它的出现很好的解决了这个问题。双目

视觉测量原理是：首先通过左右相机拍摄一系列图像，经过对这些图

像的处理，可以计算出被测物体的三维坐标。然后通过得出的三维点

坐标对物体的立体结构进行还原，最后由关键点的三维坐标信息即可

完成对物体相关尺寸的测量[3]。双目测量系统不仅研发设计费用相对

较低，自动化水平高，而且系统平台搭建简单，能够达到很高的测量

精度。双目视觉测量是一种非接触的测量方法，因此在对物体进行尺

寸测量时，不会对物体的外表面产生影响[4]。双目视觉测量技术已经

逐步成为当今测量领域中的重点研究方向，在工业检测、零部件生产

制造以及医疗诊断等多个方面有着广阔的应用前景。

1.2国内外双目视觉测量技术的研究现状

1.2.1国外研究现状

国外对双目视觉测量技术的研究开始的较早，迄今为止，已经

产生了很多比较成熟的理论知识，并且取得了一系列的研究成果。

Pillai等人提出了一种高性能和可调节的立体视差估计方法，

该种方法能够使机器人在运动的同时，快速地重建其周围的三维环境。

其方法原理是：首先通过立体图像的平面网格对场景深度进行迭代逼

近，然后采用深度验证的方法完成半密集重建，最后根据需要对特征

点进行递归细分，用以提供期望的立体视差精度[5-6]。

加利福尼亚大学的Thuy等人提出了全面的三维重建的系

统设计，该设计既能强化待测物体表面的纹理信息，又可以对场景的

特征进行检测，并且在图像进行三维重建时，能够在各个角度得到物

体的尺寸信息，具有很高的精度和处理速度[7]。

Hamzah等人设计了一种基于双目视觉的移动机器人障碍

物检测和避障系统。该系统首先使用平行放置的双相机采集周边图像，

然后对采集的图像进行处理，得出图像的视差映射和深度图，并在此

基础上用曲线拟合确定出在视差映射中检测到的周边每个障碍物的

范围，以实现移动机器人的避障操作[8]。

DimitriosKosmopoulos等人设计出了一种基于双目视

觉的自动间隙检测系统，该系统主要用于对车身零件之间的间隙的相

关尺寸进行自动检测，能够实现在线实时测量且测量有效误差可保持

在0.1mm之内[9-10]。

第二章摄像机标定的分析与研究

2.1摄像机标定

摄像机标定是计算机视觉测量系统的基础，其标定结果

在精确测量物体的空间位置方面起着关键性的作用。摄像机的标定精

度越高，其对物体的测量精度也会变得越高。摄像机在不同视点去观

察相同场景时，可以获得不同视角下的图像，利用这些图像中不同像

素点之间的对应关系，通过三角测量原理就能够得出物体的三维信息。

而要确定出这种对应关系，就必须建立起成像的几何模型，这种几何

模型所表示的就是摄像机的各种参数。摄像机的参数主要有内部参数

和外部参数两种。其中，内部参数由相机的内在几何形态和光学属性

决定，不会受到外部场景变化的影响，而外部参数则表示为摄像机在

世界坐标系的相对位置和方向，会因摆放摄像机的位置