工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)及應(yīng)用

1、工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)及應(yīng)用工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)及應(yīng)用工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)及應(yīng)用工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)及應(yīng)用一一當(dāng)前進展當(dāng)前進展二二關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)三三應(yīng)用實例應(yīng)用實例一一當(dāng)前進展當(dāng)前進展 美國美國GSI公司的公司的V-STARS系統(tǒng)系統(tǒng)一一當(dāng)前進展當(dāng)前進展 挪威的挪威的MetroNor系統(tǒng)系統(tǒng)一一當(dāng)前進展當(dāng)前進展 德國德國AICON 3D公司的公司的DPA-Pro系統(tǒng)系統(tǒng)一一當(dāng)前進展當(dāng)前進展 德國的德國的TRITOP系統(tǒng)系統(tǒng) 一一當(dāng)前進展當(dāng)前進展數(shù)字近景攝影測量關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用數(shù)字近景攝影測量關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用 黃桂平黃桂平 博士論文博士論文 2005航天器交會對接和月球車導(dǎo)航中視覺測量關(guān)鍵技

2、術(shù)研究與應(yīng)用航天器交會對接和月球車導(dǎo)航中視覺測量關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用王保豐王保豐 博士論文博士論文 2007計算機視覺工業(yè)測量系統(tǒng)的建立與標(biāo)定計算機視覺工業(yè)測量系統(tǒng)的建立與標(biāo)定 王保豐王保豐 碩士論文碩士論文 2004 工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測量中人工標(biāo)志的研究與應(yīng)用工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測量中人工標(biāo)志的研究與應(yīng)用 范生宏范生宏 碩士論文碩士論文 2006數(shù)字工業(yè)攝影測量中的標(biāo)志點匹配和數(shù)字工業(yè)攝影測量中的標(biāo)志點匹配和自檢校光束法平差快速解算自檢校光束法平差快速解算馮其強馮其強 碩士論文碩士論文 2007 我院部分研究成果我院部分研究成果 國內(nèi)院校國內(nèi)院校武漢大學(xué)、天津大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)武漢大學(xué)、

3、天津大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué) 二二關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)1.高精度標(biāo)志點中心圖像獲取高精度標(biāo)志點中心圖像獲取2.高精度相機標(biāo)定算法及標(biāo)定裝置高精度相機標(biāo)定算法及標(biāo)定裝置3.相機初始外方位元素獲取及方法相機初始外方位元素獲取及方法4.編碼標(biāo)志的設(shè)計與實現(xiàn)編碼標(biāo)志的設(shè)計與實現(xiàn)5.同名點自動匹配方法及策略同名點自動匹配方法及策略6.光束法統(tǒng)一平差光束法統(tǒng)一平差7.與其它測量系統(tǒng)的融合及統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理與其它測量系統(tǒng)的融合及統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理1. 高精度標(biāo)志點中心圖像獲取高精度標(biāo)志點中心圖像獲取回光反射標(biāo)志回光反射標(biāo)志準(zhǔn)二值影像準(zhǔn)二值影像閃光燈閃光燈 圖像獲取圖像獲取1. 高精度標(biāo)志點中心圖像獲取高精度標(biāo)

4、志點中心圖像獲取 標(biāo)志點識別及精確定位標(biāo)志點識別及精確定位圖像圖像利用利用Canny算子檢測邊算子檢測邊緣緣含有虛假含有虛假邊緣的圖像邊緣的圖像 幾何檢驗幾何檢驗灰度檢驗灰度檢驗標(biāo)志點標(biāo)志點邊緣圖像邊緣圖像 灰度加權(quán)質(zhì)心法灰度加權(quán)質(zhì)心法灰度平方加權(quán)質(zhì)心法灰度平方加權(quán)質(zhì)心法標(biāo)志點標(biāo)志點像坐標(biāo)像坐標(biāo) 像點坐標(biāo)測量精度優(yōu)于像點坐標(biāo)測量精度優(yōu)于0.020.02像素像素 2. 高精度相機標(biāo)定算法及標(biāo)定裝置高精度相機標(biāo)定算法及標(biāo)定裝置 相機內(nèi)參數(shù)：相機內(nèi)參數(shù)：10參數(shù)相機畸變模型參數(shù)相機畸變模型 徑向畸變徑向畸變 枕形畸變枕形畸變桶形畸變桶形畸變表達式：表達式：357123.rk rk rk r 分解到像

5、平面坐標(biāo)系的分解到像平面坐標(biāo)系的x軸和軸和y軸上軸上 ：246123246123.rrxk xrk xrk xryk yrk yrk yr其中：其中：00222()()xxxyyyrxy2. 高精度相機標(biāo)定算法及標(biāo)定裝置高精度相機標(biāo)定算法及標(biāo)定裝置 相機內(nèi)參數(shù)：相機內(nèi)參數(shù)：10參數(shù)相機畸變模型參數(shù)相機畸變模型 偏心畸變偏心畸變 理想狀態(tài)理想狀態(tài)實際狀態(tài)實際狀態(tài)表達式：表達式：22212( )P rPPr分解到像平面坐標(biāo)系的分解到像平面坐標(biāo)系的x軸和軸和y軸上軸上 ：22122221(2)2(2)2ddxP rxP x yyP ryPx y偏心偏心畸變畸變分布分布示意示意圖圖2. 高精度相機標(biāo)定

6、算法及標(biāo)定裝置高精度相機標(biāo)定算法及標(biāo)定裝置 像平面畸變像平面畸變120mmxb xb yy 相機畸變模型相機畸變模型 rdmrdmxxxxyyyy 相機內(nèi)參數(shù)：相機內(nèi)參數(shù)：10參數(shù)相機畸變模型參數(shù)相機畸變模型2. 高精度相機標(biāo)定算法及標(biāo)定裝置高精度相機標(biāo)定算法及標(biāo)定裝置 試驗場法標(biāo)定試驗場法標(biāo)定由一組控制點構(gòu)成試驗場，用待標(biāo)定相機對試驗場攝影，由一組控制點構(gòu)成試驗場，用待標(biāo)定相機對試驗場攝影，然后根據(jù)單像片空間后方交會或多像片后方交會求解相然后根據(jù)單像片空間后方交會或多像片后方交會求解相機內(nèi)參數(shù)。機內(nèi)參數(shù)?？刂萍芸刂萍?. 高精度相機標(biāo)定算法及標(biāo)定裝置高精度相機標(biāo)定算法及標(biāo)定裝置 光束法平差自

7、標(biāo)定光束法平差自標(biāo)定將內(nèi)參數(shù)作為附加參數(shù)，連同物方點坐標(biāo)、外方位元素同將內(nèi)參數(shù)作為附加參數(shù)，連同物方點坐標(biāo)、外方位元素同時進行光束法平差計算。時進行光束法平差計算。111223311333: : VA XA XA XLPVXLPX1、X2和和X3分別為攝站參數(shù)、物方點坐標(biāo)和內(nèi)參數(shù)的改正數(shù)向量；分別為攝站參數(shù)、物方點坐標(biāo)和內(nèi)參數(shù)的改正數(shù)向量；A1、A2和和A3分別為相應(yīng)的系數(shù)矩陣；分別為相應(yīng)的系數(shù)矩陣；L1為像點坐標(biāo)的觀測值向量；為像點坐標(biāo)的觀測值向量；P1為像點坐標(biāo)的權(quán)矩陣；為像點坐標(biāo)的權(quán)矩陣；L3為內(nèi)部參數(shù)虛擬的觀測值向量，一般為零向量；為內(nèi)部參數(shù)虛擬的觀測值向量，一般為零向量；P3為內(nèi)部參

8、數(shù)虛擬觀測值的權(quán)矩陣。為內(nèi)部參數(shù)虛擬觀測值的權(quán)矩陣。 3. 相機初始外方位元素獲取及方法相機初始外方位元素獲取及方法 單張像片定向單張像片定向 裝置：定向棒（裝置：定向棒（AutoBar） 算法：單像空間后方交會算法：單像空間后方交會A(X1,Y1,Z1)B(X2,Y2,Z2)C(X3,Y3,Z3)SA(x1,y1)B(x2,y2)C(x3,y3)a?xyzXYZO 通過解算一元四次方程求得其中通過解算一元四次方程求得其中3個控制點到個控制點到攝站的距離，利用第攝站的距離，利用第4個控制點消除歧異解；個控制點消除歧異解； 計算計算3個控制點在像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；個控制點在像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

9、； 通過分解旋轉(zhuǎn)矩陣線性計算外方位元素。通過分解旋轉(zhuǎn)矩陣線性計算外方位元素。 AutoBar3.相機初始外方位元素獲取及方法相機初始外方位元素獲取及方法 多張像片定向多張像片定向 裝置：定向棒、編碼標(biāo)志裝置：定向棒、編碼標(biāo)志 算法：概略定向算法：概略定向 利用自動定向棒對部分像片進行利用自動定向棒對部分像片進行空間后方交會；空間后方交會； 利用已定向像片通過空間前方交利用已定向像片通過空間前方交會計算部分編碼標(biāo)志點坐標(biāo)；會計算部分編碼標(biāo)志點坐標(biāo)； 對至少含有對至少含有4個編碼標(biāo)志點的像片個編碼標(biāo)志點的像片進行空間后方交會；進行空間后方交會； 重復(fù)步驟，直至沒有像片重復(fù)步驟，直至沒有像片可進行后

10、方交會為止；可進行后方交會為止； 光束法平差，提高定向精度。光束法平差，提高定向精度。 AutoBar編碼標(biāo)志編碼標(biāo)志4. 編碼標(biāo)志的設(shè)計與識別編碼標(biāo)志的設(shè)計與識別 編碼標(biāo)志編碼標(biāo)志編碼標(biāo)志是一種自身帶有編碼標(biāo)志是一種自身帶有數(shù)字編碼信息數(shù)字編碼信息的人工標(biāo)志，可的人工標(biāo)志，可以通過圖像處理等方法進行以通過圖像處理等方法進行自動識別自動識別，實現(xiàn)工業(yè)攝影測，實現(xiàn)工業(yè)攝影測量中人工標(biāo)志的量中人工標(biāo)志的自動匹配自動匹配，進而作為不同像片之間的公，進而作為不同像片之間的公共點實現(xiàn)像片的共點實現(xiàn)像片的自動拼接自動拼接 。點分布型編碼標(biāo)志點分布型編碼標(biāo)志 同心圓環(huán)型編碼標(biāo)志同心圓環(huán)型編碼標(biāo)志 4. 編碼

11、標(biāo)志的設(shè)計與識別編碼標(biāo)志的設(shè)計與識別 點狀編碼標(biāo)志設(shè)計點狀編碼標(biāo)志設(shè)計模版點模版點編碼點編碼點308022211103m采用十進制編碼原理。利用每一個編采用十進制編碼原理。利用每一個編碼點的數(shù)字標(biāo)識數(shù)作為數(shù)字碼點的數(shù)字標(biāo)識數(shù)作為數(shù)字2的冪產(chǎn)的冪產(chǎn)生一個數(shù)字，所有三個編碼點產(chǎn)生的生一個數(shù)字，所有三個編碼點產(chǎn)生的數(shù)字之和為該編碼標(biāo)志的編碼。數(shù)字之和為該編碼標(biāo)志的編碼。識別簡單、穩(wěn)定、可靠識別簡單、穩(wěn)定、可靠有足夠的編碼數(shù)量有足夠的編碼數(shù)量 設(shè)計原則設(shè)計原則 編碼原理編碼原理4. 編碼標(biāo)志的設(shè)計與識別編碼標(biāo)志的設(shè)計與識別 點狀編碼標(biāo)志識別點狀編碼標(biāo)志識別LABCDABCDL投影不變量：投影不變量：交

12、比交比ADBCBDACDCBARL.),(.) , , (DACBDBCADCBARL) , , (),(DCBARDCBARLL 計算設(shè)計模板交比；計算設(shè)計模板交比； 尋找符合條件的點集，利用交比不變量進行尋找符合條件的點集，利用交比不變量進行匹配，得到圖像中模版點的對應(yīng)點集；匹配，得到圖像中模版點的對應(yīng)點集； 仿射變換求出仿射參數(shù)；仿射變換求出仿射參數(shù)； 通過仿射參數(shù)恢復(fù)其它編碼點，解碼得到編通過仿射參數(shù)恢復(fù)其它編碼點，解碼得到編碼標(biāo)志的編碼。碼標(biāo)志的編碼。識別過程識別過程5. 同名點自動匹配方法及策略同名點自動匹配方法及策略 同名點匹配同名點匹配在像點精確定位、像片概略定向完成后，確定同

13、一物在像點精確定位、像片概略定向完成后，確定同一物方點在不同像片上的同名像點。方點在不同像片上的同名像點。 匹配方法匹配方法基于空間前方交會的自動匹配算法基于空間前方交會的自動匹配算法同名點5. 同名點自動匹配方法及策略同名點自動匹配方法及策略 匹配過程匹配過程l 雙片前方交會雙片前方交會l 合并物方點合并物方點l 初始匹配初始匹配l 剔除屬于同一像片的像點剔除屬于同一像片的像點l 同名像點數(shù)閾值判斷同名像點數(shù)閾值判斷l(xiāng) 多片前方交會多片前方交會l 像點坐標(biāo)殘差閾值判斷像點坐標(biāo)殘差閾值判斷l(xiāng) 確定同名像點確定同名像點6. 光束法統(tǒng)一平差光束法統(tǒng)一平差 自檢校光束法平差自檢校光束法平差待答解參數(shù)

14、待答解參數(shù)物方點坐標(biāo)、外方位元素、相機內(nèi)參數(shù)物方點坐標(biāo)、外方位元素、相機內(nèi)參數(shù)平差模型平差模型111223311333: : VA XA XA XLPVXLPX1、X2和X3分別為外方位元素、物方點坐標(biāo)和內(nèi)參數(shù)的改正數(shù)向量；A1、A2和A3分別為相應(yīng)的系數(shù)矩陣；L1為像點坐標(biāo)的觀測值向量；P1為像點坐標(biāo)的權(quán)矩陣；L3為內(nèi)部參數(shù)虛擬的觀測值向量，一般為零向量；P3為內(nèi)部參數(shù)虛擬觀測值的權(quán)矩陣。 7. 與其它測量系統(tǒng)的融合及統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理與其它測量系統(tǒng)的融合及統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理 經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)經(jīng)緯儀測量系統(tǒng) 全站儀測量系統(tǒng)全站儀測量系統(tǒng)作為長度控制條件或控制點作為長度控制條件或控制點參與光束法統(tǒng)一平差參與

15、光束法統(tǒng)一平差作為控制點對相機進行試驗作為控制點對相機進行試驗場法標(biāo)定場法標(biāo)定作為控制點對像片進行定向作為控制點對像片進行定向三三應(yīng)用實例應(yīng)用實例 “探月工程探月工程”50米大型天線測量米大型天線測量 網(wǎng)狀星載天線測量網(wǎng)狀星載天線測量 星載天線真空條件下高低溫檢測星載天線真空條件下高低溫檢測1. “探月工程探月工程”50米大型天線測量米大型天線測量 54 54所承擔(dān)了所承擔(dān)了“探月工程探月工程”50米天線的研制工作米天線的研制工作 天線參數(shù)：天線參數(shù)： 口徑：口徑：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” 測控系統(tǒng)和地面測

16、控系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)的重要組成部分；接收系統(tǒng)的重要組成部分； 天文觀測的射電望遠鏡。天文觀測的射電望遠鏡。1. “探月工程探月工程”50米大型天線測量米大型天線測量 天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測測量點布設(shè)方案測量點布設(shè)方案編碼標(biāo)志布設(shè)方案編碼標(biāo)志布設(shè)方案1. “探月工程探月工程”50米大型天線測量米大型天線測量 天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測基準(zhǔn)尺布設(shè)方案基準(zhǔn)尺布設(shè)方案3 3根長度為根長度為2.846m2.846m的基準(zhǔn)尺的基準(zhǔn)尺1. “探月工程探月工程”50米大型天線測量米大型天線測量 天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測俯仰角為俯仰角為7 7時的測量示

17、意圖時的測量示意圖 俯仰角為俯仰角為3030時的測量示意圖時的測量示意圖 1. “探月工程探月工程”50米大型天線測量米大型天線測量 天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測1488個回光反射標(biāo)志個回光反射標(biāo)志100個編碼標(biāo)志個編碼標(biāo)志500張圖像張圖像測量時間為測量時間為1.5小時小時數(shù)據(jù)處理時間約為數(shù)據(jù)處理時間約為0.5小時小時1. “探月工程探月工程”50米大型天線測量米大型天線測量 天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測7 7 工位工位3030 工位工位序號序號面型精度面型精度序號序號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.

18、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通過兩次檢測、一次調(diào)整，面型精度完全滿足設(shè)計要求。通過兩次檢測、一次調(diào)整，面型精度完全滿足設(shè)計要求。 檢測和調(diào)整結(jié)果檢測和調(diào)整結(jié)果 （mm）1. “探月工程探月工程”50米大型天線測量米大型天線測量 天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測天線工作狀態(tài)下?lián)隙葯z測測試頻率(GHz)第一旁瓣電平(dB)技術(shù)要求測量結(jié)果方位俯仰7.600 -18-26.67, -18.17-28.00, -23.502.5093-24.83

19、, -21.67-21.16, -25.50頻率(GHz)技術(shù)要求波束寬度（）測量結(jié)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備注：X波段天線效率按30米口徑計算，S波段天線效率按50米口徑計算測試結(jié)果表明：該天線測試結(jié)果表明：該天線S/X頻段的電性能指標(biāo)滿足或優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)，頻段的電性能指標(biāo)滿足或優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)，從而驗證了反射面精度調(diào)整的結(jié)果。從而驗證了反射面精度調(diào)整的結(jié)果。 電測結(jié)果電測結(jié)果2. 網(wǎng)狀星載天線測量網(wǎng)狀星載天線測量 天線概況天

20、線概況框架由碳纖維管制作而成，反射面由高強度細(xì)繩為骨框架由碳纖維管制作而成，反射面由高強度細(xì)繩為骨架，上面鋪上纖維網(wǎng)而構(gòu)成的面狀天線。架，上面鋪上纖維網(wǎng)而構(gòu)成的面狀天線。 直徑：直徑：2.8m、6.4m、17.2m2. 網(wǎng)狀星載天線測量網(wǎng)狀星載天線測量 天線概況天線概況直徑直徑2.8m天線天線2. 網(wǎng)狀星載天線測量網(wǎng)狀星載天線測量 天線概況天線概況直徑直徑6.4m天線天線2. 網(wǎng)狀星載天線測量網(wǎng)狀星載天線測量 天線概況天線概況直徑直徑17.2m天線天線2. 網(wǎng)狀星載天線測量網(wǎng)狀星載天線測量測量方式法向偏差第一次攝影測量0.267第二次攝影測量0.269經(jīng)緯儀測量0.330 測量結(jié)果（測量結(jié)果（

21、2.8m）標(biāo)志點及攝站分布標(biāo)志點及攝站分布 基準(zhǔn)尺標(biāo)定值測量值基準(zhǔn)尺1 1471.000 1470.911基準(zhǔn)尺2 1471.000 1471.089基準(zhǔn)尺測量誤差（基準(zhǔn)尺測量誤差（mm）與經(jīng)緯儀比較結(jié)果（與經(jīng)緯儀比較結(jié)果（mm）兩次測量重復(fù)性偏差為：兩次測量重復(fù)性偏差為：0.049mm 3.星載天線真空條件下高低溫檢測星載天線真空條件下高低溫檢測 項目背景：項目背景：在熱真空試驗過程中進行星載天線熱變形測量，以驗證產(chǎn)品的在熱真空試驗過程中進行星載天線熱變形測量，以驗證產(chǎn)品的設(shè)計、制造工藝、裝配是否滿足天線平面度技術(shù)指標(biāo)要求。設(shè)計、制造工藝、裝配是否滿足天線平面度技術(shù)指標(biāo)要求。 衛(wèi)星天線面板展

22、開狀態(tài)圖衛(wèi)星天線面板展開狀態(tài)圖 真空室及天線狀態(tài)真空室及天線狀態(tài) 真空度優(yōu)于真空度優(yōu)于1.310-3Pa溫度范圍：溫度范圍：-90+90 測量精度要求優(yōu)于測量精度要求優(yōu)于0.15mm 3.星載天線真空條件下高低溫檢測星載天線真空條件下高低溫檢測 測量方案：測量方案：采用采用2臺相機組成攝影測量系統(tǒng)對該衛(wèi)星在熱真空高臺相機組成攝影測量系統(tǒng)對該衛(wèi)星在熱真空高低溫下的變形進行測量。低溫下的變形進行測量。 雙相機測量雙相機測量 相機保護罐相機保護罐 3.星載天線真空條件下高低溫檢測星載天線真空條件下高低溫檢測 測量結(jié)果：測量結(jié)果：周期均方根極大值極小值極大點極小點平面度3次變化量低溫拉偏10.2640.985-0.465X63Z51.450.02低溫拉偏20.2540.958-0.479X63Z51.437低溫拉偏30.2550.736-0.721X63Z51.457低溫10.2670.921-0.819X63Z51.740.007低溫20.2620.982-0.757X63Z51.739低溫30.2660.924-0.822X63Z51.746高溫10.2590.574-0.716X