数字近景工业摄影测量技术

数字近景工业摄影测量技术
西安交通大学近景工业摄影测量技术研究

从二十世纪八十年代，光学三坐标测量系统（Optical 3D coordinate measurement system）开始应用到制造行业和精密工程行业，数字近景测量技术、数字经纬仪（digital theodolite）、激光跟踪仪（laser trackert）是广泛应用的非接触测量方法，数字近景测量技术以其独特的优点应用广泛，但是目前主要被国外产品垄断。

目前世界上能够独立自主研发并实际应用在工业现场的工业摄影测量产品，主要有美国GSI公司的V-STARS产品、德国AICON公司的DPA产品。2007年美国GSI公司收购了澳大利亚墨尔本大学Clive S. Fraser 教授主持研究的Australis产品，V-STARS产品和Australis产品原理相相似，都是基于很小的定向反光标志点进行测量。

世界上近景工业摄影测量技术上的研究和开发主要集中在德国，德国Oldenburg 的University of Applied Sciences大学IAPG研究所的Thomas Luhmann教授在工业摄影测量做了很多开拓性工作，德国很多工业摄影产品的技术都来源于IAPG研究所，如德国AICON公司的DPA产品、德国GOM公司的TRITOP产品、德国axios3d公司、德国FALCON公司等，德国在2002年发布了两个工业摄影技术标准，VDI/VDE 2634 Part 1（摄影点测量）、VDI/VDE 2634 Part 2（面扫描）、2006年发布了VDI/VDE 2634 Part 3（多视面扫描）。

数字近景摄影测量技术（Digital Close Range Photogrammetry ）也简单称为视觉测量（Vision metrology,VM），来源于大地摄影测量技术（topographic photogrammetry）。随着高分辨率数字相机和新的计算模型的发展，数字近景测量技术成为高自动化、高精度的三维坐标测量技术。当处理动态运动目标的图像序列时，也称为视频测量（videogrammetry 或 videometrics）。

西安交通大学经过多年研究，在国家863项目的基础上，推出了国内唯一自主知识产权的工业摄影测量实用化产品------ “XTDP三维光学点测量系统”，打破了国外产品的垄断，并推出了系列产品，用于测量各种静态变形、动态变形，性能指标达到国外同类产品水平。

该技术广泛应用在汽车工业、航空航天工业、船舶工业、建筑工业等，通过三维坐标测量可以完成质量检测、变形测量、逆向工程等。

西安交通大学近景工业摄影测量产品系列：

○ XTDP三维光学点测量系统：采用普通高分辨率单反相机（非量测相机），通过多幅二维照片，计算工件表面关键点三维坐标，采用编码点技术实现自动化测量。

○ XTOM三维光学面扫描系统：采用外差多频相移技术的主动光面扫描产品。

○ XTSD静态变形测量分析系统：变形分析系统，代替传统的应变片、高精度位移传感器，方便快捷。

○ XTDA动态变形测量分析系统：三维视频测量技术，用于测量动态物体的三维坐标、位移、变形。

○ XTSM边聊成形变形测量分析系统：钣金冲压变形分析系统，快速生成成形极限图FLC，代替繁琐的工具显微镜测量。

○ XTWA焊接变形测量分析系统：焊接过程静态和动态变形分析系统。

软件界面

系统组成

汽车整车三维摄影测量

数字近景工业摄影测量技术原理

1. 数字近景工业摄影测量技术

数字近景工业摄影测量（digital close range Industry photogrammetry），是通过在不同的位置和方向获取同一物体的2幅以上的数字图像，经捆绑调整、图像处理匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标，其测量原理和经纬仪测量系统一样，均是三角形交会法。

工业近景摄影测量来源于大地摄影测量(photogrammetry)技术，摄影测量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。它包括很多分支学科，如航空摄影测量、航天摄影测量和近景摄影测量等。其中，近景摄影测量是指测量范围小于100m，像机布设在物体附近的摄影测量。近年来，随着微电子和半导体技术的飞速发展，尤其是固体阵列像机和计算机硬件的发展，使得近景摄影测量已进入全数字近景摄影测量时代。

2. 静态和动态三维测量

数字近景工业摄影测量系统一般分为单台像机的离线测量系统、多台像机的在线测量系统，具有精度高、非接触测量和便携等特点，此外，还具有其它系统所无法比拟的优点：测量现场工作量小、快速、高效和不易受温度变化、振动等外界因素的干扰。

数字近景工业摄影测量技术，也称作视频测量（Vision Measurement），对于测量动态物体的摄影测量技术称为视频测量（Video Photogrammetry），如视频测量模型变形VMD（Videogrammetric Model Deformation ，VMD），可以实现动态的位移、变形测量和姿态测量。

3. 代替传统的应变片和高精度位移传感器进行动态变形测量

代替传统的应变片和高精度位移传感器进行动态变形测量，可用于其他行业的变形测量位移测量，如冲压变形分析、焊接变形分析、汽车变形分析、碰撞试验分析、各种设备变形分析等。

4. 近景摄影测量与计算机视觉的区别和联系

近景摄影测量与计算机视觉有紧密联系又有区别。计算机视觉的研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力，这种能力将不仅使机器感知三维环境中物体的几何信息，包括它的形状、位置、姿态、运动等，而且能对它们进行描述、存储，识别与理解。数字近景摄影测量与计算机视觉在研究内容和目标上十分相近。数字近景摄影测量关注的是几何量的量测信息（物体的位置、大小和形状等)，计算机视觉也需要量测信息，但其更为关注的是对物体进行描述、识别和理解。因此，数字近景摄影测量和视觉测量(或检测)所关注的是完全一致的。数字近景摄影测量与计算机视觉又存在着差异，主要表现在以下几个方面。

（一）出发点不同导致基本参数物理意义的差异，摄影测量中的外部定向是确定影像在空间相对于物体的位置与方位，而计算机视觉则是物体相对于影像的位置与方位来描述问题;(二)基本公式的差异，摄影测量中最为基本的是共线方程，而视觉测量中最为基本的公式是用齐次坐标表示的投影方程;（三）数学处理算法的不同，摄影测量渊源于测绘学科，基于非线性迭代的最小二乘法平差求解贯穿于数字近景摄影测量的全过程，而计算机视觉强调矩阵分解，总是设法将非线性问题转换为线性问题，尽可能避兔求解非线性方程。

5.国内外研究情况

目前，国内数字近景工业摄影测量技术的还处于研究阶段，还没有成熟的产品应用。西安交通大学的数字近景工业摄影测量系列产品，是国内第一个达到实用化的产品。国外的生产厂家和产品，如美国GSI公司的V-STARS系统、德国AICDN 3D公司的DPA-Pro系统等。