法如三維成像儀精度測試與分析

葉昌堯

(中鐵二十二局集團(tuán)有限公司 北京 100043)

1 引言

CRTSⅢ型無砟軌道板是我國完全自主研發(fā)的一項重大科技成果，具有耐久性好、安全可靠、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯等特點[1]。按照現(xiàn)行無砟軌道板施工規(guī)范要求[2]，必須逐塊對CRTSⅢ型軌道板的外形尺寸進(jìn)行檢測[3]。常規(guī)檢測方法為采用全站儀配檢測工裝進(jìn)行逐點測量[4]，檢測一塊軌道板的時間在45 min以上，檢測效率低、精度差，檢測質(zhì)量難以保障，如何有效提高軌道板檢測效率及精度成為亟待解決的問題。

針對檢測裝備和方法難以滿足軌道板檢測質(zhì)量現(xiàn)狀，專家學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。盧書[5]提出軌道板參數(shù)間接的計算方法；薛峰[6]提出利用線陣圖像技術(shù)進(jìn)行圖像檢測的移動測量方案；范生宏[7]提出將數(shù)字?jǐn)z影測量方法用于檢測；許磊[8]提出一種基于激光跟蹤和手持激光掃描組合技術(shù)的軌道板檢測方法。

以京沈客專京冀段九標(biāo)軌道板場為背景，提出機(jī)械臂加載法如三維成像儀對軌道板進(jìn)行自動化掃描檢測的方法，對法如三維成像儀精度進(jìn)行分析是項目研究的基礎(chǔ)工作。

法如三維成像儀屬于非接觸拍照式三維掃描儀，能夠在短時間內(nèi)捕捉數(shù)百萬個高分辨率的三維坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)。作為CRTSⅢ型軌道板外形尺寸偏差自動化檢測系統(tǒng)的點云數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，在軌道板場生產(chǎn)車間的作業(yè)環(huán)境下，驗證使用范圍和點云質(zhì)量，確保項目順利實施。

根據(jù)VDI/VDE 2634中相關(guān)要求和驗證程序進(jìn)行測量，對法如三維成像儀的點云數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性進(jìn)行驗證[9]。

2 基本參數(shù)測試

法如三維成像儀作為光學(xué)掃描器，4項最基本參數(shù)是視場、分辨率、工作距離和景深[10]。光學(xué)器件的性能規(guī)格對系統(tǒng)性能和精度有很大影響。

采用鏡頭組視場500 mm、分辨率5 MP、點間距0.225 mm的法如三維成像儀進(jìn)行測試。儀器標(biāo)稱最短工作距離320 mm，每幅圖像數(shù)據(jù)點數(shù)約500萬個，測量范圍500 mm(長度)×350 mm(寬度)×300 mm(景深)。

為驗證上述性能標(biāo)稱參數(shù)的真實性與可靠性，將三維成像儀自帶的平面標(biāo)定板作為掃描對象，在車間現(xiàn)場構(gòu)建簡易測試環(huán)境，如圖1所示。利用PolyWorks控制三維成像儀，對工作距離、視場、景深、分辨率和點間距等進(jìn)行獨立驗證。

法如三維成像儀屬于雙目拍照式掃描系統(tǒng)，將結(jié)構(gòu)光、相位測量、計算機(jī)視覺等技術(shù)綜合集成，通過投影儀將數(shù)幅特定編碼的條紋光柵投射到待測物體表面，使用兩套光學(xué)鏡頭和CCD相機(jī)，成一定夾角的兩個攝像頭同步采集投射到物體表面的面結(jié)構(gòu)光，然后對圖像進(jìn)行解碼和相位計算，利用立體匹配技術(shù)和三角形測量原理，解算出被測物體表面兩個相機(jī)公共視區(qū)內(nèi)每個點的三維坐標(biāo)信息，從而實現(xiàn)物體三維信息數(shù)字化和測量。工作范圍與投影光柵面積成正比，投影光柵面積與測量距離成正比。測試時通過移動平面標(biāo)定板，測量標(biāo)定板與投影儀鏡頭間的距離，通過PolyWorks量測出標(biāo)定板點云數(shù)據(jù)的邊界范圍，如表1所示。

圖1 三維成像儀性能測試現(xiàn)場

表1 工作距離與點云邊界范圍關(guān)系 mm

從表1中可知，隨著工作距離縮短，掃描范圍也會減少。最遠(yuǎn)工作距離590 mm，點云數(shù)據(jù)面積496 mm×345 mm；最短工作距離310 mm，點云數(shù)據(jù)面積274 mm×257 mm。試驗結(jié)果表明，法如三維成像儀的工作距離、靶距、視場和測量范圍與標(biāo)稱參數(shù)基本一致。

軌道板承軌臺最高點距軌道板上表面的設(shè)計距離為88 mm，軌道板設(shè)計寬度200 mm，需要的軌道板長度至少400 mm[11]。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)分析，選擇合適的工作距離，可以滿足軌道板點云測量范圍需求。

使用三維成像儀隨機(jī)獲取軌道板承軌臺點云數(shù)據(jù)，利用PolyWorks對獲取的圖像數(shù)據(jù)點數(shù)和點間距等參數(shù)進(jìn)行驗證。點云類型為平面網(wǎng)格點云，包含點的坐標(biāo)位置信息和法向信息，獲取的單個承軌臺點云數(shù)據(jù)約490萬個，與標(biāo)稱參數(shù)500萬個基本一致。

使用PolyWorks隨機(jī)在點云不同位置選擇兩組相鄰點，利用建立“點特征”方法[12]，建立各相鄰點特征，求出各相鄰點間距離。位于點云中心的相鄰點間距離為0.226 mm和0.216 mm，位于點云邊緣的相鄰點距離為0.242 mm和0.231 mm。圖像點云數(shù)據(jù)點間距與標(biāo)稱參數(shù)0.225 mm基本一致。

綜上所述，法如三維成像儀性能基本參數(shù)(視場、分辨率、工作距離和景深)的實際試驗值與標(biāo)稱參數(shù)基本一致，滿足高速鐵路CRTSⅢ型軌道板外形尺寸偏差自動化檢測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的視場、工作距離、景深和分辨率要求。

綜合考慮軌道板各部位前后實際距離、放置于軌道板檢測臺的定位偏差和三維成像儀的掃描景深、工作距離、掃描范圍等參數(shù)，設(shè)計法如三維成像儀鏡頭與軌道板承軌臺相對關(guān)系如下:獲取軌道板承軌臺點云數(shù)據(jù)時，投影儀鏡頭正對承軌臺，與承軌臺表面相距約420 mm，獲取承軌臺關(guān)鍵部位和軌道板表面點云數(shù)據(jù)。承軌臺點云數(shù)據(jù)獲取結(jié)果與實體對比如圖2所示。

圖2 承軌臺點云數(shù)據(jù)(左)與實體(右)對比

3 精度測試

針對法如三維成像儀光學(xué)系統(tǒng)精度測試分析，采用VDI/VDE協(xié)會(德國工程師協(xié)會Verein Deutscher Ingenieure，簡稱 VDI；德國電氣工程師協(xié)會Verband Der Elektrotechnik，簡稱VDE)的“光學(xué)三維測量”技術(shù)委員會和德國攝影測量與遙感協(xié)會的“近景攝影測量”工作組起草的VDI/VDE2634準(zhǔn)則作為精度分析準(zhǔn)則。

VDI/VDE2634準(zhǔn)則是目前國際上針對光學(xué)測量系統(tǒng)進(jìn)行精度評估的通用標(biāo)準(zhǔn)，為基于不同原理的三維面結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)檢測評價提供多種方法，包含利用各種類型的標(biāo)準(zhǔn)尺寸工件對不同測量系統(tǒng)精度進(jìn)行評估，適用于根據(jù)三角測量原理工作的光學(xué)三維測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)可采用不同配置方法，傳感器(感應(yīng)設(shè)備)也可以由多種結(jié)構(gòu)組成。準(zhǔn)則對用于光學(xué)三維測量系統(tǒng)精度評估的標(biāo)準(zhǔn)件作出了詳細(xì)規(guī)定。

法如三維成像儀屬于面掃描系統(tǒng)，主要利用VDI/VDE2634中Part 2的測試方法和精度評定規(guī)則，選用標(biāo)準(zhǔn)四面體作為標(biāo)準(zhǔn)體對精度進(jìn)行驗證。

(1)選擇由北京長城計量測試技術(shù)研究所提供的四面體標(biāo)準(zhǔn)器作為標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件由4個標(biāo)準(zhǔn)球形目標(biāo)構(gòu)成四面體坐標(biāo)架，標(biāo)準(zhǔn)工具球為直徑38.1 mm的不銹鋼亮光球，球與球之間通過銦鋼器具連接，標(biāo)準(zhǔn)器采用銦鋼制作，標(biāo)準(zhǔn)球中心點A、B、C和D坐標(biāo)由北京長城計量測試技術(shù)研究所校準(zhǔn)核驗。

(2)將四面體標(biāo)準(zhǔn)件的4個標(biāo)準(zhǔn)工具球均勻噴涂顯像劑，放置于軌道板檢測臺座上。

(3)庫卡機(jī)器人攜帶三維成像儀移動至四面體標(biāo)準(zhǔn)件附近，開啟三維成像儀預(yù)熱30 min。

(4)利用PolyWorks控制三維成像儀從5個不同位置獲取標(biāo)準(zhǔn)工具球點云數(shù)據(jù)5次。測試現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場精度測試

利用PolyWorks對獲取的球體點云數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳擬合，得到數(shù)字模型、球心坐標(biāo)和球的直徑。

從5個不同位置觀測的4個標(biāo)準(zhǔn)球擬合直徑見表2。

表2 不同位置標(biāo)準(zhǔn)球測量直徑 mm

由表2可知，同一標(biāo)準(zhǔn)球不同測量位置的直徑偏差小于0.03 mm，同一位置不同目標(biāo)球的測量直徑偏差小于0.05 mm，表明標(biāo)準(zhǔn)球在不同位置測量直徑相對穩(wěn)定。

統(tǒng)計同一位置不同標(biāo)準(zhǔn)球測量直徑偏差的絕對值最大值、中誤差、平均值和極差，以及同一標(biāo)準(zhǔn)球不同位置測量直徑偏差的絕對值最大值、中誤差、平均值和極差，驗證分析成像儀測量點云數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和可靠性。統(tǒng)計分析結(jié)果見表3。

表3 各位置標(biāo)準(zhǔn)球擬合直徑分析 mm

由表3可見，同一位置不同標(biāo)準(zhǔn)球測量值直徑偏差最大值和極差小于0.05 mm，中誤差和平均值小于0.02 mm；同一標(biāo)準(zhǔn)球不同位置測量值直徑偏差絕對值最大值小于0.05 mm，中誤差小于0.015 mm，平均值小于0.04 mm，極差小于0.03 mm。表明法如三維成像儀測量的點云數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和可靠性極高，滿足標(biāo)稱精度要求。

計算同一位置不同標(biāo)準(zhǔn)球間的測量距離，觀測結(jié)果見表4。

表4 5次觀測標(biāo)準(zhǔn)球間距離 mm

統(tǒng)計5次不同位置標(biāo)準(zhǔn)球間測量距離偏差、偏差絕對值最大值、偏差中誤差、偏差平均值和偏差極值見表5。

表5 各標(biāo)準(zhǔn)球間距離偏差分析mm

由表5可知，不同位置目標(biāo)球間的測量距離成果穩(wěn)定，偏差最大值小于0.03 mm，測量中誤差小于0.005 mm，偏差平均值絕對值小于0.03 mm，偏差極差小于0.02 mm，滿足三維成像儀0.05 mm的標(biāo)稱精度要求。

4 結(jié)論

高速鐵路CRTSⅢ型軌道板幾何尺寸偏差自動化檢測系統(tǒng)對點云獲取設(shè)備要求較高，通過測試分析，法如三維成像儀各項指標(biāo)均滿足軌道板幾何尺寸偏差自動化檢測需求，可作為高速鐵路CRTSⅢ型軌道板幾何尺寸偏差自動化檢測系統(tǒng)點云數(shù)據(jù)獲取設(shè)備。