关于数字近景工业摄影测量的关键技术及其应用

李江涛，潘春强，刘伟，胡新文

（国网新源控股有限公司北京十三陵蓄能电厂，北京 102299）

0 引言

在传统制造业中，往往采用抽查的方式对产品进行测量，检验其合格性，而在如今制造业中，人们更多追求的是设备的精准装配和零件的零报废，若要实现这一目标，就需要对被测物进行精细化测量。数字近景工业摄影测量技术是如今较为热门的非接触式大场景测量技术。通过该技术能够对被测物体进行几何定位，给出被测物体的重要信息，同时能够准确读取并解析影像映像。将其应用到国内高精度制造业中，能够有效推动国内制造业的发展，提高设备质量和安全性。

1 编码标志点的设计

在对编码标志点进行设计时，需要遵循以下三点原则：第一，编码标志点应具备旋转、平移、尺度的不变性。第二，要易于探测和定位。第三，标志中心要有较高的定位精度。根据设计原则，此处借助同心圆形编码方法进行编码设计，即圆形标志中被存在唯一编码的圆环包裹，编码圆环被均匀分割成n位编码。通过二进制方式表征每一编码位[1-2]。在结束编码标志点设计环节后，需要对其进行识别与定位工作。其中，识别的过程可视为自主探测编码标志影像边缘的过程，编码标志影像在Cany算子等检测算子的作用下，可划分割成非标志区域和候选标志区域两大区域。对候选标志区域而言，可通过特征判断的方式提出非标志后区域：第一，假如候选区域中存在像素较多或较少的特征时，那么该区域则不可能为非标志区域，可进行剔除。第二，假如候选区域的圆度低于设定值时，那么该区域也不可能为非标志区域，可进行剔除。第三，对候选区域进行椭圆拟合，获取拟合残差，假如所得结果过大，那么可进行剔除。第四，获取候选区域与背景区域的灰度差值，而后与限差值进行比较，若小于限差值，则可进行剔除。第五，对编码圆环进行椭圆拟合处理，获取相应的拟合残差，若所得结果较大，那么可进行剔除。通过以上操作后，可通过椭圆拟合的方式对标志中心进行处理，以获取编码标志的像点坐标。接着，获取标志中心的张角，进而获取连续编码区域的位数情况[3]。

2 水轮机镜板测量网形的设计

相对被测物体而言，摄站方位的不同，测量网的形状亦会有所不同。在实际测量中，被测物体一般是固定不动的，所以摄站位置的布置除了需要考虑到测量精度外，还需对相机本身性能、摄影标志对入射角的限制等因素进行综合考量。基于上述因素的考量，测量网的设计需要遵循以下四大原则：第一，至少在四个不同的摄站上拍摄到同一个标志点。第二，所有标志点的交会角保持在60°-120°之间。第三，在对RRT标志点进行拍摄时，入射角应低于45°。第四，确保所有相片间有100%重叠[4]。为了提高数字近景测量精度，可从在不同摄站对水轮镜板标志点进行交会测量，由于这种测量方式增加了多余测值，因此测量结果的可靠性将会得到一定程度的提升。此外，还可通过增大交会角的方式来提高测量的精度，但需要注意的是，摄影入射角度不可超过设定值，不然会影响测量的精度。为了避免在增大交会角的同时，入射角超过设定值，可将相机与水轮机镜板中心处形成45°拍摄角。假如所有相片间具备100%重叠时，水轮机镜板在所有图片上均能成像，在这种条件下进行测量是最为简单的。反之，则可将水轮机镜板分割成前、后、左、右等不同区域，如此，所有区域便能重叠在一起，降低测量的难度。为了将各区域测量结果统一到一个坐标系当中，所有相邻区域间的相片必须拥有重叠的部分，存在的公共点需要保持在3个以上，如此才能将各局部联系起来。

3 数字近景摄影测量在水轮机镜板中的应用

3.1 测量方案

本文选择的测量方案如下：首先，将RRT标志粘贴在镜板表面，并借助双经纬仪对部分控制点坐标进行测量。其次，在不同摄站使用数码相机进行拍摄，获取镜板照片。最后，借助光速法平差对标志点坐标进行解算，进而借助CAD面型转换法获取镜板的实际面型误差[5]。

3.2 测量结果

为了检测数字近景工业摄影测量的精度，与经纬仪测量系统进行了比较研究，得到的部分结果如表1所示。

从表1可以看出，坐标测量的精度优于0.25mm，使用内部参数存在差异性的自标定法坐标测量结果为0.21mm，采用内部参数均相同的自标定法坐标测量结果为0.225mm，后者比前者高出了0.015mm，相对精度提高了6.7%。与实际精度相比，检后估计值的精度较高，肯定了数字近景工业摄影测量的精度。接着借助CAD面型转换法分别对数字近景工业摄影测量得到的点坐标和经纬仪测量得到的点坐标进行计算，获取各自的镜板面型误差，得到的结果如表2所示。

表1 点坐标部分测量结果

表2 法向偏差结果

从表2可以看出，面型的测量精度优于0.1mm，使用内部参数存在差异性的自标定法坐标测量结果为0.308m，采用内部参数均相同的自标定法坐标测量结果为0.337mm，后者比前者高出了0.015mm，相对精度提高了33.7%，再次肯定了数字近景工业摄影测量精度。

4 结语

本文首先对数字近景工业摄影测量技术中的编码标志点和水轮机镜板测量网形这些关键技术进行了设计，给出了相应的设计细则和规范。其次，将数字近景摄影测量技术应用到了水轮机镜板中进行测量，并给出了详细的测量方案。最后，为检验数字近景工业摄影测量技术的测量精度，与经纬仪测量系统进行了比较，结果表示，面板模胎面型检测精度优于0.1mm，肯定了数字近景工业摄影测量技术的测量精度。