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機器視覺實驗報告 目錄 一 實驗名稱 2 二 試驗設備 2 三 實驗目的 2 四 實驗內(nèi)容及工作原理 2 （一）kinect for windows 2 （二）手持式自定位三維激光掃描儀 3 （三）柔性三坐標測量儀 9 （四）雙面結構光 10 總結與展望 14 參考文獻 16 《機器視覺》實驗報告 1、 實驗名稱 對kinect for windows、三維激光掃描儀、柔性三坐標測量儀和雙面結構光等設備結構功能的認識。 2、 實驗設備 kinect for windows、三維激光掃描儀、柔性三坐標測量儀、雙面結構光。 3、 實驗目的 讓同學們對機器視覺平時所使用的儀器設備以及機器視覺在實際運用中的具體實現(xiàn)過程有一定的了解。熟悉各種設備的結構功能和操作方法，以便于進行二次開發(fā)。其次，深化同學們對機器視覺系統(tǒng)的認識，拓寬同學們的知識面，以便于同學們后續(xù)的學習。 4、 實驗內(nèi)容及工作原理 (一) kinect for windows 1. Kinect簡介 Kinectfor Xbox 360，簡稱 Kinect，是由微軟開發(fā)，應用于Xbox 360 主機的周邊設備。它讓玩家不需要手持或踩踏控制器，而是使用語音指令或手勢來操作 Xbox360 的系統(tǒng)界面。它也能捕捉玩家全身上下的動作，用身體來進行游戲，帶給玩家“免控制器的游戲與娛樂體驗”。 2012年2月1日，微軟正式發(fā)布面向Windows系統(tǒng)的Kinect版本“Kinect for Windows”。 2. 硬件組成 Kinect有三個鏡頭[1]，如圖1-1所示。中間的鏡頭是 RGB 彩色攝影機，用來采集彩色圖像。左右兩邊鏡頭則分別為紅外線發(fā)射器和紅外線CMOS 攝影機所構成的3D結構光深度感應器，用來采集深度數(shù)據(jù)（場景中物體到攝像頭的距離）。彩色攝像頭最大支持1280*960分辨率成像，紅外攝像頭最大支持640*480成像。Kinect還搭配了追焦技術，底座馬達會隨著對焦物體移動跟著轉(zhuǎn)動。Kinect也內(nèi)建陣列式麥克風，由四個麥克風同時收音，比對后消除雜音，并通過其采集聲音進行語音識別和聲源定位[2][3]。 圖1-1 3. Kinect應用開發(fā)匯總 1) 虛擬應用 Kinect試衣鏡，這款基于kinect體感技術的神奇的試衣鏡，讓客戶可以快速的試穿衣服，提高銷售效率和企業(yè)形象。 2) 3D建模 3D攝像機，用兩個KINECT實現(xiàn)3D攝像機的基本效果。雕塑工具，立等可取Kinect成街頭快速人像雕塑工具，利用Kinect對人體進行3D建模，然后根據(jù)人體的3D信息，連接相應的塑模設備，塑造出人體塑像。 3) 機械控制 用Kinect 操控遙控直升機。Kinect Robo，使用Kinect作為機器人的頭，通過kinect檢測周圍環(huán)境，并進行3D建模，來指導機器人的行動。 4) 虛擬娛樂 Kinect破解“初音”，將體感控制應用到漫畫人物——初音上。Kinect破解玩光劍，Kinect檢測玩家的動作，虛擬出光劍的影像，與之隨動。 5) 計算機相關應用 Kinect手勢操作瀏覽器，通過Kinect手勢對瀏覽器進行翻頁，下拉，放縮等操作。 6) 虛擬實驗 Kinect蠟筆物理，使用Kinect手勢繪圖，通過體感控制所繪圖形，并使之具有物理特性，比如重力，吸引力等。 此外，它還具有檢測識別人的表情，利用骨架跟蹤技術模仿人的動作，還可以完成物體的測距等其他功能。 (二) 手持式自定位三維激光掃描儀 1. 三維激光掃描儀簡介 手持式自定位三維掃描儀的外觀[4],如圖2-1所示。 三維激光掃描儀其結構和組成包括：相機、LED發(fā)光燈以及觸發(fā)器等，其結構組成，如圖2-2所示。 圖2-1三維掃描儀的外觀 圖2-2三維掃描儀的結構 2. 手持式三維掃描儀功能 創(chuàng)建物體幾何表面的點云（point cloud），這些點可用來插補成物體的表面形狀，越密集的點云可以創(chuàng)建更精確的模型（這個過程稱做三維重建）。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進一步在重建的表面上粘貼材質(zhì)貼圖，亦即所謂的材質(zhì)印射（texture mapping）。在工業(yè)中主要用于逆向工程，在文物修復也起到至關重要的作用。 3. 手持式三維掃描儀的優(yōu)點 1) 高分辨率：檢測每個細節(jié)并提供極高的分辨率。 2) 高精度：提供無可比擬的高精度，生成精密的3D物體圖像。 3) 非接觸式檢測：非接觸檢測不會對物體造成損傷。 4) 雙掃描模式：用戶可使用安裝在設備頂部的按鈕在正常和高分辨率掃描模式之 間切換。正常分辨率對于大型部件和動態(tài)掃描十分有用，而高分辨率專用于要求嚴格的復雜表面。 1) 2) 3) 4) 4. 手持式三維掃描儀的缺點 造價比較高，三維重建過程中會存在一定的誤差，遮擋部分無法掃描出來。 5. 掃描軟件的介紹 VXSCAN掃描軟件的界面[5]，如圖2-3所示。 圖2-3 VXSCAN掃描軟件的界面 6. 掃描方法 1) 工件準備 1 貼點定位 反光點必須以最小20毫米隨機地粘貼于工件表面。如果表面曲率 小，距離可以達到 100 毫米。這些反光點使得系統(tǒng)可以在空間中完成自定位。定位點粘貼時必須離開邊緣12 毫米以上。 下面，這是合適的點分布樣例，如圖2-4，圖2-5所示。 圖2-4合適的定位點布 避免定位點過密 避免線形排列或有規(guī)律地分布 圖2-5不適合的定位點分布 2 參考系配件 插入?yún)⒖枷禃r要用到可以被 VXSCAN 自支識別的參考系配件。 2) 啟動掃描軟件/VXSCAN 點擊桌面上或開始菜單里的 VXSCAN 圖標快捷方式啟動 VXSCAN 應用程序。 3) 調(diào)整表面設定 在菜單中點擊 View----Surface，或點擊樹狀圖中的面節(jié)點/Surface，則出現(xiàn)下面的擴展面板，如圖2-6所示。 圖2-6 Surface 模式擴展面板 4) 配置傳感器/Configuring the sensor 配置激光強度與相機快門速度根據(jù)掃描的情況而定（工件的材質(zhì)、光線、顏 色、結構……），配置窗口，如圖2-7所示。 圖 2-7 傳感器配置窗口 5) 調(diào)入定位點/Importing positioning targets 在 VXSCAN 中只可以辨識 HANDYSCAN 3D 定位點，其他反光點不可用。調(diào)入的資料必須由三個座標值陣列（X/Y/Z）組成，座標值為反光點的中心位置。被調(diào)入的反光點會以圓狀呈現(xiàn)，因為VXSCAN 并不能確定它們的方向。在掃描時，它將利用這些中心來辨識模型添加為正常的面。 6) 獲得數(shù)據(jù)/Acquiring data 點擊菜單中 scan-----Record Scan，或 f 點擊工具欄中來開始掃描。用一只手拿起掃描頭距離被掃描物約 300 毫米。讓十字激光總是照在被掃描物上，可以按下掃描頭上的 preview 按鈕先行預覽。 7) 合適的掃描距離 距離計量器 掃描時，會在三維查看器左側(cè)出現(xiàn)一個條狀計量器來說明掃描頭與被掃描物 之間的距離，掃描頭頂上的三個 LED 發(fā)光點（紅、綠、紅）也同樣是一個距離 計量器，可參閱下面圖2-8，圖2-9。 圖2-8 合適距離時距離計量哭及掃描頭的指示 圖2-9 距離過遠時距離計量器與掃描頭的指示 8) 編輯掃描數(shù)據(jù) 設定微面模式，刪除被掃描工件的局部。點擊菜單中 View----Facets 或樹狀 圖中的 Facets 節(jié)點，通過點擊 Edit Facets 按鈕來選擇編輯模式。 9) 保存結果 利用“Save session”選項來保存整個掃描以備以后在 VXSCAN 中進行編輯。 這樣保存的數(shù)據(jù)最為完整，并可以被恢復和再調(diào)入進行繼續(xù)掃描。 (三) 柔性三坐標測量儀 1. 結構組成 包括機械臂，球探針、支架探針末端組件位于離基座最遠的那個點。該組件可自由旋 轉(zhuǎn)，帶有兩個控制按鈕 （紅色和綠色）以及兩個圓形 LED 指示燈，可為用戶提供視覺反饋[6]。該組件用于探針和手柄附件的連接。結構組成，如圖3-1所示 圖3-1 柔性三坐標測量儀結構組成 2. 功能 可以幫助生產(chǎn)制造企業(yè)通過現(xiàn)場檢測、設備認證、CAD-to Part分析等即可輕松驗證 產(chǎn)品、品質(zhì)，甚至可以進行逆向開發(fā)。檢驗，逆向工程，CAD數(shù)模分析，以及任何需要硬側(cè)頭接觸式測量的高精度檢測。此外，測量儀的探針具有自動補償?shù)墓δ?，可以提高測量的精度。 3. 測量的實現(xiàn) 柔性三坐標測量儀可以以面來進行測量，也可以以線來進行測量。首先選擇測量的模式，然后開始取樣點，取到的點經(jīng)確認過后才輸入系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)進行保存，由軟件導出測量的模型。 注意：測量過程中要注意測量臂的彎曲程度，測量臂有一定的工作空間范圍，超過范圍即報警提示，如圖3-2所示。 圖3-2 Edge限位警告 (四) 雙目結構光 1. 結構組成 雙面結構光由兩臺攝像機和一臺投影設備組成，分別負責數(shù)據(jù)的采集和格雷碼的投影。 其組成[7]，如圖4-1所示。 2. 原理 單目結構光視覺系統(tǒng)的大致原理：是通過三角原理（線、面求交）求解空間點的坐標。 如圖4-2所示 測量方法：首先，投影設備投射格雷碼光束，光束打在物體上，其效果，如圖4-3所示。然后不斷將光束細化，依次投射格雷碼圖像（如圖4-4所示）、相移圖像至空間場景中。再進行數(shù)據(jù)處理分析，由結構光系統(tǒng)的標定結果和測量圖片，求解各個像素點對應的空間坐標。再進行后續(xù)點云的處理：a、單次測量：去除離群點、點云的網(wǎng)格化。b、物體重建：依次確定各個視點位置，對不同視點下的數(shù)據(jù)進行配準和拼接。最后得到物體模型[8]，如圖4-5所示。 圖4-1雙目結構光測量系統(tǒng)結構及原理 圖4-2單目結構光視覺系統(tǒng)的大致原理 圖4-3投射光束到物體 圖4-4細化后的格雷碼圖像 圖4-5物體模型 總結與展望 機器視覺是一門涉及人工智能、神經(jīng)生物學、心理物理學、計算機科學、圖像處理、模式識別等諸多領域的交叉學科.機器視覺主要利用計算機來模擬人或再現(xiàn)與人類視覺有關的某些智能行為，從客觀事物的圖像中提取信息進行處理，并加以理解，最終用于實際檢測和控制.主要應用于如工業(yè)檢測、工業(yè)探傷、精密測控、自動生產(chǎn)線、郵政自動化、糧食選優(yōu)、顯微醫(yī)學操作以及各種危險場合工作的機器人等 [9]。 機器視覺是一項綜合技術 ,其中包括數(shù)字圖像處理技術、機械工程技術、控制技術、光源照明技術、光學成像技術、傳感器技術、模擬與數(shù)字視頻技術、計算機軟、硬件技術和人機接口技術等。它是實現(xiàn)精確定位、精密檢測、自動化生產(chǎn)的有效途徑，同時它具有實現(xiàn)非接觸測量、具有較寬光譜相應范圍、可長時間工作等優(yōu)點，因此已廣泛應用于各個領域,如工業(yè)制造、醫(yī)學、導航和遙感圖像分析等。雖然機器視覺技術從20世紀80年代才開始起步，但由于其突出的優(yōu)點，在各種工業(yè)領域被廣泛應用，特別是近幾年發(fā)展十分迅速，國內(nèi)外的成果也是層出不窮[10]。 隨著科學技術的不斷發(fā)展，機器視覺發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出價格持續(xù)下降，功能逐漸增多，產(chǎn)品小型化，集成產(chǎn)品增多。機器視覺技術也將越來也融入到我們的日常生活中來，人工智能的發(fā)展不斷改變著我們的生活方式，例如家庭服務機器人的出現(xiàn)，可以很大程度上改善我們生活，還可以幫助一些殘疾人實現(xiàn)生活的自理。相信在不遠的未來，機器視覺隨著它功能的越來越強大，可能會超過我們?nèi)说难劬?，實現(xiàn)目標物體的快速識別分割提取與定位。機器視覺技術大大提高了裝備的智能化、自動化水平,提高了裝備的使用效率、可靠性等性能.隨著新技術、新理論在機器視覺系統(tǒng)中的應用,機器視覺將在國民經(jīng)濟的各個領域發(fā)揮更大的作用。 在一些實際應用中機器視覺還有一定的局限性，容易受到外界光照等場景的干擾，有時物體表面還會反射光照，都會讓得到的圖像不是很理想，處理結果會有一定的偏差。因此，在實際應用中還有好多的問題亟待解決。 通過此次的機器視覺實驗，讓我加深了對機器視覺這門課程的了解，并對此產(chǎn)生了濃厚的興趣。此次實驗不僅認識到平時所使用的一些設備，還有一些實驗的方法及原理。每套設備都有它們自身的特點，應用于不同的場合，去處理不同的問題。kinect for windows涉及到人工智能的應用，增強了我們的生活體驗，它還可以用于其他一些設備的操控，應用范圍比較廣泛，我們的生活也因此變得豐富多彩。三維掃描儀更是開啟了一種全新的模型重建方式，利用激光掃描可以快速的重建出物體的三維模型，誤差相對也比較小，三維掃描儀的出現(xiàn)縮短了工業(yè)中產(chǎn)品的開發(fā)周期，并且也會因此節(jié)省不小的成本，為逆向工程的發(fā)展提供了一種新的方法。雙面結構光也可以實現(xiàn)模型的快速建立，用于產(chǎn)品的開發(fā)，相對掃描儀可能成本會低點。柔性三坐標測量儀也是用于產(chǎn)品的參數(shù)測量，可以選擇不同的測量模式，柔性三坐標測量儀通過特征參數(shù)的測量可以得到物體的模型，在此基礎上可以進行產(chǎn)品的更新，只需要更改模型的一部分參數(shù)既可以實現(xiàn)，但是測量的效率比較低，主要還是用于輔助測量。 通過此次實驗使我們更深刻地認識到理論與實踐相結合的重要性，我們學習的目的還是學以致用，應用我們學到的理論知識去解決現(xiàn)實中的實際問題。通過知識積累，不斷開拓思路，應用自己所學的知識為新的實際問題提供合理的解決方案。 目前我們才剛開始接觸機器視覺，對此才剛有了一點淺薄的認識。因此，以后還要通過我們不斷地學習去積累知識，不斷刻苦鉆研，提高自己的理論水平和實際解決問題的能力。讓機器視覺能夠真正地為我所用。 伴隨著各種新型傳感元件的出現(xiàn)與使用，機器視覺的發(fā)展也會越來越迅速，新的視覺系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展必將我們解決實際問題帶來更多的便利，現(xiàn)在一切未能解決的問題也必將能夠迎刃而解。實際問題的解決將變得越來越簡單。隨著新技術的應用，成本的降低，視覺系統(tǒng)的應用范圍會更加廣泛，甚至會深入我們的日常生活。 在不久的未來自動駕駛汽車將會更加的普及，未來的飛機也有可能實現(xiàn)全部自動駕駛與操控，我們未來的生活將會更加的智能，生活也會更加的豐富多彩。 參考文獻 [1]http://blog.csdn.net/zouxy09/article/details/8145592. [2]http://wenku.baidu.com/view/c25e811ba8114431b90dd851.html [3]http://www.microsoft.com/en-us/kinectforwindows/ [4]handysan使用手冊. [5]http://wenku.baidu.com/view/91efa70a0740be1e650e9af2.html EXAscan使用流程說明. [6] http://wenku.baidu.com/ FARO測量臂_Edge. [7] http://wenku.baidu.com/結構光3D視覺原理. [8] http://wenku.baidu.com/view/6339cb73a26925c52cc5bf91.html結構光三維測量與點云配準的研究 [9]賈云得著，機器視覺.科學出版社. [10] http://wenku.baidu.com/view/6471b9e3524de518964b7da8.html