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三維曲面量測與影像疊合 3D Image Measurement and Surface Matching Techniques 報告人： 修平技術學院機械工程系 蔡 東 憲 2005/3/

三維曲面量測與影像疊合 3D Image Measurement and Surface Matching Techniques 報告人： 修平技術學院機械工程系 蔡 東 憲 2005/3/. 大綱. 一、相關文獻回顧 二、三維雷射輪廓掃瞄量測原理 三、可變焦距視覺量測系統 四、雷射掃瞄線中心位置檢測 五、曲面影像疊合分析 六、具陡峭斜率曲面工件量測 七、連續分次掃瞄量測與立體輪廓掃瞄量測 八、 360 度旋轉量測與轉盤偏差校正 九、討論. 前言. •光學量測系統 1 . 快速：複雜、大型曲面工件的外形輪廓量測

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三維曲面量測與影像疊合 3D Image Measurement and Surface Matching Techniques 報告人： 修平技術學院機械工程系 蔡 東 憲 2005/3/

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Presentation Transcript

  1. 三維曲面量測與影像疊合 3D Image Measurement and Surface Matching Techniques 報告人： 修平技術學院機械工程系 蔡 東 憲 2005/3/

  2. 大綱 一、相關文獻回顧 二、三維雷射輪廓掃瞄量測原理 三、可變焦距視覺量測系統 四、雷射掃瞄線中心位置檢測 五、曲面影像疊合分析 六、具陡峭斜率曲面工件量測 七、連續分次掃瞄量測與立體輪廓掃瞄量測 八、360度旋轉量測與轉盤偏差校正 九、討論

  3. 前言 •光學量測系統 1.快速：複雜、大型曲面工件的外形輪廓量測 2.粗糙且準確度較差 3.固定焦距式鏡頭：系統缺乏調整量測解析度的彈性 •可變焦距鏡頭光學量測系統 1.快速系統參數校正程序 2.彈性調整系統量測解析度（雛形輪廓曲面與局部陡峭曲面） •曲面影像疊合 粗細不同網格的曲面影像疊合（建構完整資料點群）

  4. 相關文獻回顧 •非接觸式三維輪廓量測▽ •影像疊合 1. Controlled Motion (簡單、影像範圍受限、系統定位精度) 2. Feature-based Correspondence (適合影像識別、受限控制點及特徵值誤差、需足夠 特徵值) 3. Nonlinear Programming ▽ (最佳化設計理論取得座標轉換參數、局部極小值問題)

  5. 非接觸式三維量測 •條樣投射法（黑白、正弦、特殊條紋） 高低起伏－平移量（受限於圖案、遮蔽及陰影） •疊紋投射法 高低起伏－疊紋（視野及深度受限） •三角量測法 三角幾何－空間位置（受限於位置及系統參數校正） •視角法（單視角、多視角） 2D影像座標－3D空間座標（受限於資料處理及控制點） △

  6. 二、三維雷射輪廓掃瞄量測原理

  7. 三角量測法與影像處理 •三角量測法▽ •影像濾波 1.平均濾波 2.加權濾波 3.高斯濾波 •校正片邊緣檢測： 1.濾波 2.邊緣強化 3.搜尋 4.定位（zero-crossing▽）

  8. 三角量測法 △

  9. Zero-Crossing Method

  10. 三、可變焦距視覺量測系統

  11. 可變焦距視覺量測探頭

  12. 鏡頭規格特性

  13. 系統參數校正 •分段倍率個別校正

  14. 系統參數校正 •整體校正

  15. 系統整體定位參數校正程序

  16. ﹡擬合函數的參數校正

  17. 變動焦距時本質參數的變化關係 •攝影機模型的本質參數 外部參數：攝影機位置及方位 內部參數：鏡心座標(Po,Qo)、水平垂直倍率(Su , Sv)、 影像座標軸歪曲角度(α) •變動焦距時本質參數的變化關係 Sturm(1997)提出各本質參數於變動焦距時具線性關 係，其關係為： Su = 1.466 Sv. P0 = 0.060 Sv+184.44. Q0= -0.007 Sv +273.19.

  18. 變動焦距時鏡頭參數擬合法則 設： (Um ,Vm) : 鏡頭倍率為 m 時空間點在影像平面的座標 (U*m ,V*m) : (Um ,Vm)相對應於m=1時影像平面的座標 則各不同倍率間影像平面座標的轉換關係可用下式擬合 (1) (2)

  19. 參數擬合法則 因內部參數間為線性關係，故(1)及(2)式可改寫成： (3) (4) 其中Ai (i=1,2,…,9) 及Bi (i=1,2,…,9) 即為欲擬合的參數

  20. 鏡頭參數擬合原理示意圖與標準片

  21. 擬合參數的計算 七組(m=1.0,1.25,1.5,1.75,2.0,2.5,3.0)不同倍率時的影像平面座標(Um,r ,Vm,r) (r=0,1,….,29)，其與倍率為1時的影像平面座標(Ur ,Vr)間的最小平方擬合誤差函數為： (5) (6) 故分別求解 即可得擬合參數Ai及Bi△

  22. 影像平面座標與空間座標對映函數(Tai, 1996) 校正標準片 原理示意圖

  23. 對映函數參數的計算 (Yk, Zk) : 表空間已知座標 (U*1,k ,V*1,k) : 表(Yk, Zk) 對應於m=1時影像平面座標，則二 者間對應關係以多項式擬合： (7) (8) 為對映函數參數，而其誤差函數為： 其中 故分別求解 即可求得對映參數 △

  24. 影像座標轉換的擬合誤差

  25. 各個校正標準點影像座標轉換的誤差

  26. 空間座標轉換的計算誤差

  27. 各個校正標準點其反算的空間座標誤差

  28. Y軸量測精度（樣版長度18.021mm）

  29. 不同倍率時量測蝕刻樣版的精度變化趨勢

  30. Z軸量測精度（平板厚度2.055mm）

  31. 不同倍率時量測平板的精度變化趨勢

  32. 四、雷射掃瞄線中心位置檢測

  33. 雷射掃瞄線灰度值分佈 TEM00軸對稱Gaussian函數分佈 或 倍率為1時攝影機擷取的雷射光強度分佈 理想的雷射線灰度值分佈

  34. Zero-crossing Method(ZC Method) Centroid Method (CM ) Fourier Phase Shift Method (FPS Method) 常用條紋中心位置檢測法

  35. 傳統雷射掃瞄線中心位置檢測 1. Zero-crossing Method: 雷射線中心位置的座標 (運算快速、受雜訊干擾影響大)

  36. 傳統雷射掃瞄線中心位置檢測 2. Centroid Method (CM ) 雷射線中心位置的座標 (雷射強度及穩定性需高、抗雜訊干擾性大)

  37. 傳統雷射掃瞄線中心位置檢測 3. Fourier Phase Shift Method (FPS Method) 頻率的相角變化： 相角變化對頻率為過原點的直線，其斜率為 (最小平方法求直線斜率) 故函數的平移量d為 （計算複雜、高記憶體容量）

  38. 平滑化曲線擬合檢測法(SCF Method) 取對數值 令 則上式可得 （頂點為d的拋物線） （利用最小平方法求出函數參數 ） 故雷射線中心位置即為頂點：

  39. 檢測法執行步驟 1. 影像平均濾波。 2.設定擷取閥值。 3.搜尋每一水平列上最大灰度值所在的像素位置，判斷其是 否為雷射線並計算雷射線分佈所佔的像素個數N。 4.高斯濾波以平滑化分佈函數，並計算每個像素灰度值的對 數值。 5.將此組N個像素所對應的對數值，以最小平方法擬合求得 二次拋物線參數 ， 則雷射線中心位置為：

  40. 優點 • 1.動態設定擷取閥值，可適當去除環境雜訊干擾。 • 2.高斯濾波平滑化分佈函數，濾除高頻雜訊干擾。 • 3.以像素灰度值的對數值為統計資料，可提高雷射光強度的 • SNR值，增加抗干擾能力。 • 4.降低單一像素灰度值擾動的影響。 • 5.彈性調整曲線擬合的像素個數，可藉由較多的擬合資料點 • 來削減因倍率提高導致雷射寬度變寬、強度減弱所產生的 • 影響。

  41. 量測結果比較（倍率為1）

  42. 量測結果（倍率為3）

  43. 量測結果（平板厚度2.055mm）

  44. SCF與ZC法的量測結果

  45. SCF與CM法的量測結果

  46. 五、曲面影像疊合分析

  47. 曲面影像疊合分析 不同位置量測的待測物局部資料點群

  48. 曲面影像疊合分析 不同位置量測的待測物局部資料疊合成完整點群

  49. 曲面影像疊合分析 以非線性規劃法來疊合不同位置取得的各曲面影像，其疊合的主要步驟包括： 1.人機初始疊合 2.目標函數的建立 3.最佳化搜尋座標轉換參數 4.合併資料並分析疊合誤差

  50. 目標函數取得的流程圖

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