趙曉陽(yáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種標(biāo)定攝影測(cè)量系統(tǒng)中基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度的方法

趙曉陽(yáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

介紹了一種簡(jiǎn)易標(biāo)定數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)中基準(zhǔn)尺實(shí)際長(zhǎng)度的方法。即以檢定合格的游標(biāo)卡尺作為尺寸基準(zhǔn)，利用游標(biāo)卡尺撥動(dòng)長(zhǎng)度與基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度的比例關(guān)系，來(lái)計(jì)算基準(zhǔn)尺實(shí)際長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該方法標(biāo)定具有速度快、精度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，非常適合車(chē)間內(nèi)基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度標(biāo)定。

攝影測(cè)量；基準(zhǔn)尺；長(zhǎng)度標(biāo)定

0 引言

數(shù)字近景攝影測(cè)量的測(cè)量過(guò)程是，首先對(duì)物體進(jìn)行近距離拍照，然后將拍攝獲取的圖像通過(guò)軟件的計(jì)算，獲取測(cè)量物體在三維空間的位置、形狀、大小乃至運(yùn)動(dòng)的方法[1]。它的基本原理是利用物方點(diǎn)的同名之像點(diǎn)列出共線方程，通過(guò)求解此共線方程可得到點(diǎn)的三維坐標(biāo)。此時(shí)，所計(jì)算出的所有測(cè)量點(diǎn)、控制點(diǎn)等的相對(duì)關(guān)系已經(jīng)確定，但所建立坐標(biāo)系內(nèi)的絕對(duì)長(zhǎng)度仍不確定，需要一根基準(zhǔn)長(zhǎng)度尺來(lái)確定。基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度的精確性直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，為保證工程應(yīng)用中所獲取數(shù)量的質(zhì)量，必須確?；鶞?zhǔn)尺長(zhǎng)度精確[2]。

基準(zhǔn)尺一般由強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小的材料制成，如碳纖維、銦鋼等，碳纖維的熱膨脹系數(shù)為0.25μm/m/℃或0.5μm/m/℃[3]。一般的基準(zhǔn)尺兩端各有一個(gè)或多個(gè)圓形反射標(biāo)志點(diǎn)(RRT)，并且認(rèn)為兩標(biāo)志點(diǎn)中心之間的距離為基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度?；鶞?zhǔn)尺長(zhǎng)度的精確程度，是整個(gè)測(cè)量過(guò)程測(cè)量精度好壞的重要因素之一，因此精確標(biāo)定且穩(wěn)定的基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度格外重要。一般在采購(gòu)時(shí)，基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度已經(jīng)由制造商精確標(biāo)定，然而隨著基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)期使用，其兩端的標(biāo)志點(diǎn)的反光能力會(huì)逐漸下降。尤其是在測(cè)量較大尺寸的工件時(shí)，相機(jī)距離反射點(diǎn)較遠(yuǎn)，在拍攝完畢進(jìn)行像點(diǎn)識(shí)別時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)大量照片中基準(zhǔn)尺上的反射點(diǎn)并未識(shí)別成功，甚至基準(zhǔn)尺無(wú)法識(shí)別，給測(cè)量工作帶來(lái)很大不便。另外隨著基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)期使用，部分標(biāo)志點(diǎn)存在磨損現(xiàn)象，造成其實(shí)際長(zhǎng)度出現(xiàn)變化。鑒于以上原因，目前在車(chē)間中出現(xiàn)了一些自制的基準(zhǔn)尺，操作員可以方便地更換基準(zhǔn)尺兩端的測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)。然而更換標(biāo)志點(diǎn)后的基準(zhǔn)尺需要再次經(jīng)過(guò)測(cè)量校準(zhǔn)后才能繼續(xù)投入使用。目前現(xiàn)有的測(cè)量校準(zhǔn)技術(shù)主要有三種：幾何中心法、灰度中心法和攝影測(cè)量法[3-4]。筆者在比較三種方法優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出基于攝影測(cè)量法的一種新的思路對(duì)基準(zhǔn)尺進(jìn)行有效測(cè)量標(biāo)定。

1 基準(zhǔn)尺測(cè)量標(biāo)定方法

基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度即兩端標(biāo)志點(diǎn)中心的距離，因此標(biāo)定基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度首先需要精確測(cè)定標(biāo)志點(diǎn)中心。在得到標(biāo)志點(diǎn)中心后，通過(guò)一定手段獲取標(biāo)志點(diǎn)中心的間距，即可實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度的測(cè)量標(biāo)定。根據(jù)獲取標(biāo)志點(diǎn)中心方法的不同，目前常用的幾種標(biāo)定方法主要分為幾何中心法、灰度中心法及攝影測(cè)量法等。

1.1 幾何中心法

幾何中心法是最簡(jiǎn)單的標(biāo)定方法，它利用圓形標(biāo)志點(diǎn)的幾何中心作為參考來(lái)獲取基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度。

幾何中心法的操作過(guò)程大致如下，首先在顯微鏡下用目鏡上的切割線來(lái)定位基準(zhǔn)尺標(biāo)志點(diǎn)的左邊緣及右邊緣，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算平均值來(lái)找到基準(zhǔn)尺標(biāo)志點(diǎn)的圓心，然后利用相應(yīng)方法精確測(cè)量?jī)蓤A心的間距，這就是幾何中心法的原則。間距的精確測(cè)量可以使用激光干涉儀確定，其測(cè)量精度較高。

幾何中心法具體思路如圖1所示，顯微鏡與干涉儀的反射鏡固定在氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，在顯微鏡中觀察基準(zhǔn)尺反射標(biāo)志點(diǎn)，通過(guò)移動(dòng)氣浮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，觀察計(jì)算兩端反射標(biāo)志點(diǎn)的中心，以及兩中心的間距。

使用上述方法對(duì)基準(zhǔn)尺進(jìn)行長(zhǎng)度標(biāo)定，得到的長(zhǎng)度是標(biāo)志點(diǎn)的幾何中心的間距，實(shí)際上與標(biāo)志點(diǎn)的灰度中心間距有偏差，尤其是在標(biāo)志點(diǎn)上反光材料不均勻等情況中。由于在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，軟件解算使用的是標(biāo)志點(diǎn)的灰度中心，所以用這種方法得出的基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度不夠精確，可能存在一定量的系統(tǒng)誤差。但是由于該方法操作簡(jiǎn)單，解算速度較快，對(duì)于新標(biāo)志點(diǎn)來(lái)說(shuō)，幾何中心與灰度中心的位置相差很少，因此也有較多的應(yīng)用。

圖1 幾何中心法標(biāo)定基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度

1.2 灰度中心法

基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度的標(biāo)定理論上需要測(cè)量出其在攝影過(guò)程中軟件結(jié)算出的兩反射標(biāo)志點(diǎn)的灰度中心之間的距離。如果在幾何中心法測(cè)量裝置基礎(chǔ)上，選擇在顯微鏡處增加一個(gè)CCD相機(jī)，拍攝反射標(biāo)志點(diǎn)的圖像，就可以通過(guò)圖像處理確定標(biāo)志點(diǎn)的灰度中心，進(jìn)而確定整個(gè)基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度，如圖2。CCD拍攝的標(biāo)志點(diǎn)灰度照片如圖3所示。

該方法理論上的測(cè)量不確定度可以達(dá)到2μm[3]，但是由于要進(jìn)行大量計(jì)算，所以操作起來(lái)比較麻煩，且受測(cè)量范圍和標(biāo)志點(diǎn)外形質(zhì)量等因素的影響，標(biāo)定結(jié)果并不一定能達(dá)到理想的精度。

圖2 灰度中心法標(biāo)定基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度裝置

圖3 CCD相機(jī)拍攝的標(biāo)志點(diǎn)

1.3 攝影測(cè)量法

通過(guò)攝影測(cè)量的過(guò)程，使用高精度的基準(zhǔn)尺標(biāo)定低精度的基準(zhǔn)尺，這是攝影測(cè)量法的基本原理。在標(biāo)定的過(guò)程中，基準(zhǔn)尺上反射標(biāo)志點(diǎn)的中心通過(guò)攝影測(cè)量系統(tǒng)相應(yīng)軟件的算法計(jì)算得到，反射標(biāo)志點(diǎn)灰度可以提取到亞像素級(jí)[5]。同時(shí)，使用這種方法得到的基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度與實(shí)際工程中基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度的獲取方式是相同的，標(biāo)定過(guò)程也較簡(jiǎn)單，標(biāo)定精度高，但對(duì)標(biāo)定人員的攝影測(cè)量技術(shù)有較高要求，且需要更高精度的基準(zhǔn)尺。

2 基于攝影測(cè)量法的新方法

基于1.3攝影測(cè)量法，筆者提出一種新的方法，該方法試圖利用攝影測(cè)量法標(biāo)定過(guò)程簡(jiǎn)單、精度高的優(yōu)點(diǎn)，又能擺脫對(duì)高精度基準(zhǔn)尺依賴(lài)的缺點(diǎn)，同時(shí)獲取的基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度精度能夠滿足日常使用。首先借用一根檢驗(yàn)合格的游標(biāo)卡尺，如選擇長(zhǎng)度為1000mm或者2000mm的游標(biāo)卡尺。在游標(biāo)卡尺的游動(dòng)測(cè)量爪上粘貼一個(gè)反射標(biāo)志點(diǎn)，通過(guò)撥動(dòng)游標(biāo)卡尺的游動(dòng)測(cè)量爪使其指示若干不同示值，在攝影測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行拍照記錄，最后在專(zhuān)用軟件中處理，利用游標(biāo)卡尺撥動(dòng)長(zhǎng)度作為基準(zhǔn)，進(jìn)而計(jì)算待測(cè)基準(zhǔn)尺的實(shí)際長(zhǎng)度。

2.1 基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度標(biāo)定方案

借用一根量程為1000mm并且各項(xiàng)檢定均合格的游標(biāo)卡尺作為基準(zhǔn)長(zhǎng)度。首先將游標(biāo)卡尺放置在一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)上，保證在撥動(dòng)游標(biāo)的時(shí)候，游標(biāo)卡尺穩(wěn)定無(wú)移動(dòng)。在游標(biāo)卡尺的游動(dòng)測(cè)量爪上粘貼一個(gè)反射標(biāo)志點(diǎn)，將待測(cè)基準(zhǔn)尺及一根標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)尺放置在一起進(jìn)行攝影測(cè)量，其中參考基準(zhǔn)尺用于驗(yàn)證，如圖4。測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)卡尺的撥動(dòng)位置做規(guī)劃，如三個(gè)示值位置，在每個(gè)位置均進(jìn)行一次高標(biāo)準(zhǔn)攝影測(cè)量，最后將三次攝影所得照片在一個(gè)工程文件中處理。

圖4 基于攝影測(cè)量法的基準(zhǔn)尺標(biāo)定新方法

本實(shí)驗(yàn)所選用的設(shè)備為解放軍信息工程大學(xué)鄭州測(cè)繪學(xué)院的DPM攝影測(cè)量系統(tǒng)，其硬件部分主要為基于佳能5D Mark Ⅱ的相機(jī)等。實(shí)驗(yàn)同時(shí)借用一根長(zhǎng)度為1097.440mm的標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)尺，用于對(duì)測(cè)量標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)于參考基準(zhǔn)尺的兩個(gè)端點(diǎn)標(biāo)記為T(mén)1、T2。

測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)量環(huán)境不變，并且被測(cè)物體間未發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，因此在測(cè)量工程文件中會(huì)結(jié)算出待測(cè)基準(zhǔn)尺的兩端點(diǎn)S1、S2，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)游標(biāo)卡尺游標(biāo)測(cè)量爪上被測(cè)點(diǎn)在三次測(cè)量中被記錄下來(lái)的三個(gè)點(diǎn)B1、B2、B3。

設(shè)待測(cè)基準(zhǔn)尺的實(shí)際長(zhǎng)度為L(zhǎng)。由于游標(biāo)卡尺的游標(biāo)爪所移動(dòng)的長(zhǎng)度為已知量，因此在攝影測(cè)量軟件中，B1B2、B1B3、B2B3均為已知量，假設(shè)游標(biāo)卡尺三次示值分別為α、β、χ，則其準(zhǔn)確值分別為：

在攝影測(cè)量軟件中將以上已知量B1B2、B1B3、B2B3設(shè)定為基準(zhǔn)尺寸，即設(shè)定3個(gè)基準(zhǔn)尺，然后對(duì)整個(gè)工程文件進(jìn)行bundle平差處理。接下來(lái)在攝影測(cè)量軟件中即可查詢(xún)待測(cè)基準(zhǔn)尺及參考基準(zhǔn)尺的實(shí)際長(zhǎng)度，最后將待測(cè)長(zhǎng)度記錄。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果處理

為了便于操作和計(jì)算，對(duì)于α、β、χ值的選擇按以下規(guī)劃進(jìn)行：

α=50mm,β=500mm,χ=1000mm。

DPM工程文件中設(shè)定待測(cè)基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度為：

在bunble平差處理后，對(duì)攝影測(cè)量系統(tǒng)軟件結(jié)算出的S1S2、T1T2分別進(jìn)行記錄。同時(shí)為了獲取更多測(cè)量精度的信息，對(duì)整個(gè)方案進(jìn)行10次攝影測(cè)量，全部記錄、結(jié)算。結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果記錄

通過(guò)攝影測(cè)量系統(tǒng)DPM軟件計(jì)算，可以得出待測(cè)基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度的平均值為1269.513 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.005mm。而借用的長(zhǎng)度已知的基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度，所得結(jié)果的平均值為1097.441mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.006mm。

3 結(jié)論

隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展的速度不斷加快，各種工業(yè)產(chǎn)品要求的精度不斷提高，攝影測(cè)量已經(jīng)在某些行業(yè)起著越來(lái)越重要的作用，尤其在天線加工生產(chǎn)過(guò)程中，面型的保證更加依賴(lài)于攝影測(cè)量系統(tǒng)。目前攝影測(cè)量系統(tǒng)使用頻率更加高，基準(zhǔn)尺的磨損也在加重，對(duì)基準(zhǔn)尺的標(biāo)定，乃至于日常性地、頻繁地標(biāo)定，就顯得非常有必要。由于一般用戶(hù)手中并沒(méi)有專(zhuān)用測(cè)量檢定設(shè)備，不能很好地對(duì)基準(zhǔn)尺進(jìn)行長(zhǎng)度標(biāo)定，因此本文提出了一種簡(jiǎn)便易行且精度很好的方法可以對(duì)基準(zhǔn)尺進(jìn)行很好的標(biāo)定，即利用游標(biāo)卡尺的方法擺脫了對(duì)高精度基準(zhǔn)尺的依賴(lài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效地、高精度地標(biāo)定出基準(zhǔn)尺的實(shí)際長(zhǎng)度，同時(shí)節(jié)省了生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)效率。

[1] 杜小宇.數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)精度分析和控制[D].南京航空航天大學(xué), 2008.

[2] 黃桂平.近景工業(yè)攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].天津: 天津大學(xué), 2005.

[3] 甘曉川, 赫明釗等.一種攝影測(cè)量基準(zhǔn)尺的校準(zhǔn)方法及不確定性分析[J].計(jì)量學(xué)報(bào), 2012,(5).

[4] 甘曉川.數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)中相機(jī)校準(zhǔn)和長(zhǎng)度測(cè)量誤差校準(zhǔn)[D].北京:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院, 2012.

[5] 袁修孝，余俊鵬.高分辨率微型遙感影像的姿態(tài)角常差檢校[J].測(cè)繪學(xué)報(bào), 2008, 37(1).

A method for measuring the length of the scale-bar in digital photogrammetry

ZHAO Xiao-yang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

An easy method is introduced to measure the length of the scale-bar which is used in digital close range photogrammetry.In the measurement, a certified vernier caliper is used as a length reference.The length of the scale-bar is calculated by the proportional relationship between the displacement of the vernier caliper and the length of the scale-bar.An experiment is carried out to check this method and the result shows the length of the scale-bar could be measured rapidly and precisely with low cost.Meanwhile this proposed method is very suitable for the workshop operation.

Digital photogrammetry; Scale-bar; Length calibration

2016-12-28

趙曉陽(yáng)(1985-)，河北藁城人，碩士，工程師，研究方向?yàn)樘炀€結(jié)構(gòu)工藝.

1001-9383(2017)01-0044-06

TB22

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