基于照相測量與三維激光掃描組合測量系統(tǒng)精度探究

洪建強(qiáng) 李浩 田文昊 黨佳豪

摘 要：本文在探討攝影測量和3D激光掃描技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于照相測量和激光掃描的測量系統(tǒng)，用高密度點(diǎn)云測量的方式來測試大尺寸工裝。該項(xiàng)目應(yīng)用中的測量精度與三坐標(biāo)測量機(jī)作比較，為中國航空工程公司和技術(shù)人員提供參考和意見。

關(guān)鍵詞：照片測量;3D激光掃描;測量系統(tǒng);測量機(jī)

1照片測量原理及3D激光掃描技術(shù)原理

1.1照片測量原理

3D數(shù)據(jù)相機(jī)測量技術(shù)是一種基于數(shù)據(jù)可視化圖像處理和高精度測量技術(shù)的新型高精度測量技術(shù)。照相測量系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)光傳感技術(shù)、測量技術(shù)和人工智能算法分析技術(shù)對(duì)整體目標(biāo)進(jìn)行多次多方位拍照，獲取數(shù)據(jù)圖像信息內(nèi)容，再對(duì)點(diǎn)云空間坐標(biāo)進(jìn)行校正根據(jù)三角測量原理。照相測量分為單機(jī)測量和雙相機(jī)測量系統(tǒng)。文中選用的進(jìn)口相機(jī)和測量設(shè)備公差精度為5μm+5μm/m，其中鄭州辰維CIM3相機(jī)公差精度為3μm+3μm/m，sigma值為1。

1.23D激光掃描原理

線激光手持式3D掃描儀基于三角測量的基本原理。它具有內(nèi)置校正功能。工作時(shí)，它利用回光標(biāo)記點(diǎn)貼在被測物體上并引導(dǎo)激光線。2個(gè)攝像頭捕捉瞬時(shí)3D掃描數(shù)據(jù)信息。光源直接照射在被測物體上產(chǎn)生反射和折射，根據(jù)軟件重構(gòu)為3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)。可以根據(jù)照片測量得到標(biāo)志點(diǎn)的平面坐標(biāo)，并將其引入3D激光掃描，可以顯著提高掃描精度。文章中使用的掃描機(jī)設(shè)備的公差精度為：0.02mm+0.1mm/m。

2組成測量測試執(zhí)行的全過程

為加強(qiáng)對(duì)拍照和掃描測量精度的驗(yàn)證以及尺寸對(duì)精度的影響，選用大型模型進(jìn)行測量測試。模型長8m，寬1.3m，設(shè)計(jì)有型面、刻線、法向孔和垂直孔具有要測量的象征性因素。使用公差精度為4.5μm+6.5μm/m的10米測量機(jī)對(duì)工裝的外觀設(shè)計(jì)進(jìn)行測量，實(shí)測的數(shù)值假設(shè)為模型的真實(shí)值。為了對(duì)比結(jié)果更精確，每50毫米設(shè)置一個(gè)測量點(diǎn)。模型測試面共有1946個(gè)測量點(diǎn)。

2.1測量前的準(zhǔn)備

在相機(jī)測量之前，必須根據(jù)反光標(biāo)記對(duì)測量因素進(jìn)行整體定位。照機(jī)測量系統(tǒng)軟件只能識(shí)別反光標(biāo)記或激光投影儀投射的點(diǎn)，不能立即測量被測元件的測量點(diǎn)。根據(jù)布局人工標(biāo)點(diǎn)，強(qiáng)烈推薦標(biāo)志直徑，同時(shí)，3D激光掃描儀掃描時(shí)需要粘貼標(biāo)記點(diǎn)。由于機(jī)器設(shè)備識(shí)別的反光點(diǎn)不同，反光點(diǎn)的厚度不同，拍照測量的反光標(biāo)記3D激光掃描儀是無法識(shí)別的，但常用的是3D激光掃描儀的標(biāo)志點(diǎn)，照相測量能夠識(shí)別其標(biāo)志點(diǎn)。

2.1.1編碼點(diǎn)和測點(diǎn)布置

單臺(tái)相機(jī)無法表示被測物體是三維物體。照片必須用編碼標(biāo)記點(diǎn)拼湊在一起。規(guī)定每張照片必須至少有6個(gè)編碼標(biāo)記點(diǎn)，每兩張照片重疊編碼不少于4個(gè)點(diǎn)。本次調(diào)查中，每0.5米設(shè)置一個(gè)編碼標(biāo)記點(diǎn)。編碼點(diǎn)以“田”字排列，布局合理，對(duì)被測因素具有有效的包容。

為了更好地保證測量的準(zhǔn)確性，反光標(biāo)志與被測的物體的尺寸比例必須在一定范圍內(nèi)。每張照片中反光標(biāo)志的尺寸應(yīng)不小于3*3分辨率，反光標(biāo)志至少應(yīng)保證整體目標(biāo)區(qū)域的尺寸為1/1000（強(qiáng)烈建議1/500以上）。標(biāo)記點(diǎn)和編碼點(diǎn)的直徑均為6毫米。被測反射標(biāo)記點(diǎn)按測量機(jī)測量點(diǎn)位排列。

2.1.2創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)尺

照相測量得到的點(diǎn)云模型只是一個(gè)等比例的縮放體。因此，必須增加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)限制來還原點(diǎn)云的真實(shí)規(guī)格，并且可以測量詳細(xì)點(diǎn)云模型的規(guī)格信息內(nèi)容。在整個(gè)測量過程中要使用兩個(gè)以上的標(biāo)準(zhǔn)尺，軟件對(duì)參考長度進(jìn)行調(diào)整計(jì)算，多個(gè)參考長度可以合理識(shí)別并防止參考規(guī)則本身的錯(cuò)誤。參考尺應(yīng)與被測物體的尺寸盡可能大。激光跟蹤器用于創(chuàng)建大容量測量的虛擬參考標(biāo)尺，本次利用測量機(jī)下模具參考點(diǎn)的平均誤差創(chuàng)建3個(gè)虛擬參考標(biāo)尺。10毫米TOS目標(biāo)已轉(zhuǎn)換。

2.2照片拍攝

通過拍照測量對(duì)模具上的目標(biāo)點(diǎn)和編號(hào)點(diǎn)進(jìn)行拍照，校正模具上的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)，去除掃描標(biāo)記重新測量，作為手持激光器的選定點(diǎn)坐標(biāo)掃描器。

2.3三維激光掃描

將相機(jī)測量系統(tǒng)軟件創(chuàng)建的掃描測量控制網(wǎng)的點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入掃描儀手??機(jī)軟件中，設(shè)置掃描點(diǎn)距離，即可從模具的任意部位逐步掃描測量云數(shù)據(jù)。使用手機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格管理解決方案，去除噪聲、修復(fù)網(wǎng)格圖、刪除不需要的數(shù)據(jù)、簡化數(shù)據(jù)等實(shí)際操作。嚴(yán)禁對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行過度平滑和超大規(guī)模去噪。

2.4數(shù)據(jù)分析

驗(yàn)證每臺(tái)相機(jī)的精度，多臺(tái)相機(jī)拍攝數(shù)據(jù)的重復(fù)性，平面坐標(biāo)與物理模型轉(zhuǎn)換誤差的統(tǒng)計(jì)分析，與理論模型即時(shí)對(duì)比的結(jié)果，最佳線性的結(jié)果與理論模型擬合等。在水平上進(jìn)行綜合分析，利用三坐標(biāo)測量值驗(yàn)證照片測量、激光掃描測量的精度如下圖。為了防止最佳線性擬合優(yōu)化算法出現(xiàn)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值的線性擬合偏差，本次比較采用工作服標(biāo)準(zhǔn)孔坐標(biāo)兩端對(duì)齊的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3試驗(yàn)結(jié)論

照片測量對(duì)于室內(nèi)空間長度測量更準(zhǔn)確。CIM3相機(jī)和測長機(jī)在414.542mm到2101.533mm五個(gè)長度范圍內(nèi)使用，偏差大0.019;4組與數(shù)學(xué)模型的對(duì)比數(shù)據(jù)信息有較大偏差，具體數(shù)值見下表。

進(jìn)口相機(jī)三維測量偏差在8米以內(nèi)。與測量機(jī)的測量結(jié)果相比，正差為0.043毫米，落差為0.012毫米。相機(jī)的測量精度滿足機(jī)器設(shè)備允許誤差的指標(biāo)值。同時(shí)，它在手機(jī)中。在軟件中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以進(jìn)行5次調(diào)整，其RMS沒有明顯降低。測量由照相測量和三維激光掃描組成。三維測量偏差為0.111mm，與測量機(jī)測量結(jié)果相比，在7.5米范圍內(nèi)負(fù)偏差大于0.111mm，顯著提高了掃描精度。

結(jié)束語

拍照測量精度高、速度快、便攜，集成3D激光掃描。它可以測量間隔0.2毫米的云數(shù)據(jù)相對(duì)密度的大型零件的外觀設(shè)計(jì)。同時(shí)，它可以快速懷疑機(jī)場是常見故障。進(jìn)行診斷對(duì)連接從設(shè)計(jì)方案、制造到安裝和測量的整個(gè)數(shù)據(jù)步驟具有主動(dòng)作用，是電容網(wǎng)格測量的超強(qiáng)補(bǔ)充。

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