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数字近景摄影测量技术国内外研究


 

1.2.1 研究背景
摄影测量(photogrammetry)是一门通过分析记录在胶片或电子载体上的影像,来确定被测物体的位置、大小和形状的科学[10]。摄影测量大致可分为遥测、远景摄影测量、近景摄影测量和显微摄影测量。
遥测:主要是指十几公里以上的卫星摄影测量、航空摄影测量。
远景摄影测量:主要是指百米到几公里意外的测量,如对高大建筑物的测量、对火箭发射过程的测量等。
近景摄影测量:主要是指测量范围小于100m,像机布设在物体附近的摄影测量[11]。
显微摄影测量:多指对毫米量级一下尺寸利用各种放大和显微镜进行的测量。
数字近景工业摄影测量通过在不同位置和方向获取同一物体的两幅以上的数字图像(图 1 2a),经计算机图像处理、三维重建等算法得到待测点精确的三维坐标(图 1 2b)。近景摄影测量是为多种学科的科学研究、实验和生产服务的非接触量测手段,因此非常适合于那些难于接触的物体(包括动态物体和不规则曲面物体)的表面尺寸测量。又因为它采用了严密的解析计算方法而获得了很高的计算精度,所以逐渐受到重视。
  
(a)像机布站图                       (b)三维点云
图 1 2  摄影测量工作原理示意图

1.2.2 国内外发展现状
数字近景摄影测量技术是建立在摄影测量、数字成像、图像处理和精密测量原理基础上的新型精密测量技术,其用于工业现场是目前精密测量研究和应用的一个热点。数字近景摄影测量的发展历史可以概括为五个不同特征的时期:基础阶段的早期;初进入数字阶段的逐步发展期;进入数字阶段的全面发展时期;稳步研究和加大推广应用的深入发展期和新近的成熟期[12]。
1964年~1984年是数字近景摄影测量早期阶段,这一时期的研究成果主要是奠定了数字近景摄影测量的理论基础[13]。1984~1988年是进入数字阶段的逐步发展期,在系统的设计、开发、标定等方面为后续的研发奠定了基础[14]。1988年~1992年,数字近景摄影测量步入全面发展时期,越来越多的研究者在此方向进行研究和系统开发,出现了许多成功的应用报道,而且应用领域大大拓宽了(如工业测量、生物立体测量、流量测量、汽车碰撞实验测量和空间探测等)[15]。1992年~1996年,数字近景摄影测量的研究和开发不再像前一阶段那样不断出现新成果和新发现,而是处于更加稳步的发展,业内更多的关注是拓展应用和成型系统的市场推广。1996年~至今,数字近景摄影测量的研究及应用已步入成熟期。它已能满足医学领域对图像实时性、几何高精度方面的要求,可用于外科、人体测量学、人类行为动作的监控测量等。
国外对摄影测量技术的研究起步较早,因此相应的生产厂家和产品比较多,比较典型的有美国GSI公司的V-STARS系统(如图 1 3)、德国AICON 3D公司DPA-Pro系统、德国GOM公司的Tritop系统、加拿大EOS公司的PhotoModeler系统、挪威Metronor公司的Metronor系统等。近景摄影测量系统使用高分辨率数码相机,从多个角度拍摄预先布置的圆形参考点和带有编码的参考点,然后自动三维重建,得到工件表面参考点的三维坐标,精度可达0.1mm/m。这些系统已经大量应用于航空、航天、汽车、轮船等领域的工业检测以及逆向设计工作中。另外,摄影测量技术也是各种光学变形测量的基础,包括动态变形测量、静态变形测量等。
 
图 1 3  V-STARS系统组成
国内高校和研究机构对于摄影测量技术的研究起步较晚。武汉大学近景摄影测量有着深入的研究,研究的重点主要是针对航拍、大地测量等[16-18]。天津大学对摄影测量技术也做了大量的研究[19-21]。目前,国内尚未出现针对大型复杂工件的自动化近景摄影测量系统[22]。
针对大型、复杂工件的三维测量,数字近景摄影测量的关键技术以及国内外研究存在的主要问题如下:
(1)数字图像的自动化处理。包括标志点的中心的高精度定位和编码标志点的识别。目前国外报告的最高精度在0.02像素左右。过去的研究对于处理速度很少有关注,而实际工程中,图像数量比较大,必须在保证精度的前提下提高处理速度。
(2)像机的高精度标定。像机的标定结果直接影响着三维测量结果的精度,国外对于摄影测量的像机自标定技术的研究已经比较成熟,并已有大量成功的应用。而国内对于像机标定技术的研究大多停留在传统的标定方法上,对于近景摄影测量的自标定技术研究及实验较少。
(3)基于核线匹配的三维重建。同名点的准确匹配是三维重建的基础,对于编码点标志点可以利用编码进行直接匹配,而对于非编码点,利用多幅图像之间的核线约束可以进一步提高匹配的正确率。
(4)完整摄影测量系统的开发。目前国外已有不少成熟的摄影测量系统,但这些系统对于国内的应用有诸多不足:价格昂贵;使用不方便,有的还需要特殊的硬件及系统要求,如tritop系统必须在linux系统下运行;无法根据国内用户需求进行有针对性的功能开发等等。而国内又尚未出现可用的近景摄影测量系统。
针对国内外研究现状,本文计划在对摄影测量关键技术进行详细研究的基础上,开发出一套完整的摄影测量系统。
1.3 课题来源与研究意义

1.3.2 研究意义
数字近景工业摄影测量通过在物体的表面及其周围放置标志点,包括编码点和非编码点,然后从不同的角度和位置对物体进行拍摄,得到一定数量的照片,经过图像处理、标志点的定位、编码点的识别,可以得到编码点的编码以及标志点中心的图像坐标。利用这些结果,经过相对定向、绝对定向、三维重建、以及光束平差,最后加入标尺约束及温度补偿,可以得到标志点准确的三维坐标。利用该系统能在极短时间内准确地获得物体的三维信息,从而实现物体的三维建模,尤其适用于自由曲面的三维检测,具有无接触、灵活、快速等优势,因此在机械零件测量、反求工程、虚拟现实等方面具有广泛的应用前景。另外,近景摄影测量技术也是各种静态、动态的变形测量技术的基础[24],因此对之进行研究具有重要的理论意义和工程应用价值:
(1)近景摄影测量最直接的应用就是对于工件的关键点测试,通过测量工件的关键点并与设计数模进行对比,可以获得实际工件与设计数模的偏差,从而作为CAM/CAE的依据。
(2)可以与光学面扫描系统配合使用。光学面扫描系统每次只能测量一定大小的幅面范围,对于大型工件或者回转工件的测量,多次测量的拼接是一个很大的难题。利用近景摄影测量获得全局点,面扫描利用这全局点进行拼接可以很好得控制全局误差。
(3)各种变形测量也都是基于近景摄影测量技术。通过测量物体表面关键点不同时间点的三维点坐标,可以获得这些关键点的三维坐标随时间的变化,从而计算得到这些点的变形量、速度、加速度等参数。
1.4 主要研究内容和技术路线
1.4.1 主要研究内容
如1.2.2节所述,国内缺少成熟、可用的近景摄影测量系统,因此本文对数字近景摄影测量中的关键技术问题进行研究,最终开发出一套完整的摄影测量系统。本论文主要研究内容如下:
(1)系统的研究近景摄影测量的理论技术。主要包括坐标系的转换、共线方程、共面方程等基本关系,以及相对定向、绝对定向、后方交会、前方交会、光束平差等算法。对各种算法进行详细的推导及程序验证。
(2)实现数字图像的自动化处理。设计一种能够依据图像处理理论自动提取其特征的标志点编码方案。实现标志点的高精度检测。寻求一种提高标志点检测速度的方法。
(3)实现数字像机的高精度标定。研究数字像机畸变规律。研究并对比各种标定方法。利用光束平差自标定法实现数字像机的高精度标定。
(4)实现物体点准确的三维重建。利用多张图片的极线匹配实现非编码点的高精度匹配,减少匹配错误率。
(5)在对摄影测量理论基础进行详细研究的基础上,在Windows xp环境下利用VC++6.0开发出一套摄影测量系统。仿照国外对摄影测量系统精度验证的方法对该系统进行严格的精度验证。将该系统应用于汽车模具等大型工件的测量当中。


 

 
Web www.xjtudic.com
 

西安交通大学 机械工程学院 模具与先进成形技术研究所 信息机电研究所
电子邮件: xjtops@163.com  网站: www.xjtudic.com  www.xjtops.com  www.3dthink.cn

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