论文题目：面向机械加工的增强现实辅助系统开发
摘要：一个完整的机械加工工艺系统包含了机床、工件、刀具、夹具等信息。目前的机械加工过程中大部分依赖机械加工工序卡片承载这些信息。然而机械加工工序卡片展示信息为平面二维信息,展示的信息具有专业性和局限性,导致工序信息读取困难,专业人员的培训周期较长,且不利于机械加工效率的提高。针对这些问题,本文研究了机械加工的增强现实辅助系统的图像识别与显示关键技术,基于增强现实系统开发的相关技术,设计了一种移动端机械加工工序信息展示系统。该系统不仅完整的展示工序卡片的信息内容,而且具有可交互的增强现实的三维信息,使得用户能够直观、全面的认识机械加工工序的相关内容,有利于缩短机械加工专业人员的培训时间,提高机械加工效率。具体研究内容如下:首先,根据机械加工导致工件几何形状变化的特点以及计算机视觉图像采集方法,提出适用于机械加工过程中工件各个工序的图像采集方法。基于移动端的双目摄像头测距原理和多面体视角图像采集法,提出一种适用于机械加工工件的平面投影图像采集法——平面矩形图像采集法。然后,在提取工件轮廓信息时采用改进的Canny算子,抑制加工时产生的在加工表面的刀具纹理信息,并且使用形状上下文算法对工件图像进行特征描述与图像匹配。最后,将处理的资源文件在Unity3D中配合Vuforia插件实现工件的三维注册,保证机械加工过程中对工件的准确识别和跟踪注册。其次,根据移动端屏幕展示信息的特点,将移动端屏幕上展示的机械加工工序信息分为3种类型:静态二维平面信息、三维模型信息和动态的仿真信息。静态二维平面信息为文字类信息,在移动端屏幕上进行网格划分,采用制表的方式展示文字类信息;三维模型信息通过建模软件与模型优化软件处理置于虚拟场景中,在屏幕中完整的表达工件、夹具、刀具等的几何结构,并通过Unity3D为模型添加几何尺寸、公差等信息;动态的仿真信息采用交互式动画展示方式,用户通过屏幕可观察工件的几何加工动画,也可通过触屏操作控制仿真的相关内容。最终,通过多种信息的增强现实展示方式,为用户提供可视化的机械加工工序内容。最终,在计算机视觉图像处理技术和增强现实系统技术的基础上,基于Unity3D引擎,使用VS2017和Vuforia插件工具,完成移动端机械加工的增强现实辅助系统的开发。辅助系统从3个模块分别进行开发:工件图像识别模块、增强现实信息展示模块和用户交互模块。再在Unity3D中把3个模块整合为1个完整的机械加工的增强现实辅助系统,并打包发布成移动端的安装资源包。最后,选取支撑底座的机械加工为对象,测试系统的3个功能模块。最终测试结果表明,该系统在车间加工场景下能较好地识别到工件本次加工对应的工序,实现工件与虚拟信息的叠加,用户能够通过交互界面与虚拟信息进行相关交互。本文通过对增强现实系统的相关研究,设计开发的机械加工的增强现实辅助系统有利于专业人员直观、全面地认识工件机械加工的相关内容,对机械加工人员具有良好的指导作用,能够提高相关人员的培训效率,保证加工质量。
关键词：机械加工;增强现实系统;计算机视觉图像处理技术;Unity3D;移动端
学科专业：工程（专业学位）
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 引言
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外增强现实技术研究现状
1.2.2 国内增强现实技术研究现状
1.3 课题研究内容和意义
1.3.1 课题研究内容
1.3.2 课题研究意义
1.4 课题技术路线与章节安排
1.4.1 课题技术路线
1.4.2 章节安排
1.5 本章小结
2 增强现实系统相关技术发展分析
2.1 引言
2.2 增强现实的三维注册技术分析
2.3 增强现实的虚实融合显示技术分析
2.4 增强现实的人机交互技术分析
2.5 本章小结
3 工件图像采集方法与摄像机参数获取
3.1 引言
3.2 工件图像采集方法
3.2.1 多面体视角图像采集法
3.2.2 平面矩形图像采集法
3.3 移动设备双摄像头的参数获取
3.3.1 双目摄像机的原理
3.3.2 双目摄像机四坐标关系的转换方法
3.3.3 基于张正友的移动端摄像头标定
3.3.4 移动端设备摄像头的实际参数
3.4 本章小结
4 工件图像的处理及识别
4.1 引言
4.2 图像预处理
4.2.1 工件图像中的刀具纹理过滤
4.2.2 工件图像中的光照补偿
4.2.3 工件图像的二值化处理
4.3 图像识别
4.3.1 传统的Canny算法提取工件轮廓
4.3.2 基于传统Canny算法改进的轮廓提取算法
4.3.3 形状特征轮廓描述与形状上下文算法
4.4 本章小结
5 基于Unity3D平台实现机械加工的增强现实辅助系统
5.1 引言
5.2 系统的总体功能模块设计
5.3 开发工具的选择
5.3.1 增强现实的开发工具选择
5.3.2 虚拟场景搭建与交互模块的开发工具选择
5.4 系统的整体开发流程
5.4.1 图像识别模块的开发
5.4.2 增强现实显示模块的开发
5.4.3 交互模块的开发
5.4.4 系统打包发布
5.5 系统验证
5.6 本章小结
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
附录1 Vs2017高斯算法
附录2 C#按钮检索
附录3 C#触屏交互
致谢