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 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)，用高密度點云測量的方式來測試大尺寸工裝。該項目應(yīng)用中的測量精度與三坐標(biāo)測量機作比較，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

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，再對點云空間坐標(biāo)進(jìn)行校正根據(jù)三角測量原理。照相測量分為單機測量和雙相機測量系統(tǒng)。文中選用的進(jìn)口相機和測量設(shè)備公差精度為5μm+5μm/m，其中鄭州辰維CIM3相機公差精度為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，它利用回光標(biāo)記點貼在被測物體上并引導(dǎo)激光線。2個攝像頭捕捉瞬時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點云數(shù)據(jù)?？梢愿鶕?jù)照片測量得到標(biāo)志點的平面坐標(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

為加強對拍照和掃描測量精度的驗證以及尺寸對精度的影響，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米測量機對工裝的外觀設(shè)計進(jìn)行測量，實測的數(shù)值假設(shè)為模型的真實值。為了對比結(jié)果更精確，每50毫米設(shè)置一個測量點。模型測試面共有1946個測量點。

2.1測量前的準(zhǔn)備

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

2.1.1編碼點和測點布置

單臺相機無法表示被測物體是三維物體。照片必須用編碼標(biāo)記點拼湊在一起。規(guī)定每張照片必須至少有6個編碼標(biāo)記點，每兩張照片重疊編碼不少于4個點。本次調(diào)查中，每0.5米設(shè)置一個編碼標(biāo)記點。編碼點以“田”字排列，布局合理，對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（強烈建議1/500以上）。標(biāo)記點和編碼點的直徑均為6毫米。被測反射標(biāo)記點按測量機測量點位排列。

2.1.2創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)尺

照相測量得到的點云模型只是一個等比例的縮放體。因此，必須增加一個標(biāo)準(zhǔn)限制來還原點云的真實規(guī)格，并且可以測量詳細(xì)點云模型的規(guī)格信息內(nèi)容。在整個測量過程中要使用兩個以上的標(biāo)準(zhǔn)尺，軟件對參考長度進(jìn)行調(diào)整計算，多個參考長度可以合理識別并防止參考規(guī)則本身的錯誤。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，本次利用測量機下模具參考點的平均誤差創(chuàng)建3個虛擬參考標(biāo)尺。10毫米TOS目標(biāo)已轉(zhuǎn)換。

2.2照片拍攝

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

2.3三維激光掃描

將相機測量系統(tǒng)軟件創(chuàng)建的掃描測量控制網(wǎng)的點坐標(biāo)導(dǎo)入掃描儀手??機軟件中，設(shè)置掃描點距離，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)等實際操作。嚴(yán)禁對掃描數(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

驗證每臺相機的精度，多臺相機拍攝數(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)計分析，與理論模型即時對比的結(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)兩端對齊的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3試驗結(jié)論

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

進(jìn)口相機三維測量偏差在8米以內(nèi)。與測量機的測量結(jié)果相比，正差為0.043毫米，落差為0.012毫米。相機的測量精度滿足機器設(shè)備允許誤差的指標(biāo)值。同時，它在手機中。在軟件中，點云數(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)相對密度的大型零件的外觀設(shè)計。同時，它可以快速懷疑機場是常見故障。進(jìn)行診斷對連接從設(shè)計方案、制造到安裝和測量的整個數(shù)據(jù)步驟具有主動作用，是電容網(wǎng)格測量的超強補充。

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