攝影測量中虛擬標(biāo)尺的構(gòu)建意義探究

高凱元 孫建輝 趙朝雄

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安710000）

1 概述

隨著航空航天、艦船、高能物理研究裝置等現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)設(shè)備的制造與安裝的精度也提出了更高的要求。[1]工業(yè)攝影測量是使用工業(yè)相機(jī)對(duì)被測目標(biāo)進(jìn)行圖像拍攝，通過圖像處理和數(shù)據(jù)的計(jì)算，來獲得目標(biāo)的幾何形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。攝影測量經(jīng)歷了從模擬、解析到數(shù)字方法的變革，隨著微電子和半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，硬件也從膠片相機(jī)發(fā)展到數(shù)字相機(jī)。該技術(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)字?jǐn)z影測量和計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)。工業(yè)攝影測量系統(tǒng)主要有兩種基本測量模式，即基于單臺(tái)相機(jī)移動(dòng)多個(gè)位置拍攝多張像片的單相機(jī)測量和基于多臺(tái)相機(jī)固定位置并同步拍攝多張相片的多相機(jī)測量。[2]

圖1 數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)

針對(duì)航空產(chǎn)品及配套工藝裝備的測量，數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)與激光跟蹤儀都是主流的測量儀器設(shè)備，二者同樣對(duì)于大尺寸的零部件、整機(jī)和工藝裝備有著與生俱來的測量優(yōu)勢，但在適應(yīng)場景也存在些許差異。就拿數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)來說，與傳統(tǒng)卡尺塞規(guī)和同為數(shù)字化測量設(shè)備的關(guān)節(jié)臂、三坐標(biāo)測量機(jī)不同，測量時(shí)的非接觸特性和被測位置的重復(fù)特性使得在測量過程中：a.遠(yuǎn)距離非接觸測量時(shí)不干擾被測物停放狀態(tài)，測量者提取數(shù)據(jù)難度大大降低；b. 針對(duì)某動(dòng)態(tài)焦點(diǎn)測量時(shí)可實(shí)現(xiàn)多固定點(diǎn)同時(shí)捕捉，在大部件對(duì)接工程、局部形變量動(dòng)態(tài)分析工程中有較大優(yōu)勢?？梢钥闯鲈摐y量設(shè)備的優(yōu)勢場景往往是大而遠(yuǎn)的工況，拋開無論何種工況都需面對(duì)的單點(diǎn)/編碼點(diǎn)獲取精度，在現(xiàn)場測量時(shí)影響最終測量精度的其他關(guān)鍵因素就是為測量系統(tǒng)提供比例因子的基準(zhǔn)尺設(shè)置了。

圖2 攝影測量系統(tǒng)的基準(zhǔn)尺

2 基準(zhǔn)尺的作用

在很多現(xiàn)場型數(shù)字化測量設(shè)備的使用中，都需要使用基準(zhǔn)尺?；鶞?zhǔn)尺的作用顯而易見，不同于常規(guī)量具的“示值即為最終測量值”，數(shù)字化測量在高效提升測量距離的同時(shí)代價(jià)就是需要花時(shí)間在現(xiàn)場校驗(yàn)補(bǔ)償，而基準(zhǔn)尺就是提供一個(gè)真值或是比例因子來檢查當(dāng)下的設(shè)備狀態(tài)是否滿足測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。比如在激光跟蹤儀的測量中，基準(zhǔn)尺的作用僅僅是提供當(dāng)下包含材料溫度補(bǔ)償或者坐標(biāo)系擬合結(jié)果等綜合環(huán)境好壞的側(cè)面驗(yàn)證，即不影響最終測量數(shù)據(jù)的獲取，僅是判定結(jié)果好壞。而在工業(yè)攝影測量中，其所提取的測量數(shù)據(jù)模型自身并不具備尺寸信息，僅僅是一組包含各數(shù)據(jù)點(diǎn)之間位置信息的等比例縮放體[3]，基準(zhǔn)尺的作用是提供某段基準(zhǔn)長度的“真值”，并以此為比例系數(shù)來二次處理拼接平差后的照片中獲取的單點(diǎn)信息，即影響最終測量數(shù)據(jù)。所以對(duì)于工業(yè)攝影測量系統(tǒng)而言，基準(zhǔn)尺的設(shè)置與數(shù)據(jù)獲取是保證測量過程精度的重中之重。

圖3 基準(zhǔn)尺的添加

從上述的基準(zhǔn)尺作用來分析，存在以下幾個(gè)事項(xiàng)需要明確。首先是基準(zhǔn)尺所處環(huán)境的穩(wěn)定性，一方面基準(zhǔn)尺的放置位置應(yīng)是牢靠的，不會(huì)有相對(duì)位移的，這就對(duì)基準(zhǔn)尺的夾持工裝、現(xiàn)場震動(dòng)等要素提出了要求；另一方面在溫度上，因?yàn)椴煌牧暇嬖跓崤蛎洭F(xiàn)象，而測量環(huán)境又很難保證一定是恒溫的，所以一般基準(zhǔn)尺會(huì)選擇相對(duì)比較穩(wěn)定的材料，如Invar 鋼，碳纖維材料等。除此之外，不同于激光跟蹤儀的基準(zhǔn)尺材質(zhì)要求——為了驗(yàn)證溫度補(bǔ)償或最佳擬合的比例系數(shù)是否正確，往往要求基準(zhǔn)尺與工件被測位置的材料相同。而工業(yè)攝影測量中的基準(zhǔn)尺是服務(wù)于自身的，即只要采集時(shí)溫度信息較為恒定就足夠調(diào)整并反映工件的整體狀態(tài)。

圖4 虛擬標(biāo)尺測量界面

此外，攝影測量的基準(zhǔn)尺在實(shí)際使用中雖然添加1 組就足夠進(jìn)行解算點(diǎn)位信息，但往往現(xiàn)場條件允許時(shí)實(shí)際使用2 組或以上的基準(zhǔn)尺。原因是解算軟件將會(huì)對(duì)這些獨(dú)立的基準(zhǔn)長度進(jìn)行整合與平差運(yùn)算，以提供更高的尺寸精度。正是這里的整合平差或者稱為“互校”，提供多個(gè)基準(zhǔn)長度可以有效地識(shí)別并避免由某1 組基準(zhǔn)尺本身的誤差導(dǎo)致的整體處理結(jié)果不理想。除了數(shù)量上的建議，基準(zhǔn)尺的長度也不是固定不變的，基準(zhǔn)尺的長度應(yīng)盡可能的與被測物尺寸相匹配。若基準(zhǔn)尺的長度與被測產(chǎn)品外形產(chǎn)生較大差值時(shí)，基準(zhǔn)尺的微小測量誤差對(duì)應(yīng)到被測產(chǎn)品的測量中，其誤差會(huì)成幾何倍數(shù)放大。例如，測量長度為10m的被測產(chǎn)品時(shí)選用長度1m 左右的1 組基準(zhǔn)尺，即使基準(zhǔn)尺自身的拍攝數(shù)據(jù)僅存在0.01mm 的誤差，但放大到10m 的被測產(chǎn)品上時(shí)，這個(gè)數(shù)值就會(huì)被放大10 倍，使得被測產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)因基準(zhǔn)尺自身數(shù)據(jù)原因產(chǎn)生最少0.1mm 的測量誤差。[3]這里需要明確之所以調(diào)整基準(zhǔn)尺長度是因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)前提——無論基準(zhǔn)尺的長與短，理論值的誤差是客觀存在的。那么在此前提下，如果將相同級(jí)別的理論值誤差代入拼接后的照片，顯然短基準(zhǔn)尺引入的比例系數(shù)誤差會(huì)更大。因此在進(jìn)行大部件或者整機(jī)測量時(shí)，需采用較長比例尺進(jìn)行解算，為了解決便攜性與準(zhǔn)確性的問題，往往會(huì)配合激光跟蹤儀或激光干涉儀獲得基準(zhǔn)長度來進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定。

3 虛擬標(biāo)尺的構(gòu)建

之所以稱之為“虛擬標(biāo)尺”是因?yàn)榛诩す飧檭x或激光干涉儀獲得基準(zhǔn)長度的方法往往沒有基準(zhǔn)尺實(shí)物，而是在固定表面上選取的合適距離的多組臨時(shí)點(diǎn)。在搭建虛擬標(biāo)尺的準(zhǔn)備階段，在被測物表面或工裝上固定3～6 個(gè)R1.5S 測量靶標(biāo)（至少3個(gè)，以形成兩條以上基準(zhǔn)長度以保證測量精度，且兩條基準(zhǔn)長度應(yīng)盡量接近被測物最大尺寸），此測量靶標(biāo)不僅用于數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)的單點(diǎn)測量還需要用激光跟蹤儀設(shè)備配合反射器進(jìn)行測量，所以要求其在測量過程中不能產(chǎn)生位移，并以能完整包絡(luò)整個(gè)被測物為宜，配合激光設(shè)備采集每個(gè)靶座對(duì)應(yīng)靶標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)空間坐標(biāo)，獲得靶標(biāo)點(diǎn)之間的距離尺寸。在拍攝過程中使用V-STARS 系統(tǒng)配套的工裝標(biāo)志點(diǎn)，對(duì)R1.5S 測量靶標(biāo)同時(shí)進(jìn)行采集，軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的拼接對(duì)合后，將尺寸信息輸入點(diǎn)云中的靶標(biāo)點(diǎn)，即可完成尺寸標(biāo)定。

本次案例中使用的是Leica AT960 激光跟蹤儀和SA 軟件進(jìn)行基準(zhǔn)長度測量。將測量結(jié)果反饋至標(biāo)尺標(biāo)定互校后從V-STARS 系統(tǒng)的平差界面的標(biāo)尺RMS 值可以看出本次基準(zhǔn)長度獲取的準(zhǔn)確程度。通過設(shè)置不同的站位、測量角度和測量模式，可有效提高基準(zhǔn)長度的獲取精度，通過編制對(duì)應(yīng)的MP 程序進(jìn)行標(biāo)注或添加距離標(biāo)簽可以實(shí)現(xiàn)更加高效的測量（如圖5）。

4 結(jié)論

從前文中提到的“無論基準(zhǔn)尺的長與短，理論值的誤差是客觀存在的。如果將相同級(jí)別的理論值誤差代入拼接后的照片，顯然短基準(zhǔn)尺引入的比例系數(shù)誤差會(huì)更大”可以看出在現(xiàn)有的虛擬標(biāo)尺構(gòu)建方法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高基準(zhǔn)長度的獲取精度會(huì)使得攝影測量的單點(diǎn)精度顯著提高。所以在現(xiàn)場基準(zhǔn)尺標(biāo)定時(shí)SA 軟件中設(shè)置Angle Weight 為0，只用距離值解算空間點(diǎn)位坐標(biāo)，此功能至少需要3 臺(tái)激光跟蹤儀組網(wǎng)并以外部觸發(fā)裝置測量同一靶標(biāo)點(diǎn)，通過引入距離交會(huì)測得基準(zhǔn)長度的方法會(huì)顯著降低示值誤差和距離標(biāo)準(zhǔn)偏差。

激光跟蹤儀在激光干涉測距模式下，其測距精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于測角精度，利用極坐標(biāo)測量的空間點(diǎn)坐標(biāo)精度主要受測角誤差的影響，利用激光跟蹤儀的高精度激光干涉測距值構(gòu)成空間三維激光干涉測邊網(wǎng)，消除測角誤差對(duì)空間點(diǎn)位的影響，采用基于重心基準(zhǔn)的加權(quán)秩虧網(wǎng)平差模型進(jìn)行整網(wǎng)平差，充分利用了激光干涉距離觀測值高精度的優(yōu)勢，極大地提高了點(diǎn)位精度。[6]