乌秀春[1]2002年在《反求工程中基于图像灰度信息的三维曲面重构研究》文中研究指明直接由物体的二维灰度图像恢复其三维几何形状(由明暗恢复形状)的曲面测量方法和技术，能以自然方式提取物体表面的形状信息，且易于实现系统间的信息集成，尤其是该方法属于非接触测量方法，特别适合于测量由弹性模量低的易变形材料制成的零件，近年来一直是基于视觉的图像测量领域研究的难点和热点问题。本文以高分辨率的数字相机为实验手段，以光度学原理及非线性偏微分方程理论和数值解法为基础，探讨根据曲面的二维图像灰度信息获取曲面三维几何形状信息的理论和方法，并利用优化方法确定光照模型的光照参数，减小了模型参数不准确带来的测量误差，为发展由明暗恢复形状的复杂曲面(又称自由曲面)非接触测量方法和技术做一些初步的研究工作。 结合光度学原理，从实验研究入手，通过用数字相机实际拍摄的典型曲面(球面)的二维灰度图像，应用非线性最小二乘优化方法研究确定了现有的Lambert、Phong、Torrance-Sparrow和Cook-Torrance四种常用局部光照模型的光照参数，利用统计分析原理分析了这四种光照模型在当前实验条件下对实际图像灰度数据的拟合精度，并对拟合精度较高的Torrance-Sparrow光照模型加以完善和改进，发展出一种适合于曲面测量的改进光照模型。 在针对理想朗伯漫反射模型所提出的由单幅灰度图像重构曲面的理论和计算方法基础上，导出了基于改进光照模型的单幅灰度图像光照度方程，揭示出基于单幅灰度图像的曲面重构问题实质是一个非线性偏微分方程的求解问题。考虑到该方程具有病态特性，求得的解不唯一，具有一般数学物理反问题的特征，利用变分原理，将其转化为一个泛函的极小化问题，通过正则化处理，使原问题具有唯一解；然后应用有限差分思想和求解非线性最小二乘问题的方法，将泛函中的变量离散化和线性化，进而转化为一个标准最小二乘问题来求解。 为了提高曲面测量精度，本文还开展了基于单目多幅图像的曲面重构工作。以非线性最小二乘理论为基础，以典型曲面上各点的理论灰度值与实测灰度值的误差平方和最小为目标建立非线性方程组，通过求解非线性方程组来确定光照模型的各个光照参数。根据多幅图像上固定位置一点灰度值的变化列多个非线性方程，通过求解该非线性方程组，确定出各选取点的法向量；然后通过复化积分确定选取点的高度值，并利用变分和有限差分思想对所得表面进行进一步的迭代和修正，以减小重构误差。 最后对一个典型曲面——球体表面进行模拟计算和实际三维重构实验，实验和计算结果表明，本文的算法具有一定的准确性和适用性。并在Windows操作平台上，采用VC++编程技术，开发研制了基于二维图像灰度信息的三维曲面重构软件。
丁梦蛟[2]2000年在《基于视觉的复杂曲面重构理论研究》文中指出基于视觉的复杂曲面重构是近几年计算机视觉领域中引起广泛注意的问题。对其中由单帧图象获得物体表面深度（由阴影恢复形状）的各种方法进行了深入分析和探讨，在此基础上应用泛函的极小化思想推导出由单帧图象计算物体表面法矢及恢复表面深度的迭代算法，应用了高斯-牛顿算法对非线性项进行了线性化，并给出了实现算法的具体步骤。 在Windows95操作平台上，利用VC++思想进行程序设计，把产生的数据传送到CAD／CAM软件CAXA制造工程师中完成后置处理。最后，利用在数控机床上加工出的实际模型进行了验证，得到了较为满意的结果。
赵萍[3]2011年在《机器视觉测量方法及曲面重构技术研究》文中指出逆向工程作为消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术,已成为先进设计制造领域研究的热点,具有良好的应用前景和应用价值。本文针对具有特殊曲面的农机具在研制过程中存在的问题,围绕逆向工程关键技术——数字化测量、点云数据处理及曲面重构,以机器视觉测量方法和曲面构建相关技术为重点展开研究,旨在为国内、外产品技术吸收、消化及创新设计提供更为完善的方法,为新型农业机械的研制提供理论基础,主要研究内容如下：①对逆向工程中的数字化测量、点云数据处理及曲面重构等关键技术进行了阐述,总结了国内外研究现状、成果及存在问题,说明了逆向工程关键技术研究及探索其在农业领域应用的必要性,进而提出本文的研究内容与方法。②对三维数字化测量进行了研究。针对目前测量设备普遍存在边界数据误差大及不完整的问题,结合结构光测量法和双目立体视觉测量法的优点提出了基于视觉的复合式测量方法及测量方案,利用结构光测量法实现被测物体表面的测量,双目立体视觉测量法实现边界数据的提取；采用理论和试验相结合的方法,研究了双目视觉系统结构参数对测量精度的影响,在此研究结果的指导下,搭建了复合式测量系统并分析、计算了其测量范围。③研究了双目视觉测量中摄像机标定方法。阐述了摄像机成像模型,采用对比分析和试验的方法,总结了常用摄像机标定方法的优缺点；针对张式标定方法中标定模板基准点识别误差大的问题,提出了一种新的标定方法,对比试验表明：该方法精度高、受噪声影响小、对应点匹配方便。④研究了双目立体视觉测量中边界提取算法。通过试验对比分析了常用图像边缘检测算法及其特点,针对本研究提取被测对象边界轮廓的目的,采用数学形态学方法实现了图像边缘检测与连接,加强了边界的还原真实性,通过孔洞填充,避免了内部结构对边界轮廓的影响；提出了极线约束下,边界角点特征与区域匹配相结合的双目视觉立体匹配方法,该方法提高了匹配速度,降低了误匹配概率；根据双目视觉视差原理实现了被测物体边界轮廓三维数据点的获取,针对具体实例,采用试验方法,验证了所提算法的可行性。⑤对点云数据处理进行了研究。研究了基于三基准点的多视点云拼接方法,采用了人机交互模式下重叠区域数据统一,提高了运算速度,并通过试验进行了拼接误差分析；研究了数据滤波平滑方法,采用试验对比方法,分析了各种滤波方法的优缺点,提出了基于中值和均值的滤波方法,通过具体数据点实例验证了该方法的可行性及效果；研究了点云数据精简方法,采用基于颜色特征的曲率计算,实现了点云精简,达到了曲率大处数据密集,曲率小处数据稀疏的非均匀精简。⑥研究了基于点云的曲面重构理论与方法。研究了基于点云的曲面片直接拟合方法、基于曲线拟合的造型方法及曲面模型质量评价方法,给出了曲线、曲面光顺性的直观体现；结合具体实例,在Imageware软件中实现了其曲面重构和模型质量评价。⑦以犁体曲面及免耕播种破茬用倾斜波纹圆盘刀为实际样件,利用本研究搭建的测量系统及相关方法；实现了犁体曲面由样件一点云数据一曲面模型的全过程,并以其为对象,通过对比试验验证了本研究测量系统及相关方法的精度及可行性。针对倾斜波纹圆盘刀,采用逼近拟合、基于颜色特征曲率计算等方法,实现了结构参数反求,在此基础上,完成了参数化建模。
罗小宾[4]2004年在《机械产品图像识别技术及其在反求设计中的应用研究》文中研究指明随着全球经济一体化，市场竞争日益激烈，迫使企业要快速响应市场的变化和客户需求。在机械产品开发过程中，采用先进的产品设计方法和手段快速响应市场需求是企业求生存与致胜的关键因素之一。反求设计是面向21世纪新产品开发的一种先进制造模式，已成为利用现有产品进行改型、创新及快速设计的一条有效途径，它涉及几何测量、图像处理、机器视觉和CAD／CAM等技术领域，对反求设计基本原理与关键技术进行研究具有重要应用价值。 如何将实物零件／几何模型经过图像数据获取和处理，实现三维模型重构、交互设计和创新设计，以便于快速成型投放市场是反求设计研究的一个关键技术问题。资料统计表明，视觉信息来源占人类获取信息的70％以上，在通过获取产品数字化信息而进行产品反求设计过程中，图像信息的获取和处理占十分重要的地位，对基于图像处理的反求设计方法研究具有重要的理论意义和应用价值。目前，基于视觉的机械产品三维重建是困扰广大研究者的一道难题，属于本学科领域研究的一个前沿问题。本论文作者在综述反求设计研究现状和发展趋势的基础上，以四川省应用基础研究课题“机械产品三维快速检测与反求设计方法的研究”为背景，重点进行基于图像处理的集成反求设计的关键技术与实施方法研究，建构基于图像处理的集成反求设计系统的体系结构。本论文在理论探讨和应用研究的主要内容和特色如下： (1) 通过快速响应工程与实现快速设计方法研究概况和关键技术的综述分析，阐述了反求设计的工作原理和应用前景。较深入地研究了基于图像处理的集成反求设计的数字化建模技术，构建了一种基于特征识别的机械产品动态约束的信息模型，提出了基于知识的反求设计体系结构的体系模型。采用UML建模语言把基于图像处理的集成反求设计的各个子系统的功能集成在一起。 (2) 针对应用计算机视觉原理实现三维实物数字化的需求，探讨了计算机视觉成像方法，分析论述了参考图像中对应关系的建立、图像深度信息处理及光照模型等问题。对于图像数据获取中存在噪声问题，提出了一种新的自适应中值滤波算法，把多个方向的子窗口同时作用于该象素，比较这些子窗口的灰度一致性，然后选择灰度一致性较高的子窗口的中值，作为处理后的该象素四川大学博士学位论文的灰度值。以一种标准中值滤波算法与本自适应算法进行测试图像和实际图像对比实验，本算法在去噪效果和细节保护特性方面均优于标准中值滤波方法。 (3)在基于图像处理集成反求设计模型的基础上，提出了一种基于ICT图像的局部曲面重建的实体建模方法，分析了基于光线追踪的体绘制算法的原理和影响显示效率的因素，提出了改善机械产品体绘制效率的方法。开发了集成反求设计的SCU一IRE实验系统，并进行应用验证。 (4)根据机械产品分类识别的需要，将模糊系统与神经网络算法相结合，提出了一种改进的模糊神经网络(FNN)新算法，采用了一种新颖的鲁棒最小二乘法RLS与BP算法相结合的RLSBP学习算法，使用模糊数学方法将一组机械零件已有的知识转变为规则，按本文所提出的算法对这些机械零件自动识别，有较好的识别效果。 (5)针对DavidM时的视觉计算理论的缺陷，较深入研究了主动视觉方法，采用基于注意机制算法，构建了一种以任务驱动，由上到下的模式，采用Mallat多分辨率边缘检测方法，进行显著特征影射的模型系统的初步探讨。模拟了生物视网膜对视觉信息非均匀采样及生物视觉具有选择注意能力的特点，采用改进的采样模式处理感兴趣的区域扭oI)。在应用中，结合小波等算法对图像数据处理，利用目标的多尺度特征，合理分配计算资源，达到实时高效对物体快速检测和识别的目的。构建了基于视觉的多DSP在线检测系统的框架结构，并探讨了其实施的关键技术。设计了使用该算法的图像采集卡，再使用注意机制算法在工厂实验中进行验证。关键词:机械产品，反求设计，数字化，重构，特征识别，图像处理，模糊神 经网络，注意机制
刘超[5]2009年在《基于点云数据的人体头发的三维重建》文中提出本文结合浙江省自然科学基金项目“快速原型技术在组织器官数学化修复中的应用”,深入的研究了散乱点云采集、预处理及自由曲面重构技术。基于节点参数校正的NURBS四边域曲面重构方法的提出,大大提高了产品模型重构的速度和精度,减少后处理的难度,增强了重构模型的可操作性,缩短产品模型重建的生命周期。依照自己研究改进的NURBS曲线曲面重构算法,以Windows Vista为开发平台,以Visual C++6.0为开发环境, MFC为基础,并结合OpenGL开发三维图形重构系统,生成NURBS曲面模型。并通过与Geomagic Studio 9.0软件重构的模型进行对比,判断NURBS曲面模型的准确和可操作性。基于节点参数校正的NURBS四边域曲面重构算法使网络划分能够更好地适应曲面的曲率变化特性,这在进行曲面的应力分析和功能测试上具有重要的意义,也为数控加工和快速成型工艺等后续加工带来极大的便利。
陈程[6]2014年在《基于双目计算机视觉的三维重建技术研究》文中进行了进一步梳理随着计算机技术的飞速进步和发展,为了能让三维图形信息获得更高效、更精确乃至更多样化的处理,计算机视觉这门科学便应运而生了。在计算机视觉里,双目计算机立体视觉是一个非常重要的分支,它主要利用视差的原理,通过一对标定好的摄像机从不同的角度来拍摄被测物体,从而获取其二维图像信息,并在计算机中对该二维信息进行立体匹配等处理,最终获得物体的三维数据。由于双目计算机立体视觉系统与人类的视觉系统最相近,再加上其环境适应性强、实现手段灵活和费用低廉等优势,它在科研乃至工业生产中都得到了相当广泛的应用。本文研究的是双目计算机立体视觉系统中的三维重建技术,即利用通过立体匹配而获得的物体三维点云,在计算机中还原出物体的表面结构。其主要研究内容如下：(1)研究了一种较新的隐式曲面重构法,即基于泊松(Poisson)方程的三维重建算法,并分析了在被测物体采样点不均匀的情况下Poisson算法所采取的应对策略。(2)研究了一种较新的基于Voronoi图的曲面重构法,即Powercrust三维重建算法,并通过对Powercrust算法的原理和时间复杂度进行了深入的分析之后,提出了一种快速Powercrust算法,它能在缩短算法运算时间的同时,又保证一定的重建精度。(3)通过编程实现Poisson、Powercrust以及快速Powercrust三维重建算法,并通过调整这些算法的主要参数,对这三个算法在重建时间、重建面数和重建效果方面进行了一个综合的比较,最后总结出它们各自的特点。
宋磊[7]2010年在《基于逆向工程的肺气管建模及应用技术研究》文中研究表明自由曲面造型是逆向工程的重要研究内容,造型的精度和质量是实现快速制造高质量零件的重要保证。因此研究基于扫描点云的自由曲面造型技术具有重要的理论意义和实用价值。论文针对肺气管的实物模型,通过CMM扫描获取样件“点云”数据,经过分析和预处理,建立肺气管的曲线曲面的数字模型,反求出样件的CAD模型并对其结构进行分析,试图找出人体肺部支气管与汽车排气系统相似性,为汽车排气系统设计提供仿生依据。通过三坐标测量机(CMM)编程,获得支气管模型样件表面轮廓的三维点云数据信息,研究了“点云”数据的噪声来源、噪声分类、去噪、数据平滑、数据精简和数据拟合技术。在弦高差法去除“跳点”的基础上,根据“点云”噪声特点采用权重可调的高斯低通滤波器对“点云”进行平滑滤波处理,以三点曲率估计为基础,建立了多点曲率估计法,完成了基于曲率变化的数据精简。分析了曲面重构的基本方法,采用三角Bezier曲面为基础的三边域曲面重构方法以Geomagic Studio软件为工具,对获得的肺气管“点云”进行了曲面重构,重点分析了从点到多边形以及最终形成曲面的参数设置问题。针对重构精度问题,论文借用曲面轮廓度的概念,从公差带的角度对重构几何误差进行了定量地的分析,获得了重构曲面对“点云”的偏差分布。另一方面,在分析曲面光顺度及曲面品质分析方法的基础上,借用Imageware结合重构曲面的反射线分析图、斑马线分析图、曲率分布图和真实感图,对重构表面的视觉品质进行了综合评价。论文在分析支气管的解剖结构及其生理功能的基础上,获得了肺气管的结构参数。研究了支气管通气波纹状管道随环境改变而自动扩张和收缩的机理,与汽车排气系统的功能进行对比分析,找出二者之间的相似点,进而提出了一种基于肺气管结构的管壁为波纹状的汽车排气系统设计思想,为汽车排气系统设计提供了一种新的思路。
慈瑞梅[8]2005年在《基于CMM测量数据的曲面重构关键技术研究与实现》文中指出作为近年来先进制造领域的研究热点，逆向工程已发展为CAD／CAM系统中一个相对独立的研究分支，其相关领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几何造型和数字化制造等。 曲面重构是逆向工程的关键技术之一。本文对逆向工程中曲面重构的关键技术进行了详细而深入的研究，研究了数据处理技术、NURBS曲面重构技术和三角剖分算法，目的是为武器产品技术吸收、消化及创新开发提供更加完善的手段和方法，为开发实用的逆向工程软件奠定基础。 本文首先研究了坐标变换、坐标归一化和数据滤波的数据预处理技术。以此为前提，提出了基于分层维的数据排序方法，针对CMM扫描线数据，定义了分层维，并进行了数据分层和数据排序，完成了数据拓扑关系的建立。以数据拓扑结构的建立为基础，研究了距离阈值法和向量角度法相结合的数据精简算法。重点研究了基于分层维的特征提取技术，完成了各类不连续点(跳跃点、尖点、折痕点以及曲率极大值点等)的特征提取。研究了基于特征线框的数据分块技术。 以基于分层维的数据处理技术研究为基础，本文提出了一种利用数据点特征的非均匀有理B样条(NURBS)曲面重构方法。针对数据点的分布不均匀性，通过累积弦长法构造非均匀节点矢量，保证了曲面的插值精度。研究并优化了B样条求值的快速算法，通过符号运算将B样条基函数描述为分段多项式的形式，通过分层维的设定来确定最小初始化数组，利用一个临时多项式存储中间计算结果，最终在大规模计算时，进行的是多项式的求值。这样不仅大大加快了B样条求值的运算速度，而且通过最小初始化数组的确定以及多项式数组的重复迭代覆盖，使计算获得较高的空间利用率。 根据逆向工程中散乱数据点规模越来越大的趋势，为缩小剖分时搜寻和遍历数据点的空间范围，为提高算法效率，本文研究了大规模散乱数据的空间划分方法及相应的数据结构和编码方案。在分析典型平面及空间散乱数据三角剖分算法思想的基础之上，提出并实现了基于微元网格扩张的三维散乱数据点的空间直接三角剖分算法，首次提出了外连剖分和内连剖分的概念。该算法能在线性时间内完成三角剖分计算，其总体计算复杂度为O(N)，有效地降低了三角剖分算法的时间复杂度，提高了剖分后网格的质量。 在上述研究的基础上，分析了逆向工程系统的开发方法和包含的软件模块，开发了软件原型系统。以施密特望远镜关键零件-主镜室和底支撑的反求设计为例说明了
郝平[9]2005年在《基于图像灰度的自由曲面重构算法研究》文中研究说明利用图像灰度信息重构物体三维表面(简称SFS,Shape from Shading)的方法是一种重要的非接触曲面测量手段,在遥感、工业测量、模式识别、产品监控、显微测量等领域都有着广阔的应用前景,近年来成为基于视觉的曲面测量领域研究的热点和难点问题。但是现有的SFS方法仍存在曲面重构精度较低、在图像辐射度方程的迭代求解过程中容易发散以及光照方向参数测量过程复杂等难以解决的问题,整个理论体系还不完善。本文详细介绍了SFS方法与其它测量方法相比所具有的优势、现有的SFS方法曲面重构原理及其国内外研究现状。分析了现有的SFS方法中存在的问题,针对这些问题提出了相应的解决方法,并通过实验验证了本文所提出的算法,力求对SFS方法理论的完善做出贡献,希望能够推动SFS方法从理论研究转化到实际应用中。 现有的SFS方法集中研究基于Lambert光照模型的图像辐照度方程逆向求解算法,Lambert光照模型是一个经验模型,未能考虑观察方向和物体表面粗糙度对光反射强度的影响,无法客观地描述光反射现象的物理过程。因此,近年来虽然提出各种SFS方法所对应的非线性偏微分方程组的求解算法,但是曲面重构结果的精度始终未能获得较大突破。本文针对光反射现象进行了详细分析,忽略了一些对SFS方法影响较小的光反射分量,将反射光分为漫反射分量和镜面反射分量,以基于光度学和辐照度学理论推导得到的高精度物理光照模型Oren-Nayar模型为基础,根据SFS方法的特点简化了Oren-Nayar光照漫反射模型,并对其增加了镜面反射分量,将光的漫反射分量和镜面反射分量加权相加构成适用于SFS方法的光照模型。该光照模型比传统的几何光照模型精度高,对物体表面粗糙度没有限制,并具有相对简单的数学表达形式,满足了SFS方法的需要。 本文针对改进的光照模型提出了相应的SFS方法的最小化算法。由于SFS方法本身是对一个病态的非线性偏微分方程进行求解,所以在求解过程中需要增加光强约束条件、表面光滑约束条件和表面可积性约束条件,使之转变为可以迭代求解的问题。在迭代求解过程中给出了边界条件和收敛判据,分别基于Lambert光照模型和改进的光照模型对已知形状曲面图像进行重构,通过对重构精度的比较验证了改进的光照模型可以提高重构曲面的精度。同时,本文利用改进的光照模型及其相应的图像辐照度方程逆向求解算法对不同类型的曲面图像进行重构,验证了该光照模型及其相应的SFS算法具有普遍适用性。 由于非线性偏微分方程的迭代求解算法复杂,在迭代过程中经常收敛到极小值。因此,本文提出一种基于神经网络模型间接求解曲面高度的方法,将神经网络模型看作是光照模型及辐照度方程逆向求解的非线性逼近函数,将形状已知的曲面图像中某一点的灰度、其邻域内点的灰度以及该点的光照条件参数作为输入参数对网络模型进行训练,
朱粉英[10]2015年在《覆盖件面板曲面重构与回弹的数字化评测》文中研究指明回弹是汽车覆盖件成形过程中不可避免的物理现象,建立简便、高效的回弹评测方法,对于指导模具修整、提高产品质量和缩短生产周期都具有重要意义。覆盖件表面存在的微小突起、凹陷之类的缺陷,和回弹属于不同尺度的形变,后续处理工艺和手段亦不相同。在回弹评测时必须去除局部缺陷的影响,避免因回弹评测错误对进一步的修模造成影响。曲面重构是基于逆向工程的回弹数字化评测的前提和基础,其中,重构过程中的特征保持性是其难点所在,而点云模型的法矢评估是其关键问题。通过前处理过程去除点云模型中的离群点和显著的噪声点,在此基础上,采用加权主成分分析方法(Weighted Principal Component Analysis,WPCA)进行法矢评估;按照尽可能使传播过程沿着接近于曲面切矢方向进行的原则给出法矢传播时的优先度量准则,对法矢进行一致化处理。采用各向异性投影技术和特征区域增采样技术,使特征两边区域在法矢评估时不会相互影响。试验结果显示,曲面重构结果能够很好地保持锐边几何特征。针对回弹基准点的人工指定与自动对齐方法的有机融合问题,手工指定回弹评测基准点,给定这些基准点以足够大的权值,以软约束的方式加入ICP求解系统,构成加权ICP算法,最终在融合基准约束条件下对齐模型。一方面可以考虑回弹基准参考点的影响,另一方面又可平均分布基准点位置误差,尽可能减小基准点位置误差对回弹评测的整体影响,同时与经典ICP算法具有相同的求解框架,降低算法的复杂度。
参考文献：
[1]. 反求工程中基于图像灰度信息的三维曲面重构研究[D]. 乌秀春. 大连理工大学. 2002
[2]. 基于视觉的复杂曲面重构理论研究[D]. 丁梦蛟. 大连理工大学. 2000
[3]. 机器视觉测量方法及曲面重构技术研究[D]. 赵萍. 沈阳农业大学. 2011
[4]. 机械产品图像识别技术及其在反求设计中的应用研究[D]. 罗小宾. 四川大学. 2004
[5]. 基于点云数据的人体头发的三维重建[D]. 刘超. 吉林大学. 2009
[6]. 基于双目计算机视觉的三维重建技术研究[D]. 陈程. 广东工业大学. 2014
[7]. 基于逆向工程的肺气管建模及应用技术研究[D]. 宋磊. 西安理工大学. 2010
[8]. 基于CMM测量数据的曲面重构关键技术研究与实现[D]. 慈瑞梅. 南京理工大学. 2005
[9]. 基于图像灰度的自由曲面重构算法研究[D]. 郝平. 大连理工大学. 2005
[10]. 覆盖件面板曲面重构与回弹的数字化评测[D]. 朱粉英. 华侨大学. 2015
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