黃桂平王偉峰軒亞兵段 玲

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.辰維科技股份有限公司，河南 鄭州 450001；3.中國第二重型機械集團公司，四川 德陽 618000）

工業(yè)攝影測量系統(tǒng)檢定方法研究進展

黃桂平1，2，王偉峰1，軒亞兵1，段 玲3

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.辰維科技股份有限公司，河南 鄭州 450001；3.中國第二重型機械集團公司，四川 德陽 618000）

工業(yè)攝影測量系統(tǒng)引入我國已有近十年，由于其高準確度、高速度、無接觸、適于動態(tài)測量及能在惡劣條件下測量等優(yōu)點，已為我國精密工業(yè)領域的發(fā)展做出巨大貢獻。但目前國內(nèi)還沒有成熟的方法來評價其測量準確度。該文總結(jié)德國VDI/VDE 2634和美國GSI公司內(nèi)部檢定工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的規(guī)范和準則；介紹法國計量院和法國GMS公司標定基準尺長度的方法；論述我國目前在該領域的研究情況，提出一些建議，為我國工業(yè)攝影測量系統(tǒng)檢定規(guī)程的制定提供參考依據(jù)。

工業(yè)攝影測量；檢定方法；相機；測量網(wǎng)形

0 引 言

數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)作為工業(yè)測量系統(tǒng)的重要組成部分，為工業(yè)產(chǎn)品制造提供過程指導和質(zhì)量監(jiān)控，在現(xiàn)代精密制造工業(yè)中發(fā)揮著重要作用[1-2]。以美國為代表的西方國家在大型精密工件加工與安裝、各類微波天線的加工與安裝以及巨型航空航天飛行器的校準與檢驗方面，應用高準確度工業(yè)攝影測量已有幾十年的歷史[2]。國內(nèi)于2005年引進國際上最先進的工業(yè)攝影測量系統(tǒng)V-STARS，經(jīng)過近十年的研究及應用，在相關(guān)理論和工程實踐方面積累了一定的經(jīng)驗，完成了多項高準確度工業(yè)測量任務。

數(shù)字工業(yè)攝影測量與常規(guī)測量不同，屬于非接觸性測量，不傷及測量目標，不干擾被測物自然狀態(tài)，能夠瞬間獲取被測目標的物理信息和幾何信息，適于被測目標環(huán)境不甚穩(wěn)定以及劇烈變化的測量。近年來，數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)以其高準確度的測量特性在國內(nèi)得到廣泛應用[3-7]。然而，目前國內(nèi)還沒有成熟的標準和規(guī)范對其測量準確度進行評定。如何評價數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的準確度開始成為研究者關(guān)心的重要問題[8]。

1 國外檢定方法

工業(yè)攝影測量系統(tǒng)在西方國家的發(fā)展已有近半個世紀的歷史，很多西方國家的科研機構(gòu)和公司對其測量理論進行了深入研究。其中，德國聯(lián)邦物理研究院制定了VDI/VDE 2634檢定規(guī)范，美國GSI公司也制定了比較成熟的內(nèi)部檢定規(guī)范，法國計量科學研究院和法國GMS公司在攝影測量基準尺長度標定方面也提出了比較成熟的方法，為工業(yè)攝影測量系統(tǒng)準確度的檢定提供了寶貴經(jīng)驗。

1.1 德國VDI/VDE 2634

VDI/VDE 2634是德國聯(lián)邦物理研究院于2002年制定的關(guān)于工業(yè)測量領域的規(guī)范，其中第1部分主要講述了工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的檢定方法。其檢定思路是：在三維空間內(nèi)，通過比較標準器的測量長度和標稱長度的差值來評定測量系統(tǒng)的準確度，該規(guī)范通過一個測量框架來實現(xiàn)。該測量框架的大小為2m× 2m×1.5m，上面沿各個方向放置7根準確標定的碳纖維基準尺，每根基準尺上有5個基準長度。圖1（a）為檢定所用框架，圖1（b）為框架示意圖，其中虛線表示框架，實線代表7根已準確標定的基準尺。

圖1 VDI/VDE 2634檢定用框架及其示意圖

1.1.1 檢定過程

1）自標定：在正對框架的5個位置對框架拍攝，每個位置拍攝4張照片，每拍攝1張照片，相機旋轉(zhuǎn)90°，這樣可以充分補償由于相機不穩(wěn)定對相機內(nèi)方位元素的影響，拍攝位置示意圖見圖2（a）。

2）檢定：在測量框架的周圍均勻拍攝32張照片（特殊條件下可以拍攝20張照片）完成對系統(tǒng)的檢定，拍攝位置示意圖見圖2（b）、圖2（c）。照片拍攝完成后，對框架上放置的7根基準尺的長度進行計算，每根基準尺上計算5個長度，方案如圖3所示。

圖2 VDI/VDE 2634檢定過程中相機位置示意圖

1.1.2 評定方法

1）如果測量出的每個長度與標定的長度之差均不超過規(guī)定的誤差，則被檢定的系統(tǒng)合格。

2）如果只有1根基準尺的測量長度與標定長度之差超過規(guī)定的誤差，則重新檢定1次。第2次檢定全部合格，則認為被檢定系統(tǒng)合格；第2次檢定還有超過規(guī)定誤差的，則被檢定系統(tǒng)判定為不合格。

圖3 基準尺上測量的5個長度選擇方案

1.2 美國GSI公司檢定方法

美國GSI公司在工業(yè)攝影測量領域具有領先地位。其公司有1套詳盡的出廠檢定規(guī)程，主要通過對該公司檢定墻的拍攝來完成攝影測量系統(tǒng)各項指標的檢定。其檢定思路是用高準確度的STARS系統(tǒng)來評定低精度的測量系統(tǒng)。以檢定V-STARS系統(tǒng)為例，由于STARS系統(tǒng)的精度比V-STARS系統(tǒng)高兩倍以上，因此可以采取對同1面檢定墻進行拍攝，然后用坐標轉(zhuǎn)換的方法，得到坐標轉(zhuǎn)換準確度。根據(jù)誤差傳播定律，用STARS系統(tǒng)的準確度反推V-STARS系統(tǒng)的準確度（STARS系統(tǒng)的準確度是已知的）。GSI公司的檢定墻長2.21m，寬3.48m，其前方0.56m處的天花板上均勻分布有49個牢固的套管。墻上和套管上分別貼有標志點，且墻上還固定有高準確度的基準尺，如圖4所示。

圖4 GSI公司檢定墻

1.2.1 檢定過程

1）STARS系統(tǒng)在7個位置對檢定墻進行拍攝，每個位置拍攝4張照片，每拍攝1張照片相機旋轉(zhuǎn)90°，即相機在0°，90°，180°，270°每個位置拍攝1張照片，共拍攝28張照片，其拍攝位置示意圖和相機旋轉(zhuǎn)示意圖見圖5，工程模擬圖見圖6。拍攝時應使相機盡可能地遠離墻，使墻上的標志點能夠在相機中全部成像。該系統(tǒng)對檢定墻的上標志點坐標的測量均方根誤差記為RMS（STARS）。

圖5 GSI公司檢定相機時相機拍攝位置及相機旋轉(zhuǎn)示意圖

圖6 28張照片工程模擬圖

2）對V-STARS系統(tǒng)進行檢定：V-STARS系統(tǒng)也在上述的7個位置對檢定墻進行拍攝，所不同的是，只在左上角、左下角、右上角和右下角4個位置每個位置拍攝兩張照片，相機位置分別是0°，90°。其他位置相機只在0°拍攝1張照片，共拍攝11張照片。然后用V-STARS軟件對拍攝的照片進行解算，其工程模擬圖見圖7。

圖7 11張照片工程模擬圖

1.2.2 評定方法

1）V-STARS標稱的測量準確度與被測物體的體對角線長度有關(guān)。根據(jù)該檢定墻的范圍，其體對角線長為4.2 m。也就是說，用標稱準確度為5μm+ 5 μm/m的系統(tǒng)對該檢定墻進行測量，其測量準確度為5+5×4.2=26μm，記V-STARS的標稱準確度為V-STARSAccuracy。

2）通過坐標轉(zhuǎn)換的方式，將STARS和V-STARS拍攝的相同的標志點轉(zhuǎn)換到同一個坐標系中。計算對應標志點在X、Y、Z方向的偏差，根據(jù)各個點的點位偏差計算得到所有點點位偏差的RMS，記為RMS（V-STARS）。

3）由于是通過STARS系統(tǒng)來檢定V-STARS系統(tǒng)，根據(jù)誤差傳播定律，必須將STARS系統(tǒng)的引入誤差排除掉。根據(jù)誤差傳播定律，可以得到下面的公式：

因此，用V-STARS與STARS進行點位匹配時的點位偏差RMS（V-STARS）應該滿足下式：

對于上面的例子，如果用標稱準確度為5 μm+ 5 μm/m的V-STARS系統(tǒng)對檢定墻拍攝，其準確度限制值為0.026mm，根據(jù)上述公式可得：

如果實驗得到的RMS（V-STARS）≤0.029mm，則評定該系統(tǒng)為合格，否則該系統(tǒng)評為不合格。

4）由于檢定墻上還固定有基準尺，也可以通過長度來評定相機，當然也可以通過重復性實驗來評定相機。

1.3 基準尺長度標定方法

攝影測量基準尺一般由碳纖維材料或銦鋼材料制成，其長度通過兩個標志點（RRT）中心之間的距離確定。要精確確定基準尺的長度，關(guān)鍵是精確確定標志點的中心。

1.3.1 法國計量科學研究院基準尺的檢定方法

法國計量科學研究院在基準尺長度檢定方面制定了比較成熟的規(guī)范方法——幾何中心法。由于基準尺上的標志點是圓形的，在圓中，過圓心與圓相交的兩點之間的線段是圓的直徑；反過來，找到圓上過同一條直徑的兩點，可以確定圓的圓心，這就是幾何中心法的基本思想。其原理圖如圖8所示。

根據(jù)簡單的幾何關(guān)系基準尺長度計算公式為

1.3.2 法國GMS公司基準尺的檢定方法

圖8 法國計量院幾何中心法示意圖

法國GMS公司標定基準尺長度的方法是攝影測量法。攝影測量法的基本原理是：采用攝影測量的方法，用高準確度的基準尺標定低準確度的基準尺。在標定過程中，基準尺上標志點的中心通過攝影測量系統(tǒng)內(nèi)部的算法得到。這樣得到的基準尺長度與實際工程中基準尺長度的獲得方式是相同的。GMS公司的檢定墻與GSI公司的檢定墻類似，其上固定了一根長約2m的基準尺（Sn：CSB-40-2000-100），該基準尺的長度被精確標定，當然待標定的基準尺也固定在檢定墻上。采用GSI公司的V-STARS/S8系統(tǒng)來標定未知長度的基準尺，該系統(tǒng)標稱的測量準確度為5μm+5μm/m。拍攝方法與1.2.1的拍攝方法一樣，見圖7。然后用V-STARS軟件對獲取的照片進行解算，得到待標定基準尺的長度。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)對工業(yè)攝影測量系統(tǒng)準確度的研究還處于起步階段，在借鑒國外對該系統(tǒng)檢定方法的基礎上，進行了初步探索，積累了一些寶貴的經(jīng)驗。

2.1 基準尺長度標定方法研究

目前國內(nèi)對基準尺長度的標定方法主要有3種：

1）幾何中心法：對于圓來說，圓心位于直徑的中點；反過來，找到一條直徑的兩個端點就可以確定圓心的位置，這就是幾何中心法的基本思想，圖9為其示意圖。

圖9 國內(nèi)幾何中心法示意圖

用該方法對基準尺長度進行標定，得到的是標志點的幾何中心，而實際測量當中得到的是標志點的灰度中心，兩者之間的位置關(guān)系稍有偏差。但是幾何中心法操作簡單，解算速度快。由于切割位置有限，標志點的外形質(zhì)量對切割位置影響較大，標定準確度較低。

2）灰度重心法：在工業(yè)攝影測量領域，解算軟件內(nèi)部確定標志點中心的方法一般有質(zhì)心法、灰度加權(quán)中心法和重心法。文獻[9]提出一種用標志點的灰度重心代表標志點中心的算法?；叶戎匦姆ㄍㄟ^顯微鏡用CCD對基準尺上的標志點進行拍照，然后對標志點的圖像進行處理，確定標志點的灰度重心位置。該方法理論上的測量不確定度可以達到2μm。

該方法用高分辨率CCD相機拍攝標志點的圖像，通過圖像處理確定標志點的灰度中心，避免了人眼觀測的影響。但是該方法操作麻煩，受測量范圍和標志點外形質(zhì)量等因素的影響較大。

3）攝影測量法：該方法與法國GMS公司標定基準尺長度的方法相似，但又有不同。該方法巧妙利用激光干涉儀提供高準確度的基準長度，比GMS公司用的標準池的準確度高很多。

其實驗示意圖如圖10所示，當氣浮運動平臺在位置1時，對該基準尺和氣浮運動平臺進行攝影，然后將氣浮運動平臺移動到位置2，記錄位置1到位置2的距離，再對基準尺和運動裝置進行拍攝，作為一次測量，對測量結(jié)果進行解算，得到基準尺長度。其中氣浮運動平臺從位置1到位置2的距離可以通過激光干涉儀測得，其不確定度為0.1μm+0.1μm/m，位置1到位置2的距離作為標準尺。

圖10 攝影測量法實驗裝置圖

攝影測量法提取的是標志點的灰度中心，與應用環(huán)境一致。其標定過程比較簡便，但對標定人員的攝影測量技能要求較高。

2.2 相機測量重復性研究

測量重復性，即內(nèi)符合準確度，是指在相同條件下，對同一被觀測量進行連續(xù)多次測量所得結(jié)果之間的一致性，反映系統(tǒng)的重復性和穩(wěn)定性。測量重復性是儀器準確度檢定和測量結(jié)果評定中最常用最直觀的指標。為測試工業(yè)攝影測量相機的測量重復性，通過對若干組拍攝的相同標志點的工程進行坐標轉(zhuǎn)換，比較相同標志點在X、Y、Z方向差值的均方根偏差DX、DY、DZ以及點位均方根誤差來評定相機的測量重復性。

通過對影響相機測量性能的各種因素的分析，在參考國內(nèi)外一些做法的基礎上，作者提出一種測試相機測量重復性的方法——9點法。其網(wǎng)形布設采用9點網(wǎng)形，每個點拍攝4張照片，每次拍攝相機旋轉(zhuǎn)90°，拍攝位置位于檢定墻前3m處，每次拍攝應使盡可能多的標志點在相片上成像，如圖11所示。9點法的測量網(wǎng)形比較穩(wěn)定，相機在拍攝的過程中旋轉(zhuǎn)4個位置能夠充分補償相機結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定對測量結(jié)果的影響。

圖11 9點法相機拍攝位置示意圖

研究發(fā)現(xiàn)9點法工作量比較小，測試準確度高，能夠充分補償相機結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定對測量結(jié)果的影響，較真實地反映相機的測量性能。

2.3 相機外符合準確度測試

外符合準確度，即測量系統(tǒng)的觀測結(jié)果與被觀測量的真值的符合程度，可以通過測量標準物來評定。由于工業(yè)攝影測量是通過標志點來反映被測物的幾何特征，且標志點的粘貼具有隨機性，如何通過巧妙的設計，找到能夠反映標準物特征的方案是標準長度測試研究的關(guān)鍵。利用中國計量科學研究院激光干涉儀高準確度的測量性能，通過測量氣浮平臺移動的距離，并將該距離與實際測量得到的距離進行比較，評定相機系統(tǒng)的外符合準確度。該干涉儀測量長度不確定度為0.1μm+0.1μm/m[8]。

其實驗原理如圖12所示，圖中的長度可以通過激光干涉儀測出。在解算過程中以L1為基準尺解算L2的長度L2′，并比較L2與L2′，以此評定相機的外符合準確度，在實驗中得到了很好的結(jié)果。

3 結(jié)束語

圖12 標準長度法實驗裝置示意圖

本文對國外檢定工業(yè)攝影測量系統(tǒng)比較成熟的方法進行了詳細介紹，并闡述了國內(nèi)在該方面的研究進展，包括基準尺長度標定、相機重復性測試和相機外符合準確度的測試。

工業(yè)攝影測量系統(tǒng)檢定程序的大方向應該是：1）對基準尺長度的檢定；2）相機系統(tǒng)測量重復性的檢定；3）采用標準長度檢定相機系統(tǒng)，且在X、Y、Z方向上都應該有標準長度。

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圖7 淺水測試場布局

5 結(jié)束語

淺水安裝測試的建造無論是對我國掌握關(guān)鍵的安裝測試技術(shù)，還是對國內(nèi)自主研發(fā)水下生產(chǎn)設施的測試驗證都具有重大意義。

通過對國外公司的淺水安裝測試內(nèi)容分析得出，淺水測試是對陸地SIT測試的補充測試，只有在陸地測試無法進行或有必要對水下安裝進行進一步驗證時才采用。考慮到我國的實際情況，目前已制造出了一批水下產(chǎn)品樣機，未來將陸續(xù)制造出相關(guān)的水下產(chǎn)品。然而，該產(chǎn)品的一大特點就是具有高風險性，為了降低這一風險，我國迫切需要淺水測試水池對相關(guān)水下產(chǎn)品的性能進行驗證。

總之，在調(diào)研國外場地以及國內(nèi)測試需求的基礎上，對淺水測試場進行了前期規(guī)劃，使得該水池既可以滿足國際上絕大多數(shù)水下生產(chǎn)設施的測試需要，又保留了一定的功能擴展空間，對我國淺水測試能力的提高以及測試技術(shù)的發(fā)展具有參考價值。

參考文獻

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Research progress on calibrating methods of industrial photogrammetry system

HUANG Guiping1，2，WANG Weifeng1，XUAN Yabing1，DUAN Ling3
（1.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China；2.Chenwei Tecnology Co.，Ltd.,Zhengzhou 450001，China；3.China National Erzhong Group Co.，Deyang 618000，China）

It is nearly ten years since industrial photogrammetry system has been introduced to our country.It makes great contributions to our country’s industrial system as it has many advantages such as high-precision，high-speed，optical probing，action measuring.However there has no suitable method to evaluate the system’s measuring accuracy in our country.The method which are used by PTB，GSI，LNE and GMS are talked，some other methods which have been reached in our country are also talked.In this way，it may give some useful suggests for working out calibration method of our country in industrial photogrammetry system.

industrial photogrammetry；calibration methods；camera；network

A

：1674-5124（2015）07-0010-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.003

2014-12-09；

：2015-02-31

國家科技重大專項（2009ZX04014-093）

黃桂平（1973-），男，江蘇常州市人，副教授，博士，研究方向為工程與工業(yè)攝影測量。