一種標定攝影測量系統(tǒng)中基準尺長度的方法

趙曉陽

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種標定攝影測量系統(tǒng)中基準尺長度的方法

趙曉陽

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

介紹了一種簡易標定數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)中基準尺實際長度的方法。即以檢定合格的游標卡尺作為尺寸基準，利用游標卡尺撥動長度與基準尺長度的比例關系，來計算基準尺實際長度。實驗結果表明，使用該方法標定具有速度快、精度高、成本低的優(yōu)點，非常適合車間內(nèi)基準尺長度標定。

攝影測量；基準尺；長度標定

0 引言

數(shù)字近景攝影測量的測量過程是，首先對物體進行近距離拍照，然后將拍攝獲取的圖像通過軟件的計算，獲取測量物體在三維空間的位置、形狀、大小乃至運動的方法[1]。它的基本原理是利用物方點的同名之像點列出共線方程，通過求解此共線方程可得到點的三維坐標。此時，所計算出的所有測量點、控制點等的相對關系已經(jīng)確定，但所建立坐標系內(nèi)的絕對長度仍不確定，需要一根基準長度尺來確定?；鶞食唛L度的精確性直接影響到測量結果的準確性，為保證工程應用中所獲取數(shù)量的質(zhì)量，必須確?；鶞食唛L度精確[2]。

基準尺一般由強度高、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]。一般的基準尺兩端各有一個或多個圓形反射標志點(RRT)，并且認為兩標志點中心之間的距離為基準尺的長度。基準尺長度的精確程度，是整個測量過程測量精度好壞的重要因素之一，因此精確標定且穩(wěn)定的基準尺長度格外重要。一般在采購時，基準尺的長度已經(jīng)由制造商精確標定，然而隨著基準尺的長期使用，其兩端的標志點的反光能力會逐漸下降。尤其是在測量較大尺寸的工件時，相機距離反射點較遠，在拍攝完畢進行像點識別時，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)大量照片中基準尺上的反射點并未識別成功，甚至基準尺無法識別，給測量工作帶來很大不便。另外隨著基準尺的長期使用，部分標志點存在磨損現(xiàn)象，造成其實際長度出現(xiàn)變化。鑒于以上原因，目前在車間中出現(xiàn)了一些自制的基準尺，操作員可以方便地更換基準尺兩端的測量標志點。然而更換標志點后的基準尺需要再次經(jīng)過測量校準后才能繼續(xù)投入使用。目前現(xiàn)有的測量校準技術主要有三種：幾何中心法、灰度中心法和攝影測量法[3-4]。筆者在比較三種方法優(yōu)缺點基礎上，提出基于攝影測量法的一種新的思路對基準尺進行有效測量標定。

1 基準尺測量標定方法

基準尺的長度即兩端標志點中心的距離，因此標定基準尺的長度首先需要精確測定標志點中心。在得到標志點中心后，通過一定手段獲取標志點中心的間距，即可實現(xiàn)基準尺長度的測量標定。根據(jù)獲取標志點中心方法的不同，目前常用的幾種標定方法主要分為幾何中心法、灰度中心法及攝影測量法等。

1.1 幾何中心法

幾何中心法是最簡單的標定方法，它利用圓形標志點的幾何中心作為參考來獲取基準尺的長度。

幾何中心法的操作過程大致如下，首先在顯微鏡下用目鏡上的切割線來定位基準尺標志點的左邊緣及右邊緣，進而通過計算平均值來找到基準尺標志點的圓心，然后利用相應方法精確測量兩圓心的間距，這就是幾何中心法的原則。間距的精確測量可以使用激光干涉儀確定，其測量精度較高。

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動平臺上，在顯微鏡中觀察基準尺反射標志點，通過移動氣浮運動平臺，觀察計算兩端反射標志點的中心，以及兩中心的間距。

使用上述方法對基準尺進行長度標定，得到的長度是標志點的幾何中心的間距，實際上與標志點的灰度中心間距有偏差，尤其是在標志點上反光材料不均勻等情況中。由于在實際測量過程中，軟件解算使用的是標志點的灰度中心，所以用這種方法得出的基準尺長度不夠精確，可能存在一定量的系統(tǒng)誤差。但是由于該方法操作簡單，解算速度較快，對于新標志點來說，幾何中心與灰度中心的位置相差很少，因此也有較多的應用。

圖1 幾何中心法標定基準尺長度

1.2 灰度中心法

基準尺長度的標定理論上需要測量出其在攝影過程中軟件結算出的兩反射標志點的灰度中心之間的距離。如果在幾何中心法測量裝置基礎上，選擇在顯微鏡處增加一個CCD相機，拍攝反射標志點的圖像，就可以通過圖像處理確定標志點的灰度中心，進而確定整個基準尺長度，如圖2。CCD拍攝的標志點灰度照片如圖3所示。

該方法理論上的測量不確定度可以達到2μm[3]，但是由于要進行大量計算，所以操作起來比較麻煩，且受測量范圍和標志點外形質(zhì)量等因素的影響，標定結果并不一定能達到理想的精度。

圖2 灰度中心法標定基準尺長度裝置

圖3 CCD相機拍攝的標志點

1.3 攝影測量法

通過攝影測量的過程，使用高精度的基準尺標定低精度的基準尺，這是攝影測量法的基本原理。在標定的過程中，基準尺上反射標志點的中心通過攝影測量系統(tǒng)相應軟件的算法計算得到，反射標志點灰度可以提取到亞像素級[5]。同時，使用這種方法得到的基準尺長度與實際工程中基準尺長度的獲取方式是相同的，標定過程也較簡單，標定精度高，但對標定人員的攝影測量技術有較高要求，且需要更高精度的基準尺。

2 基于攝影測量法的新方法

基于1.3攝影測量法，筆者提出一種新的方法，該方法試圖利用攝影測量法標定過程簡單、精度高的優(yōu)點，又能擺脫對高精度基準尺依賴的缺點，同時獲取的基準尺長度精度能夠滿足日常使用。首先借用一根檢驗合格的游標卡尺，如選擇長度為1000mm或者2000mm的游標卡尺。在游標卡尺的游動測量爪上粘貼一個反射標志點，通過撥動游標卡尺的游動測量爪使其指示若干不同示值，在攝影測量過程中進行拍照記錄，最后在專用軟件中處理，利用游標卡尺撥動長度作為基準，進而計算待測基準尺的實際長度。

2.1 基準尺長度標定方案

借用一根量程為1000mm并且各項檢定均合格的游標卡尺作為基準長度。首先將游標卡尺放置在一個穩(wěn)定的平臺上，保證在撥動游標的時候，游標卡尺穩(wěn)定無移動。在游標卡尺的游動測量爪上粘貼一個反射標志點，將待測基準尺及一根標準參考基準尺放置在一起進行攝影測量，其中參考基準尺用于驗證，如圖4。測量過程中需要對卡尺的撥動位置做規(guī)劃，如三個示值位置，在每個位置均進行一次高標準攝影測量，最后將三次攝影所得照片在一個工程文件中處理。

圖4 基于攝影測量法的基準尺標定新方法

本實驗所選用的設備為解放軍信息工程大學鄭州測繪學院的DPM攝影測量系統(tǒng)，其硬件部分主要為基于佳能5D Mark Ⅱ的相機等。實驗同時借用一根長度為1097.440mm的標準參考基準尺，用于對測量標定結果進行驗證，對于參考基準尺的兩個端點標記為T1、T2。

測量過程中，由于測量環(huán)境不變，并且被測物體間未發(fā)生相對移動，因此在測量工程文件中會結算出待測基準尺的兩端點S1、S2，同時會出現(xiàn)游標卡尺游標測量爪上被測點在三次測量中被記錄下來的三個點B1、B2、B3。

設待測基準尺的實際長度為L。由于游標卡尺的游標爪所移動的長度為已知量，因此在攝影測量軟件中，B1B2、B1B3、B2B3均為已知量，假設游標卡尺三次示值分別為α、β、χ，則其準確值分別為：

在攝影測量軟件中將以上已知量B1B2、B1B3、B2B3設定為基準尺寸，即設定3個基準尺，然后對整個工程文件進行bundle平差處理。接下來在攝影測量軟件中即可查詢待測基準尺及參考基準尺的實際長度，最后將待測長度記錄。

2.2 試驗結果處理

為了便于操作和計算，對于α、β、χ值的選擇按以下規(guī)劃進行：

α=50mm,β=500mm,χ=1000mm。

DPM工程文件中設定待測基準尺長度為：

在bunble平差處理后，對攝影測量系統(tǒng)軟件結算出的S1S2、T1T2分別進行記錄。同時為了獲取更多測量精度的信息，對整個方案進行10次攝影測量，全部記錄、結算。結果如表1所示。

表1 試驗測量結果記錄

通過攝影測量系統(tǒng)DPM軟件計算，可以得出待測基準尺長度的平均值為1269.513 mm，標準偏差為0.005mm。而借用的長度已知的基準尺長度，所得結果的平均值為1097.441mm，標準偏差為0.006mm。

3 結論

隨著我國工業(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，攝影測量已經(jīng)在某些行業(yè)起著越來越重要的作用，尤其在天線加工生產(chǎn)過程中，面型的保證更加依賴于攝影測量系統(tǒng)。目前攝影測量系統(tǒng)使用頻率更加高，基準尺的磨損也在加重，對基準尺的標定，乃至于日常性地、頻繁地標定，就顯得非常有必要。由于一般用戶手中并沒有專用測量檢定設備，不能很好地對基準尺進行長度標定，因此本文提出了一種簡便易行且精度很好的方法可以對基準尺進行很好的標定，即利用游標卡尺的方法擺脫了對高精度基準尺的依賴。試驗結果表明，該方法可以有效地、高精度地標定出基準尺的實際長度，同時節(jié)省了生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)效率。

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

[2] 黃桂平.近景工業(yè)攝影測量關鍵技術研究與應用[D].天津: 天津大學, 2005.

[3] 甘曉川, 赫明釗等.一種攝影測量基準尺的校準方法及不確定性分析[J].計量學報, 2012,(5).

[4] 甘曉川.數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)中相機校準和長度測量誤差校準[D].北京:中國計量科學研究院, 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].測繪學報, 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(1985-)，河北藁城人，碩士，工程師，研究方向為天線結構工藝.

1001-9383(2017)01-0044-06

TB22

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