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关键技术应用实例当前进展

美国GSI公司的V-STARS系统当前进展

挪威的MetroNor系统当前进展

德国AICON3D公司的DPA-Pro系统当前进展

德国的TRITOP系统当前进展《数字近景摄影测量关键技术研究与应用》

黄桂平博士论文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》

王保丰博士论文2007《计算机视觉工业测量系统的建立与标定》

王保丰硕士论文2004《工业数字摄影测量中人工标志的研究与应用》

范生宏硕士论文2006《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》

冯其强硕士论文2007我院部分研究成果国内院校武汉大学、天津大学、北京航空航天大学、国防科技大学…关键技术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相机初始外方位元素获取及方法编码标志的设计与实现同名点自动匹配方法及策略光束法统一平差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回光反射标志准二值影像闪光灯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图像利用Canny算子检测边缘含有虚假边缘的图像几何检验灰度检验标志点边缘图像灰度加权质心法灰度平方加权质心法标志点像坐标像点坐标测量精度优于0.02像素高精度相机标定算法及标定装置相机内参数：10参数相机畸变模型

径向畸变

枕形畸变桶形畸变表达式：分解到像平面坐标系的x轴和y轴上：其中：高精度相机标定算法及标定装置相机内参数：10参数相机畸变模型

偏心畸变

理想状态实际状态表达式：分解到像平面坐标系的x轴和y轴上：偏心畸变分布示意图高精度相机标定算法及标定装置

像平面畸变

相机畸变模型

相机内参数：10参数相机畸变模型高精度相机标定算法及标定装置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，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。控制架高精度相机标定算法及标定装置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、外方位元素同时进行光束法平差计算。X1、X2和X3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。相机初始外方位元素获取及方法单张像片定向装置：定向棒（AutoBar）算法：单像空间后方交会通过解算一元四次方程求得其中3个控制点到摄站的距离，利用第4个控制点消除歧异解；计算3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。AutoBar相机初始外方位元素获取及方法多张像片定向装置：定向棒、编码标志算法：概略定向利用自动定向棒对部分像片进行空间后方交会；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；对至少含有4个编码标志点的像片进行空间后方交会；重复步骤②～③，直至没有像片可进行后方交会为止；光束法平差，提高定向精度。AutoBar编码标志编码标志的设计与识别编码标志编码标志是一种自身带有数字编码信息的人工标志，可以通过图像处理等方法进行自动识别，实现工业摄影测量中人工标志的自动匹配，进而作为不同像片之间的公共点实现像片的自动拼接。点分布型编码标志同心圆环型编码标志编码标志的设计与识别点状编码标志设计模版点编码点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2的幂产生一个数字，所有三个编码点产生的数字之和为该编码标志的编码。识别简单、稳定、可靠有足够的编码数量设计原则编码原理编码标志的设计与识别点状编码标志识别L'ABCDA'B'C'D'L投影不变量：交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；通过仿射参数恢复其它编码点，解码得到编码标志的编码。识别过程同名点自动匹配方法及策略同名点匹配在像点精确定位、像片概略定向完成后，确定同一物方点在不同像片上的同名像点。匹配方法基于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匹配过程

双片前方交会

合并物方点

初始匹配

剔除属于同一像片的像点

同名像点数阈值判断

多片前方交会

像点坐标残差阈值判断

确定同名像点光束法统一平差自检校光束法平差待答解参数物方点坐标、外方位元素、相机内参数平差模型X1、X2和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经纬仪测量系统全站仪测量系统作为长度控制条件或控制点参与光束法统一平差作为控制点对相机进行试验场法标定作为控制点对像片进行定向应用实例“探月工程”50米大型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“探月工程”50米大型天线测量54所承担了“探月工程”50米天线的研制工作

天线参数：口径：50m

焦距：17.5m站址：北京密云

用途：

“探月工程”测控系统和地面接收系统的重要组成部分；天文观测的射电望远镜。“探月工程”50米大型天线测量天线工作状态下挠度检测测量点布设方案编码标志布设方案“探月工程”50米大型天线测量天线工作状态下挠度检测基准尺布设方案3根长度为2.846m的基准尺“探月工程”50米大型天线测量天线工作状态下挠度检测俯仰角为7º时的测量示意图

俯仰角为30º时的测量示意图

“探月工程”50米大型天线测量天线工作状态下挠度检测1488个回光反射标志100个编码标志500张图像测量时间为1.5小时数据处理时间约为0.5小时“探月工程”50米大型天线测量天线工作状态下挠度检测7º工位30º工位序号面型精度序号面型精度第一次30m1.88第一次30m1.5950m4.0550m3.58第二次30m1.44第二次30m0.8050m1.8750m1.06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（mm）“探月工程”50米大型天线测量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）7.6004864.370.06030.0678115.8568.1982.50935059.360.16800.169055.0959.782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S/X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。电测结果网状星载天线测量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架，上面铺上纤维网而构成的面状天线。直径：2.8m、6.4m、17.2m网状星载天线测量天线概况直径2.8m天线网状星载天线测量天线概况直径6.4m天线网状星载天线测量天线概况直径17.2m天线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（2.8m）标志点及摄站分布

基准尺标定值测量值基准尺11471.0001470.911基准尺21471.0001471.089基准尺测量误差（mm）与经纬仪比较结果（mm）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真空室及天线状态真空度优于1.3×10-3Pa温度范围：-90℃～+90℃

测量精度要求优于0.15mm

星载天线真空条件下高低温检测测量方案：采用2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。双相机测量

相机保护罐星载天线真空条件下高低温检测测量结果：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10.2590.574-0.716X320Z51.290.072高温20.2560.649-0.651X320Z51.3高温30.2610.673-0.689X320Z51.362测量平面度（单位：mm）星载天线真空条件下高低温检测测量结果：平面度统计（单位：mm）工况均方根极小值极大值平面度极小点极大点总体平面度（中板和＋X板）低温拉偏工况0.254-0.4790.9581.437Z5X63低温工况0.262-0.7570.9821.739Z5X63高温工况0.254-0.6890.6731.362Z5X63中板平面度低温拉偏工况0.179-0.4940.3740.868Z5Z246低温工况0.200-0.6330.3500.983Z5Z246高温工况0.205-0.4890.3590.848Z5Z246＋X板平面度低温拉偏工况0.320-0.5120.7491.261X452X6