關(guān)于數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

李江濤，潘春強(qiáng)，劉偉，胡新文

（國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京 102299）

0 引言

在傳統(tǒng)制造業(yè)中，往往采用抽查的方式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量，檢驗(yàn)其合格性，而在如今制造業(yè)中，人們更多追求的是設(shè)備的精準(zhǔn)裝配和零件的零報(bào)廢，若要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要對(duì)被測(cè)物進(jìn)行精細(xì)化測(cè)量。數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)是如今較為熱門的非接觸式大場景測(cè)量技術(shù)。通過該技術(shù)能夠?qū)Ρ粶y(cè)物體進(jìn)行幾何定位，給出被測(cè)物體的重要信息，同時(shí)能夠準(zhǔn)確讀取并解析影像映像。將其應(yīng)用到國內(nèi)高精度制造業(yè)中，能夠有效推動(dòng)國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，提高設(shè)備質(zhì)量和安全性。

1 編碼標(biāo)志點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在對(duì)編碼標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循以下三點(diǎn)原則：第一，編碼標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)具備旋轉(zhuǎn)、平移、尺度的不變性。第二，要易于探測(cè)和定位。第三，標(biāo)志中心要有較高的定位精度。根據(jù)設(shè)計(jì)原則，此處借助同心圓形編碼方法進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)，即圓形標(biāo)志中被存在唯一編碼的圓環(huán)包裹，編碼圓環(huán)被均勻分割成n位編碼。通過二進(jìn)制方式表征每一編碼位[1-2]。在結(jié)束編碼標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)后，需要對(duì)其進(jìn)行識(shí)別與定位工作。其中，識(shí)別的過程可視為自主探測(cè)編碼標(biāo)志影像邊緣的過程，編碼標(biāo)志影像在Cany算子等檢測(cè)算子的作用下，可劃分割成非標(biāo)志區(qū)域和候選標(biāo)志區(qū)域兩大區(qū)域。對(duì)候選標(biāo)志區(qū)域而言，可通過特征判斷的方式提出非標(biāo)志后區(qū)域：第一，假如候選區(qū)域中存在像素較多或較少的特征時(shí)，那么該區(qū)域則不可能為非標(biāo)志區(qū)域，可進(jìn)行剔除。第二，假如候選區(qū)域的圓度低于設(shè)定值時(shí)，那么該區(qū)域也不可能為非標(biāo)志區(qū)域，可進(jìn)行剔除。第三，對(duì)候選區(qū)域進(jìn)行橢圓擬合，獲取擬合殘差，假如所得結(jié)果過大，那么可進(jìn)行剔除。第四，獲取候選區(qū)域與背景區(qū)域的灰度差值，而后與限差值進(jìn)行比較，若小于限差值，則可進(jìn)行剔除。第五，對(duì)編碼圓環(huán)進(jìn)行橢圓擬合處理，獲取相應(yīng)的擬合殘差，若所得結(jié)果較大，那么可進(jìn)行剔除。通過以上操作后，可通過橢圓擬合的方式對(duì)標(biāo)志中心進(jìn)行處理，以獲取編碼標(biāo)志的像點(diǎn)坐標(biāo)。接著，獲取標(biāo)志中心的張角，進(jìn)而獲取連續(xù)編碼區(qū)域的位數(shù)情況[3]。

2 水輪機(jī)鏡板測(cè)量網(wǎng)形的設(shè)計(jì)

相對(duì)被測(cè)物體而言，攝站方位的不同，測(cè)量網(wǎng)的形狀亦會(huì)有所不同。在實(shí)際測(cè)量中，被測(cè)物體一般是固定不動(dòng)的，所以攝站位置的布置除了需要考慮到測(cè)量精度外，還需對(duì)相機(jī)本身性能、攝影標(biāo)志對(duì)入射角的限制等因素進(jìn)行綜合考量。基于上述因素的考量，測(cè)量網(wǎng)的設(shè)計(jì)需要遵循以下四大原則：第一，至少在四個(gè)不同的攝站上拍攝到同一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)。第二，所有標(biāo)志點(diǎn)的交會(huì)角保持在60°-120°之間。第三，在對(duì)RRT標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行拍攝時(shí)，入射角應(yīng)低于45°。第四，確保所有相片間有100%重疊[4]。為了提高數(shù)字近景測(cè)量精度，可從在不同攝站對(duì)水輪鏡板標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行交會(huì)測(cè)量，由于這種測(cè)量方式增加了多余測(cè)值，因此測(cè)量結(jié)果的可靠性將會(huì)得到一定程度的提升。此外，還可通過增大交會(huì)角的方式來提高測(cè)量的精度，但需要注意的是，攝影入射角度不可超過設(shè)定值，不然會(huì)影響測(cè)量的精度。為了避免在增大交會(huì)角的同時(shí)，入射角超過設(shè)定值，可將相機(jī)與水輪機(jī)鏡板中心處形成45°拍攝角。假如所有相片間具備100%重疊時(shí)，水輪機(jī)鏡板在所有圖片上均能成像，在這種條件下進(jìn)行測(cè)量是最為簡單的。反之，則可將水輪機(jī)鏡板分割成前、后、左、右等不同區(qū)域，如此，所有區(qū)域便能重疊在一起，降低測(cè)量的難度。為了將各區(qū)域測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系當(dāng)中，所有相鄰區(qū)域間的相片必須擁有重疊的部分，存在的公共點(diǎn)需要保持在3個(gè)以上，如此才能將各局部聯(lián)系起來。

3 數(shù)字近景攝影測(cè)量在水輪機(jī)鏡板中的應(yīng)用

3.1 測(cè)量方案

本文選擇的測(cè)量方案如下：首先，將RRT標(biāo)志粘貼在鏡板表面，并借助雙經(jīng)緯儀對(duì)部分控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。其次，在不同攝站使用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝，獲取鏡板照片。最后，借助光速法平差對(duì)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行解算，進(jìn)而借助CAD面型轉(zhuǎn)換法獲取鏡板的實(shí)際面型誤差[5]。

3.2 測(cè)量結(jié)果

為了檢測(cè)數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量的精度，與經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了比較研究，得到的部分結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，坐標(biāo)測(cè)量的精度優(yōu)于0.25mm，使用內(nèi)部參數(shù)存在差異性的自標(biāo)定法坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果為0.21mm，采用內(nèi)部參數(shù)均相同的自標(biāo)定法坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果為0.225mm，后者比前者高出了0.015mm，相對(duì)精度提高了6.7%。與實(shí)際精度相比，檢后估計(jì)值的精度較高，肯定了數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量的精度。接著借助CAD面型轉(zhuǎn)換法分別對(duì)數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量得到的點(diǎn)坐標(biāo)和經(jīng)緯儀測(cè)量得到的點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，獲取各自的鏡板面型誤差，得到的結(jié)果如表2所示。

表1 點(diǎn)坐標(biāo)部分測(cè)量結(jié)果

表2 法向偏差結(jié)果

從表2可以看出，面型的測(cè)量精度優(yōu)于0.1mm，使用內(nèi)部參數(shù)存在差異性的自標(biāo)定法坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果為0.308m，采用內(nèi)部參數(shù)均相同的自標(biāo)定法坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果為0.337mm，后者比前者高出了0.015mm，相對(duì)精度提高了33.7%，再次肯定了數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量精度。

4 結(jié)語

本文首先對(duì)數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)中的編碼標(biāo)志點(diǎn)和水輪機(jī)鏡板測(cè)量網(wǎng)形這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)細(xì)則和規(guī)范。其次，將數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到了水輪機(jī)鏡板中進(jìn)行測(cè)量，并給出了詳細(xì)的測(cè)量方案。最后，為檢驗(yàn)數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度，與經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了比較，結(jié)果表示，面板模胎面型檢測(cè)精度優(yōu)于0.1mm，肯定了數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度。