大尺寸物体测量方法国内外研究现状

大尺寸物体测量方法国内外研究现状

随着现代工业的发展，对测量要求越来越高，尤其是大尺寸的目标测量，一般要求其测量范围大、测量精度高或者需要实现动态测量。文章针对大尺寸物体的尺寸测量问题，研究了国内外的发展现状，对如今接触式测量和非接触式测量的技术做了简单介绍，较详尽地描述了非接触式测量中的视觉测量。

标签：大尺寸；尺寸测量；视觉测量

1 概述

由于经济的迅猛发展，现代化工业对大尺寸物体测量需求日益升高，例如铸造行业、钢铁企业、船舶与航天企业等，大尺寸物体的测量逐渐成为国内外研究的热点。如今国内外较传统成熟的测量方法主要分为两类，接触式测量和非接触式测量。主要包括计算机视觉测量技术、超声波测量、激光测量、室内全球定位系统等测量技术。

2 国内外研究现状

首先接触式测量中，超声波测量中接触式测厚仪由主机和探头两部分组成，在被测物体内应用超声波脉冲的反射原理进行[1]。该方法虽然成本较低但精度容易受影响，例如测量物体表面不光滑、环境温度偏高等都容易影响测量精度。典型的接触式测量还有三坐标测量机，测量时测量机的测头接触被测工件，系统自动记录被测量点的三围坐标信息，进而根据多个空间点坐标信息计算出被测物体几何尺寸或者位置等[2]。该方法虽然精度较高但满足不了实时性无法实现动态测量。激光跟踪测量系统根据目镜返回的光束来实现动态测量目标的距离[3]。该方法效率及成本都较高，并且激光也极易受周围大气温度等的影响。

非接触式测量有很多种，例如射线法、激光法、结构光测量法、视觉测量法、漏磁法等。文献[4]应用了漏磁法，漏磁法对被测物体的材质要求较高，一般要求物体能够被磁化。X射线本质上其实是一种电磁波，其对环境有较高的适应能力，文献[5]便将射线法应用于钢板尺寸的测量。国外研究领域，法国Mensi公司生产的扫描仪可以轻松实现被测物的三维重构，Mensi S25利用了平面三角法[6]。结构光三维测量方面如德国GOM公司的ATOS三维扫描仪为工业测量提供了一种非接触式的三维光学测量。文献[7]基于结构光光栅投影，利用傅里叶变换轮廓测定法来实现三维物体形状的自动测量。测厚仪器的研究方面如德国IMS 公司提供的X射线测厚仪是一种以X射线为载体的非接触式厚度测量系统，在未接触条件下对带钢的厚度完成测量，测量精度高达1‰。并且在全世界第一次成功地把轧机的厚度测量和速度测量系统紧凑地装在一个测量框架上，厚度测量系统采用IMS公司单一通道X光测厚装置，速度测量采用VLM 200 SD 装置，在许多轧机上成功使用[8]。CCD测宽方面如加拿大KELK公司的ACCUBAND系列测宽仪[9]性能较好，该仪表用两个线阵CCD的摄像头看带钢。带钢的每个边缘都能被两个摄像头从不同的角度看到。用带钢边缘在CCD阵列

上的图像和摄像头到测量区域的几何关系可以计算出两个边缘的横向和垂直方向的位置，进而得出带钢宽度。

除此之外，非接触式测量中视觉测量技术迅速发展和逐渐成熟，越来越普遍与受重视，它广泛应用在航天、工业、军事、医疗等各个行业。计算机视觉指的是利用摄像机等各种成像系统来代替人眼和大脑，需要对获取的图像做进一步处理，对获取的目标进行识别等工作，最终使得计算机能够像人一样能够观察和识别各种物体。典型的计算机视觉测量技术主要包括双目立体视觉、单目视觉以及基于结构光的视觉测量。基于双目立体视觉的尺寸测量问题，对外形不规则的大尺寸物体测量十分有效，首先需要提取目标物体特征点，进一步特征点进行匹配，然后通过对三维点的重建来实现被测物体的尺寸测量[10]。Shinichi Goto[11]等提出了结合双目立体视觉与运动视觉的一种三维测量方法，提高了三维视觉的测量精度。单目视觉测量领域中，一个相机所拍摄的一张图像往往无法包含整个待测物体，此时需要多个摄像机拍摄多张图像，终究属于单目测量，但需要进一步将多副图像拼接为一副完整图像。1965年计算机图形学创始人Ivan Suthutherland 最先提出了全景图像拼接这一课题。文献[12]提出了基于投影的测量拼接方法，该方法利用基于随机抽样一致性算法，将不同区域的局部三维数据进行拼接，最终得到完整待测钢板的三围数据信息，进而测得物体尺寸。文献[13]采用了一种基于坐标变换的拼接方法，将多幅有重叠部分的图像变换到同一坐标系下实现图像拼接，然后在拼接图像上提取待测目标特征进而对其尺寸加以测量。

参考文献

[1]杜裕平.超声波测厚义精确测量钢板厚度的方法[J].中国高新技术企业，2013，13：52-54.

[2]仇谷烽，余景池，等.接触式三坐标测量自由曲面轮廓的数据处理模型[J].光学精密工程，2013，21（11）：2813-2819.

[3]马强，闫勇刚，等.激光跟踪测量系统校验及在三维测量中的应用[J].中国测试技术，2006，32（2）：27-28.

[4]左建勇，颜国正，等.漏磁场法测量钢板厚度的研究[J].仪表技术与传感器，2003.

[5]彭帅军，王凯，等.射线检测技术在钢铁尺寸测量中的应用[J].无损检测，2007，29（11）：679-681.

[6]李宗春，冯其强.Mensi激光扫描仪精度测试方法研究[J].信息工程大学测绘学院，2009，43.

[7]Mitsuo Takeda，Kazuhiro Mutoh. Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes[J]. Applied Optics. 1983，22（24）：3977-3982.

[8]苏鸿英.德国IMS公司开发出来的轧制厚度和速度测量一体化的测量系统[J].有色金属，2002，9.

[9]ACCUBAND测宽仪C965-A和B型V6.0版用户手册[Z].

[10]全燕鸣，黎淑梅，等.基于双目视觉的工件尺寸在机三维测量[J].光学精密工程，2013，21（4）：1054-1060.

[11]GOTO，Yamashita，Kawanishi，et. 3D environment measurement using binocular stereo and motion stereo by mobile robot with omnidirectional stereo camera. 2011 IEEE International Conference on Computer Vision Workshops，Barcelona，Spain，2011：296-303.

[12]史金龍，钱强，等.大尺度钢板的三维测量和拼接[J].光学精密工程，2014，22（5）：1165-1170.

[13]陈海林，熊芝，等.大尺寸工件视觉测量中的图像拼接方法[J].计算机测量与控制，2015，23（2）：523-525.

作者简介：韦飞云（1990，9-），女，汉，籍贯：河北沧州，硕士研究生，单位：沈阳理工大学信息科学与工程学院，计算机软件与理论专业，研究方向：图像处理与分析技术。