基于数字近景摄影测量的大尺寸工件的静态变形测量研究

1.研究背景

随着对工件在负载作用下的装配、使用等条件的要求越来越高，对于工件在负载情况下的受载荷情况下变形的测量需要日益增加，尤其是对占地1m×1m~50m×50m，高度小于10m的大尺寸工件的变形测量更加需要。

目前变形测量方法主要有用位移计和电阻片测量结构构件的位移与应变的方法、使用经纬仪或全站仪的变形测量方法、使用GPS的变形测量方法和使用散斑原理的变形测量方法。

用位移计和电阻片测量结构构件的位移与应变的方法可用于测量变形的应变传感器有很多种，如电阻式、电感式、光电式、光栅式等等。这种测量方法的优点是测量精度高，并且测量方法已经比较成熟，广泛用于一些结构件等工件的测量。不过因大尺寸工件的尺寸宏大和变形复杂存在一定的局限性，比如测点有限、量程有限、仪表必须与试件接触、无法获得位移场和变形场等全局数据，后期数据处理工作量大，受测量环境条件影响大，测量成本高，且有时也具有无法避免的系统量测误差。

全站仪又称全站型电子速测仪。该仪器采用先进的技术将电子测距、电子测角、电子计算和数据存储系统融为一体，极大地方便广大测绘工作人员野外作业。全站仪可以迅速测定空间点坐标，在大地测量、工程放样中被广泛使用。使用经纬仪或全站仪的变形测量方法，由于是使用激光测距的原理，测量距离长，对于工件尺寸的要求不高，可以测量大尺寸的工件。但是其中经纬仪和全站仪的自身测量精度不高，并且测量点设置不易过多，同时如所测工件曲面复杂则必须在前期设置测量控制网，使前期的准备工作量增大。

GPS作为新一代的空间定位系统，自从20世纪80年代以来，尤其是进入90年代后，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从事后处理扩展到实时(准实时)定位与导航，其定位绝对或相对精度从m级扩展到cm级、mm级乃至亚mm级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用。由于GPS测量具有高精度的定位能力，所以它逐渐成为各种变形监测的一种极为有效的手段。但是，由于GPS在应用中受到多方面的误差源的影响，导致在用GPS做变形监测时，在很多精密监测中，垂直位移精度难以满足监测要求，从而使其不能真正的达到三维监测。同时GPS使用时的特殊要求，也使其难以达到在工业实际中的物体变形检测的要求[1]。

散斑干涉测量技术是六十年代末发展起来的一种光学测试技术，具有非接触、测量精度高、对环境的防震要求低、可在明光下操作、实时的全场测量等优点。近十年来随着CCD器件的发展、计算机图象处理技术的飞速发展，激光散斑测量技术和数字散斑测量技术均有了新的发展和突破。但是目前散斑测量主要反映的是二维方向上的变形，还没有完善的三维测量方法。并且单纯使用散斑测量的方法在大尺寸工件的变形中存在范围的限制，无法获得工件整体的变形信息。

由于现有的变形测量方式在大尺寸工件的变形监测中所存在的问题，为了满足工业实际使用中的效率和工件尺寸的要求，提供了一种可以高效的在大尺寸的工件变形中获得高精度的测量结果的测量方法。所以考虑根据数字近景摄影测量的方式，将变形工具的各个变形状态下变形点的三维坐标信息进行重建，并根据变形过程中所设置的固定点（未参与变形的点）在各个变形状态下重建所得的三维坐标信息，将所有的变形状态的坐标系进行统一，然后通过领域搜索变形点ID重置的方法获得各个变形点的变形信息。

相似材料模型变形测量-   大尺寸大变形

相似材料模型变形实验现场

相似材料模型变形测量和分析

2.理论意义和应用价值

为了克服现有的变形测量方式中的不足，满足工业实际使用中的效率和工件尺寸的要求，提供了一种可以高效的在大尺寸的工件变形中获得高精度的测量结果的测量方法。

数字近景摄影测量作为一种快捷的非接触式测量手段，作业方式简单，三维坐标同时解算，冯文灏[2]总结了近景摄影测量技术较之其它三维测量手段具有以下优点[3]：

1. 能瞬时获取被测物体大量物理和几何信息，作为信息载体的像片或影像包含被测目标的大量信息，而且信息具有可重复使用、容易存储的特点，特别适用于测量点众多的目标；

2.它是一种非接触的无损检测手段，可以在恶劣条件（如水下、放射性强、有毒缺氧以及噪音）作业；

3. 它可用于动态物体和运动状态的测定，是一种适用于微观世界和较远目标的测量手段；

4. 依赖于传统的理论方法和现代的软硬件条件，可提供相当高的精度和可靠性的测量手段，能提供千分之一至百万分之一的相对精度；

5. 就其发展而言，它是一种基于数字信息和图像处理以及人工智能的技术，可以提供实时在线的现场测量，可以作为土木工程中结构的安装，结构的安全实时在线监测系统。

通过数字影像来识别人工标志点随工件变形的运动来获得观测范围内工件的位移场与应变场。运用数字摄影测量中的影像定向与定位理论，可以有效的消除实验观测过程中人为因素引起的误差。本课题相较于以往技术，将数字近景摄影测量技术使用到变形测量中，使变形测量的成本相对降低，测量点增多，测量结果更加丰富，测量局限性减小并作为一种非接触测量的方式，在大变形破坏性实验中尤为适用，并为研究复杂受力的工件提供了可靠的实验依据，在工件的机械载荷试验、热负载试验、环境试验、破裂试验、拉伸试验等复杂受力情况下的位移场和变形场测量中有较大的应用前景。

3.国内外研究现状及发展趋势

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[4]。

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[4]。1981年Moravec在立体匹配中采用角点检测器[5]。1981年Crowley和Parker在用尺度空间中边缘的峰值作为一种特征表达，并将其连接成一个树结构[6]。1983年由德国Ackermann教授提出的最小二乘影像匹配（Least Squares Image Matching LSM）充分利用了影像窗口内的信息进行平差不计算[7]。

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[8]。在Moravec算子的基础上，Harris和Stephen于1988年发展出Harris算子[9]。

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）[10]。

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。1993年吴晓良提出了松弛法影像匹配方法[11]。

1994年Linderberg深入地研究了如何选定一个合适的一致的尺度用于影像上的特征提取，即特征尺度选择的问题[12]。1995年张正友在角点附近利用相关窗口进行角点区域的匹配验证了角点提取也是可以用于基线较大的影像立体匹配[13]。Torr于1995年发展出的一个近似的方法可以用于宽基线运动匹配[14]。

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。Schmid和Mohr在1997年开创性的采用一个目标特征与一个大的影像数据库进行匹配从而将不变局部特征匹配用于解决一般的影像识别问题[15]。1999年Shokoufandeh,Marsic和Dickinson提出使用小波系数来作为特征描述子[16]。

1999年Low将局部特征的方法扩展到尺度不变的局部特征，构造了一种新的局部特征描述子，对于三维视点变化造成的变形也能够使用[17]。2000年法国的Lhuillier等提出采用四边形分割建立局部几何约束的方法[18]。2002年Boufama提出利用影像分割获取边缘区域和非边缘区域，在非边缘区域采用连续新约束的方法[19]。2004年Low提出的一种尺度不变特征的SIFT算子[20]。

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、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。

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[21][22][23]。天津大学对摄影测量技术也做了大量的研究[24][25][26][27]。

图1   XTSD三维光学静态变形测量系统

图2 三维变形色谱图显示

图3 测量现场

钢结构梁各个状态空间测量点信息和变形情况：