工业数字摄影测量技术及应用

1、工业数字摄影测量技术及应用工业数字摄影测量技术及应用工业数字摄影测量技术及应用工业数字摄影测量技术及应用当前进展当前进展关键技术关键技术应用实例应用实例当前进展当前进展 美国美国GSI公司的公司的V-STARS系统系统当前进展当前进展 挪威的挪威的MetroNor系统系统当前进展当前进展 德国德国AICON 3D公司的公司的DPA-Pro系统系统当前进展当前进展 德国的德国的TRITOP系统系统 当前进展当前进展数字近景摄影测量关键技术研究与应用数字近景摄影测量关键技术研究与应用 黄桂平黄桂平 博士论文博士论文 2005航天器交会对接和月球车导航中视觉测量关键技术研究与应用航天器交会对接和月球

2、车导航中视觉测量关键技术研究与应用王保丰王保丰 博士论文博士论文 2007计算机视觉工业测量系统的建立与标定计算机视觉工业测量系统的建立与标定 王保丰王保丰 硕士论文硕士论文 2004 工业数字摄影测量中人工标志的研究与应用工业数字摄影测量中人工标志的研究与应用 范生宏范生宏 硕士论文硕士论文 2006数字工业摄影测量中的标志点匹配和数字工业摄影测量中的标志点匹配和自检校光束法平差快速解算自检校光束法平差快速解算冯其强冯其强 硕士论文硕士论文 2007 我院部分研究成果我院部分研究成果 国内院校国内院校武汉大学、天津大学、北京航空航天大学、国防科技大学武汉大学、天津大学、北京航空航天大学、国防

3、科技大学 关键技术关键技术高精度标志点中心图像获取高精度标志点中心图像获取高精度相机标定算法及标定装置高精度相机标定算法及标定装置相机初始外方位元素获取及方法相机初始外方位元素获取及方法编码标志的设计与实现编码标志的设计与实现同名点自动匹配方法及策略同名点自动匹配方法及策略光束法统一平差光束法统一平差与其它测量系统的融合及统一数据处理与其它测量系统的融合及统一数据处理高精度标志点中心图像获取高精度标志点中心图像获取回光反射标志回光反射标志准二值影像准二值影像闪光灯闪光灯 图像获取图像获取 高精度标志点中心图像获取高精度标志点中心图像获取 标志点识别及精确定位标志点识别及精确定位图像图像利用利用

4、Canny算子检测边算子检测边缘缘含有虚假含有虚假边缘的图像边缘的图像 几何检验几何检验灰度检验灰度检验标志点标志点边缘图像边缘图像 灰度加权质心法灰度加权质心法灰度平方加权质心法灰度平方加权质心法标志点标志点像坐标像坐标 像点坐标测量精度优于像点坐标测量精度优于0.020.02像素像素 高精度相机标定算法及标定装置高精度相机标定算法及标定装置 相机内参数：相机内参数：10参数相机畸变模型参数相机畸变模型 径向畸变径向畸变 枕形畸变枕形畸变桶形畸变桶形畸变表达式：表达式：357123.rk rk rk r 分解到像平面坐标系的分解到像平面坐标系的x轴和轴和y轴上轴上 ：246123246123

5、.rrxk xrk xrk xryk yrk yrk yr其中：其中：00222()()xxxyyyrxy高精度相机标定算法及标定装置高精度相机标定算法及标定装置 相机内参数：相机内参数：10参数相机畸变模型参数相机畸变模型 偏心畸变偏心畸变 理想状态理想状态实际状态实际状态表达式：表达式：22212( )P rPPr分解到像平面坐标系的分解到像平面坐标系的x轴和轴和y轴上轴上 ：22122221(2)2(2)2ddxP rxP x yyP ryPx y偏心偏心畸变畸变分布分布示意示意图图高精度相机标定算法及标定装置高精度相机标定算法及标定装置 像平面畸变像平面畸变120mmxb xb yy

6、相机畸变模型相机畸变模型 rdmrdmxxxxyyyy 相机内参数：相机内参数：10参数相机畸变模型参数相机畸变模型高精度相机标定算法及标定装置高精度相机标定算法及标定装置 试验场法标定试验场法标定由一组控制点构成试验场，用待标定相机对试验场摄影，由一组控制点构成试验场，用待标定相机对试验场摄影，然后根据单像片空间后方交会或多像片后方交会求解相然后根据单像片空间后方交会或多像片后方交会求解相机内参数。机内参数。控制架控制架高精度相机标定算法及标定装置高精度相机标定算法及标定装置 光束法平差自标定光束法平差自标定将内参数作为附加参数，连同物方点坐标、外方位元素同将内参数作为附加参数，连同物方点坐

7、标、外方位元素同时进行光束法平差计算。时进行光束法平差计算。111223311333: : VA XA XA XLPVXLPX1、X2和和X3分别为摄站参数、物方点坐标和内参数的改正数向量；分别为摄站参数、物方点坐标和内参数的改正数向量；A1、A2和和A3分别为相应的系数矩阵；分别为相应的系数矩阵；L1为像点坐标的观测值向量；为像点坐标的观测值向量；P1为像点坐标的权矩阵；为像点坐标的权矩阵；L3为内部参数虚拟的观测值向量，一般为零向量；为内部参数虚拟的观测值向量，一般为零向量；P3为内部参数虚拟观测值的权矩阵。为内部参数虚拟观测值的权矩阵。 相机初始外方位元素获取及方法相机初始外方位元素获取

8、及方法 单张像片定向单张像片定向 装置：定向棒（装置：定向棒（AutoBar） 算法：单像空间后方交会算法：单像空间后方交会A(X1,Y1,Z1)B(X2,Y2,Z2)C(X3,Y3,Z3)SA(x1,y1)B(x2,y2)C(x3,y3)a?xyzXYZO通过解算一元四次方程求得其中通过解算一元四次方程求得其中3个控制点到个控制点到摄站的距离，利用第摄站的距离，利用第4个控制点消除歧异解；个控制点消除歧异解；计算计算3个控制点在像空间坐标系中的坐标；个控制点在像空间坐标系中的坐标；通过分解旋转矩阵线性计算外方位元素。通过分解旋转矩阵线性计算外方位元素。 AutoBar 相机初始外方位元素获取

9、及方法相机初始外方位元素获取及方法 多张像片定向多张像片定向 装置：定向棒、编码标志装置：定向棒、编码标志 算法：概略定向算法：概略定向利用自动定向棒对部分像片进行利用自动定向棒对部分像片进行空间后方交会；空间后方交会；利用已定向像片通过空间前方交利用已定向像片通过空间前方交会计算部分编码标志点坐标；会计算部分编码标志点坐标；对至少含有对至少含有4个编码标志点的像片个编码标志点的像片进行空间后方交会；进行空间后方交会；重复步骤，直至没有像片重复步骤，直至没有像片可进行后方交会为止；可进行后方交会为止；光束法平差，提高定向精度。光束法平差，提高定向精度。 AutoBar编码标志编码标志 编码标志

10、的设计与识别编码标志的设计与识别 编码标志编码标志编码标志是一种自身带有编码标志是一种自身带有数字编码信息数字编码信息的人工标志，可的人工标志，可以通过图像处理等方法进行以通过图像处理等方法进行自动识别自动识别，实现工业摄影测，实现工业摄影测量中人工标志的量中人工标志的自动匹配自动匹配，进而作为不同像片之间的公，进而作为不同像片之间的公共点实现像片的共点实现像片的自动拼接自动拼接 。点分布型编码标志点分布型编码标志 同心圆环型编码标志同心圆环型编码标志 编码标志的设计与识别编码标志的设计与识别 点状编码标志设计点状编码标志设计模版点模版点编码点编码点308022211103m采用十进制编码原理

11、。利用每一个编采用十进制编码原理。利用每一个编码点的数字标识数作为数字码点的数字标识数作为数字2的幂产的幂产生一个数字，所有三个编码点产生的生一个数字，所有三个编码点产生的数字之和为该编码标志的编码。数字之和为该编码标志的编码。识别简单、稳定、可靠识别简单、稳定、可靠有足够的编码数量有足够的编码数量 设计原则设计原则 编码原理编码原理编码标志的设计与识别编码标志的设计与识别 点状编码标志识别点状编码标志识别LABCDABCDL投影不变量：投影不变量：交比交比ADBCBDACDCBARL.),(.) , , (DACBDBCADCBARL) , , (),(DCBARDCBARLL计算设计模板交

12、比；计算设计模板交比；寻找符合条件的点集，利用交比不变量进行寻找符合条件的点集，利用交比不变量进行匹配，得到图像中模版点的对应点集；匹配，得到图像中模版点的对应点集；仿射变换求出仿射参数；仿射变换求出仿射参数；通过仿射参数恢复其它编码点，解码得到编通过仿射参数恢复其它编码点，解码得到编码标志的编码。码标志的编码。识别过程识别过程同名点自动匹配方法及策略同名点自动匹配方法及策略 同名点匹配同名点匹配在像点精确定位、像片概略定向完成后，确定同一物在像点精确定位、像片概略定向完成后，确定同一物方点在不同像片上的同名像点。方点在不同像片上的同名像点。 匹配方法匹配方法基于空间前方交会的自动匹配算法基于

13、空间前方交会的自动匹配算法同名点同名点自动匹配方法及策略同名点自动匹配方法及策略 匹配过程匹配过程l 双片前方交会双片前方交会l 合并物方点合并物方点l 初始匹配初始匹配l 剔除属于同一像片的像点剔除属于同一像片的像点l 同名像点数阈值判断同名像点数阈值判断l 多片前方交会多片前方交会l 像点坐标残差阈值判断像点坐标残差阈值判断l 确定同名像点确定同名像点光束法统一平差光束法统一平差 自检校光束法平差自检校光束法平差待答解参数待答解参数物方点坐标、外方位元素、相机内参数物方点坐标、外方位元素、相机内参数平差模型平差模型111223311333: : VA XA XA XLPVXLPX1、X2和

14、X3分别为外方位元素、物方点坐标和内参数的改正数向量；A1、A2和A3分别为相应的系数矩阵；L1为像点坐标的观测值向量；P1为像点坐标的权矩阵；L3为内部参数虚拟的观测值向量，一般为零向量；P3为内部参数虚拟观测值的权矩阵。 与其它测量系统的融合及统一数据处理与其它测量系统的融合及统一数据处理 经纬仪测量系统经纬仪测量系统 全站仪测量系统全站仪测量系统作为长度控制条件或控制点作为长度控制条件或控制点参与光束法统一平差参与光束法统一平差作为控制点对相机进行试验作为控制点对相机进行试验场法标定场法标定作为控制点对像片进行定向作为控制点对像片进行定向应用实例应用实例 “探月工程探月工程”50米大型天

15、线测量米大型天线测量 网状星载天线测量网状星载天线测量 星载天线真空条件下高低温检测星载天线真空条件下高低温检测 “探月工程探月工程”50米大型天线测量米大型天线测量 54 54所承担了所承担了“探月工程探月工程”50米天线的研制工作米天线的研制工作 天线参数：天线参数： 口径：口径：50m50m 焦距：焦距：17.5m17.5m 站址：北京密云站址：北京密云 用途：用途： “探月工程探月工程” 测控系统和地面测控系统和地面接收系统的重要组成部分；接收系统的重要组成部分； 天文观测的射电望远镜。天文观测的射电望远镜。 “探月工程探月工程”50米大型天线测量米大型天线测量 天线工作状态下挠度检测

16、天线工作状态下挠度检测测量点布设方案测量点布设方案编码标志布设方案编码标志布设方案 “探月工程探月工程”50米大型天线测量米大型天线测量 天线工作状态下挠度检测天线工作状态下挠度检测基准尺布设方案基准尺布设方案3 3根长度为根长度为2.846m2.846m的基准尺的基准尺 “探月工程探月工程”50米大型天线测量米大型天线测量 天线工作状态下挠度检测天线工作状态下挠度检测俯仰角为俯仰角为7 7时的测量示意图时的测量示意图 俯仰角为俯仰角为3030时的测量示意图时的测量示意图 “探月工程探月工程”50米大型天线测量米大型天线测量 天线工作状态下挠度检测天线工作状态下挠度检测1488个回光反射标志个

17、回光反射标志100个编码标志个编码标志500张图像张图像测量时间为测量时间为1.5小时小时数据处理时间约为数据处理时间约为0.5小时小时 “探月工程探月工程”50米大型天线测量米大型天线测量 天线工作状态下挠度检测天线工作状态下挠度检测7 7 工位工位3030 工位工位序号序号面型精度面型精度序号序号面型精度面型精度第一次第一次30m30m1.881.88第一次第一次30m30m1.591.5950m50m4.054.0550m50m3.583.58第二次第二次30m30m1.441.44第二次第二次30m30m0.800.8050m50m1.871.8750m50m1.061.06通过两次检

18、测、一次调整，面型精度完全满足设计要求。通过两次检测、一次调整，面型精度完全满足设计要求。 检测和调整结果检测和调整结果 （mm） “探月工程探月工程”50米大型天线测量米大型天线测量 天线工作状态下挠度检测天线工作状态下挠度检测测试频率(GHz)第一旁瓣电平(dB)技术要求测量结果方位俯仰7.600 -18-26.67, -18.17-28.00, -23.502.5093-24.83, -21.67-21.16, -25.50频率(GHz)技术要求波束宽度（）测量结果效率（%）增益（dB）方位俯仰效率（%）增益（dB）7.6004864.370.06030.0678115.8568.198

19、2.50935059.360.16800.169055.0959.782备注：X波段天线效率按30米口径计算，S波段天线效率按50米口径计算测试结果表明：该天线测试结果表明：该天线S/X频段的电性能指标满足或优于设计指标，频段的电性能指标满足或优于设计指标，从而验证了反射面精度调整的结果。从而验证了反射面精度调整的结果。 电测结果电测结果网状星载天线测量网状星载天线测量 天线概况天线概况框架由碳纤维管制作而成，反射面由高强度细绳为骨框架由碳纤维管制作而成，反射面由高强度细绳为骨架，上面铺上纤维网而构成的面状天线。架，上面铺上纤维网而构成的面状天线。 直径：直径：2.8m、6.4m、17.2m网

20、状星载天线测量网状星载天线测量 天线概况天线概况直径直径2.8m天线天线网状星载天线测量网状星载天线测量 天线概况天线概况直径直径6.4m天线天线网状星载天线测量网状星载天线测量 天线概况天线概况直径直径17.2m天线天线网状星载天线测量网状星载天线测量测量方式法向偏差第一次摄影测量0.267第二次摄影测量0.269经纬仪测量0.330 测量结果（测量结果（2.8m）标志点及摄站分布标志点及摄站分布 基准尺标定值测量值基准尺1 1471.000 1470.911基准尺2 1471.000 1471.089基准尺测量误差（基准尺测量误差（mm）与经纬仪比较结果（与经纬仪比较结果（mm）两次测量重

21、复性偏差为：两次测量重复性偏差为：0.049mm 星载天线真空条件下高低温检测星载天线真空条件下高低温检测 项目背景：项目背景：在热真空试验过程中进行星载天线热变形测量，以验证产品的在热真空试验过程中进行星载天线热变形测量，以验证产品的设计、制造工艺、装配是否满足天线平面度技术指标要求。设计、制造工艺、装配是否满足天线平面度技术指标要求。 卫星天线面板展开状态图卫星天线面板展开状态图 真空室及天线状态真空室及天线状态 真空度优于真空度优于1.310-3Pa温度范围：温度范围：-90+90 测量精度要求优于测量精度要求优于0.15mm 星载天线真空条件下高低温检测星载天线真空条件下高低温检测 测

22、量方案：测量方案：采用采用2台相机组成摄影测量系统对该卫星在热真空高台相机组成摄影测量系统对该卫星在热真空高低温下的变形进行测量。低温下的变形进行测量。 双相机测量双相机测量 相机保护罐相机保护罐 星载天线真空条件下高低温检测星载天线真空条件下高低温检测 测量结果：测量结果：周期均方根极大值极小值极大点极小点平面度3次变化量低温拉偏10.2640.985-0.465X63Z51.450.02低温拉偏20.2540.958-0.479X63Z51.437低温拉偏30.2550.736-0.721X63Z51.457低温10.2670.921-0.819X63Z51.740.007低温20.2620.982-0.757X63Z51.739低温30.2660.924-0.822X63Z51.746高温10.2590.574-0.716X320Z51.29