论文 大型飞机三维光学快速测量建模关键技术研究大型飞机三维光学快速测量建模关键技术研究 摘 要：为了实现大型飞机的光学三维快速测量和建模，研制了XTDP三维摄影测量系统和XTOM面结构光密集点云采集系统。采用工业近景摄影测量技术研制了XTDP系统，采用外差式多频相移技术研制了XTOM系统，优于传统的格雷码相移技术。对数字近景摄影测量关键技术进行了研究，使用环形编码标志点实现相机姿态自动定向，将光束平差应用于相机自标定，用于优化测量结果。通过多个相机位置外极关系解决非编码标志点的匹配与重建问题，并去除了标志点厚度带来的测量误差。实验结果表明，XTDP系统的测量精度为0.01mm，XTOM系统测量精度为0.02mm，满足50米长度的大型飞机的三维测量建模要求。 关键词：光学测量；近景摄影测量；光束平差；相机自标定
随着现代制造业的快速发展，汽车、航空、水电等行业出现了越来越多的采用自由曲面设计的大型复杂工件，迫切需要方便快捷的三维测量手段。传统的方法多采用龙门式三坐标机、激光跟踪仪、关节臂、经纬仪等，激光跟踪仪、关节臂、经纬仪等设备，存在繁琐的移站问题。 近年来，大尺寸测量的研究集中于结合计算机视觉技术和近景摄影测量技术的非接触式光学测量法。国外数字近景摄影测量技术研究较早，美国GSI公司推出了V-STARS产品，德国GOM公司推出的Tritop系统，这些国外测量系统价格不斐，难以普及应用。国内对近景摄影测量技术也有着深入研究，但主要偏重于地形、建筑测量。中国工程院院士张祖勋推出的数字近景摄影测量系统Lensoft[1]，该系统主要用于地质、地理信息测量。 本文针对大型飞机的三维测量难题，研制了XTDP三维摄影测系统，用来测量飞机表面粘贴的全局标志点，建立飞机的整体外形框架；研制了XTOM三维光学面扫描系统用来测量飞机局部区域的密集点云，并根据本区域内的标志点自动匹配到全局坐标系。两套系统配合使用，可以完成大型飞机从测量到建模的全过程。
大型飞机的三维测量过程如下：
1）标志点检测 在开始测量前首先要在飞机表面粘贴标志点，测量的过程就是通过所拍摄的飞机表面多个位置的图像重建出标志点的三维坐标。本文使用两种圆形标志点，如图 3所示，黑底白色圆点和带有环形编码的圆形标志点。 使用圆形标志点可以获得比较高的检测精度，带有环形编码的标志点则可以方便的实现同名点的匹配，用来实现相机姿态自动化定向。圆形标志点在经过投影后在图像上呈椭圆形，标志点检测流程见图 4。 首先将获取的图像转化为8位灰度图像；然后使用Canny算子进行边缘检测[2]；在结果中搜索可能的椭圆边界，同时排除不可能的边缘；对确认为椭圆边界的图像点使用梯度均值法进行亚像素修正，然后使用最小二乘法拟合得到椭圆中心和长短轴、旋转角等信息；最后以该椭圆为中心，在其外围对原始灰度图进行灰度采样，得到编码环的编码，如果存在该编码值，则认为是编码标志点，否则为非编码标志点。
相机姿态定向就是确定每一幅图像六个外方位元素的过程[3]，分相对定向和绝对定向两种。确定两幅图像相对方位的过程叫做相对定向；确定一幅图像在物方坐标系中的绝对方位的过程叫做绝对定向。相机姿态定向是光学测量的基础，精确的相机姿态自动定向也是光学测量的难点[4]。本文使用环形编码标志点实现相机姿态的自动定向，具体流程如下： ① 对所有图像逐一进行标志点检测，编码标志点要检测出相应的编码环数值； ② 搜索包含6个以上公共编码标志点的两幅图像，根据公共点的数量对搜索结果排序；
相机自标定技术就是指将相机内、外参数放在一起同时进行整体平差计算[5]~ [6]，也就是带有附加参数的整体光束平差。本文的光束平差中将相机内参数、相机外参数和物方点世界坐标均作为观测值参与优化。在光束平差时考虑相机镜头的径向畸变、切向畸变和薄棱镜畸变，以降低重投影误差，提高了自标定精度。
标志点的匹配就是在多个图像中寻找同一个物体点对应的像点的过程。立体匹配在计算机视觉中的难题之一[4]，由于受光照条件、噪声信号干扰、镜头畸变等诸多因素影响，空间三维目标被投影到二维图像时，在不同的视角下可能会有较大不同。摄影测量中常用的匹配算法有最小二乘匹配、基于特征的匹配、和灰度相关匹配等等。对于带有环形编码的标志点由于具有唯一标识的编码可以方便的利用其特征编码进行立体匹配。然而，对于没有编码的圆形标志点的正确匹配就成了难题。基于外极几何关系的匹配算法在双目立体视觉因只能推断出匹配结果在外极线上，匹配歧异性较大而影响其广泛应用。近景摄影测量中存在多个相机位置，利用多个图像上的外极线约束就可以大大提高非编码标志点匹配的正确率[7]。 3 XTOM面扫描系统关键技术 XTOM系统基于计算机双目视觉原理，并应用外差式多频相移技术。 1）计算机双目视觉 2）XTOM采用双目CCD相机，两相机和投影仪所成相同的角度摆放。结合以上的摄影测量原理，增加左右相机之间的相对关系，最终获得物体点坐标的计算公式如下。
3）XTOM软件采用外差式多频相移三维光学测量技术，利用空间频接近的多个投影条纹莫尔特性的解相方法，能够非常简洁可靠地对条纹进行解包裹。分别投影多种不同空间频率的条纹于待测面上，摄像机摄取变形的条纹图，并利用相移法求取多种条纹的相位主值，从而恢复出条纹的真实相位来。外差式多频相移技术采用四步相移法，每步三个频率，共投射12个光栅。三种位相转变模式使用下式获得。 根据相位调制函数求出和投影光栅上某一点的物体上的偏移距离，设为b。 4 实验与分析 按照大型飞机的测量要求，参照德国VDI/VDE 2634光学测量标准，进行了以下试验，验证系统精度和稳定性。XTDP和XJTMOM软件的使用环境WindowsXP，开发语言为VC6.0。
按照德国VDI2634标准，采用图 5所示的测试框架，尺寸大小为2米×2米×1米的框架，在框架各处布置参考点和标尺，然后在多个方向拍摄照片，重建出参考点坐标后测量5组参考点距离，重复拍摄7次，同时以德国GOM公司Tritop系统的测量机果作为标准，对比XTDP的测量结果。
2）测试XTOM精度 实验步骤一：采用相机Canon 400D单反相机，XTDP软件；被测对象（图 6）：标准哑铃球、10位编码点若干、因瓦合金标尺1根，拍摄16张照片后输入XTDP软件计算导出全局标志点，存为标志点文件。 实验步骤二：采用XTOM软件，以图 6中哑铃的球模型作为对象，导入标志点文件，测量相机视区的居中、右上、右下、左下、左上五个位置共15个位置，每组测量5次，要求尽可能捕获哑铃球的全部点云数据。获得的哑铃球数据在Imageware中经Merge后，进行球拟合，测得单个球径。本次测试使用的哑铃球径 （r=10.0116mm ） 表 3中列出测量结果数据显示，在15个方位下的拟合球的半径都接近球的实际半径，说明本系统在视场内不同区域的测量结果具有一致性。 表 3 测试标准球实验数据 （单位 mm） 标准距离（1.6m） 左上 9.9863 -0.0252 0.0027 左下 10.0007 -0.0109 0.0019 近距（距离1.4m） 左上 9.9934 -0.0182 0.0015 左下 10.0008 -0.0108 0.0012 远距(距离1.7m) 左上 9.9996 -0.0120 0.0034 左下 10.0079 -0.0037 0.0035 表中拟合球的半径与球的实际半径的平均偏差为0.0118mm为是系统误差。标准差为0.003mm，反映了XTOM系统的随机误差。根据3 标准，本系统的测量精度为0.02mm。 5 结论 本文针对大型飞机的三维测量，研制了采用工业数字近景三维摄影测量技术的XTDP系统和计算机双目视觉技术的XTOM系统。研究了标志点检测、相机姿态自动定向、相机自标定光束平差与非编码标志点匹配、重建和厚度校正等技术。基于摄影理论开发出XTDP软件，计算出大型飞机表面粘贴的编码点和非编码点，导出全局标志点，这些标志点是点云后处理阶段多视拼合的基础和依据。开发的XJTMOM大幅面三维光学扫描系统，基于外差式多频相移技术和计算机双目立体视觉技术，在导入全局标志点后自动扫描的每幅点云依据标志点实现无缝拼接，精确采集物体表面的三维数据。实验结果表明，XTDP系统的测量精度为0.01mm，XTOM系统单幅面扫描精度小于0.02mm。完全可以满足大型飞机的三维测量。
文章分类：
三维面扫描和建模
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