近景摄影测量在三维数据采集中的应用_冉险生

+ b1 （ yD － yDS ） + c1 （ zD － zDS ） + b3 （ yD － yDS ） + c3 （ zD － zDS ） + b2 （ yD － yDS ） + c2 （ zD － zDS ） + b3 （ yD － yDS ） + c3 （ zD － zDS ）
过两次对同一点的摄影， 有利于被测物体精度的提高和 软件解算的稳定性。对于 TRITOP 摄影系统按德国 VDI / VDE2634 标准方法检测精度可达0． 0125mm / m［8-9］。
［3 ］ 可以实现较高精度的测量 ， 能够使误差控制在0． 05 mm 范围内， 但对于大尺寸零件， 其累积误差会因测量
在汽车、 船舶、 风电， 以及航空航天等行业经常会 涉及大尺寸物体 （ 通常大于 1m ） 的三维精确测量， 三 维测量的方法目前主要有两种： 一种是接触式测量， 如三坐标仪 （ CMM ） ； 另外一种是非接触式测量， 如光 栅式光学扫描仪、 激光扫描仪等。 由于非接触式测量设备具有采集数据量大、 测量 时间短和对使用场地条件要求不高等特点， 因而在机 械零件的测量及逆向设计中被广泛应用。 但在进行 100
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
x － x + Δx = － f d1 （ xD － xDS ） S 0 d3 （ xD － xDS ） d （ x －x ） yS － y0 － Δy = － f 2 D DS d3 （ xD － xDS ）
照片绝对数量的增加、 拼合次数的增多而增大。 为保
冉险生， 等： 近景摄影测量在三维数据采集中的应用
2013 年第 3 期
证被测物体的测量精度， 引入了近景摄影测量技术。 测量前先使用近景摄影测量设备对整个物体进行三 维非编码点的整体构建， 得到符合测量精度要求的三 维点。将此三维点输入光栅投影扫描设备， 并以此点 为图片拼合基准， 进行被测物体表面的完整拼合。 由 于其定位点是通过近景摄影整体绑定解算得来， 定位 因而利用此点的光栅图片拼合精度也 点整体精度高， 相应提高。
y S 为像点坐标； x D 、 yD 、 z D 为物方点坐标； x DS 、 式中： x S 、 y DS 、 z DS 为摄影中心 S 在物方坐标系中的坐标； x0 、 y0 、 bi 、 ci （ i = 1， 2， 3 ） 为像空间坐 Δx、 Δy 为误差修正系数； d i 、 d1 = cosφ × 标系相对于物方空间坐标系的方向余弦， cosκ － sinφsinωsinκ， d2 = － cosφsinκ － sinφ sinω cosκ， d3 = － sinφcosω， b1 = － cosωsinκ， b2 = － cosωcosκ， b3 = － sinω， c1 = sinφcosκ + cosφsinωsinκ， c2 = － sin φsinκ + cosφsinωcosκ， c3 = － cosφcosω。 利用坐标变换和内、 外方位定位及共线方程， 能 从而对物体进行三维测量。 在 够解算出物方点坐标， 近景摄影测量中由于对摄影精度要求较为苛刻 （ 误差 小于等于 0． 05mm / m） ， 为了确保摄影精度， 常常使用 多重交向摄影技术 （ 也称多摄站式摄影方式 ） 进行被 能达到 测物体的测量。通过对一点多角度多次摄影， 较高测量精度。多摄站式交向摄影如图 3 所示。一般 两次不同角度的重复摄影即可完成物方点的定位 ， 超
1 ） 物方空间坐标系 DXD YD ZD ， 用于形容被测目 y DA ， 标的空间形状， 点 A 的物方空间坐标为 A （ x DA ， z DA ） 。 2 ） 像空间坐标系 SX S Y S Z S 的 X S 轴与 Y S 轴平行 XYZ 的 X 轴与 Y 轴， 于像片坐标系 O用于形容像点 a y Sa ， － f） 。 的像空间坐标为（ x Sa ， 3 ） 辅助空间坐标系 SX' S Y' S Z' S ， 是像空间坐标系 SX S Y S Z S 与物方空间坐标系 DX D Y D Z D 之间的某种过 渡性坐标系。
［5 ］
图2
近景测量坐标系
［4 ］ 通过三个角度 （ φ， ω， κ ） 的变换实现坐标旋转， 建立像点 a 与物点 A 的对应关系， 并通过像片的内方
位元素与外方位元素的定位实现物点与像点的转换 。 像空 间 坐 标 系 中 的 像 点 a 从 像 空 间 坐 标 系 SX S Y S Z S 向辅助空间坐标系 SX' S Y' S Z' S 的变换就是 通常说的内定向
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近景摄影成像原理
近景摄影测量是通过摄影手段以确定目标外形 的测量方法。 近景摄影的关键技术就是数字照片的 定位及相机的姿态定位， 其定位方式直接关系到成像 。 精度 传统近景摄影使用的是专门为测量而设计制造 这种量测摄影机机械结构稳固， 光学 的量测摄影机， 性能好， 其专用的光学系统有效地减少了光学畸变的 ［4 ］ 影响 。但由于专业量测摄影机价格昂贵， 携带不方 便， 因而在工业近景摄影测量中常常使用不是专为测 量而设计制造的摄影机即传统数码相机， 称为非量测 摄影机。 目前市场上成熟的非量测摄影系统有德国 GOM AICON 公司的 DPApro 系统等。 公司的 TRITOP 系统、 由于非量测摄影系统没有专业量测摄影系统的定位 框标， 无法进行像片的内方位元素和外方位元素的定 位 ， 因而在使用非量测摄影系统进行三维定位点构 建时， 常常使用形如图 1 所示的非编码点和编码点的 人工标识， 以利于软件在定位解算时识别。
［6 ］
。
外方位元素是确定光束在给定物方空间坐标系 DX D Y D Z D 中位置与朝向的要素。 外方位元素共有六 个， 三个外方位直线元素和三个外方位角元素。 三个 y DS ， z DS ） 用 以 表 示 摄 影 中 心 （ 光 束 定 直线元素 （ x DS ， X D Y D Z D 中的位置； 而三个 点） S 在物方空间坐标系 D角元素， 即三个角度 （ φ， ω， κ ） 用以表示光束在物方空 X D Y D Z D 中的朝向［4］， e' e″ 为 Y' S 轴 间坐标系 D其中， 在像片面 P 上的投影线段， φ 为线段 Se' 与 Z' S 轴的夹
摘要： 工业产品的三维数据检测常常使用光栅投影扫描设备获得被测物体精确的表面尺寸 。 由于其照片拼合依据非编 码点三点定位原理， 因而在测量大尺寸物体表面时， 具有较大的累计误差。 通过近ห้องสมุดไป่ตู้摄影测量方法构建三维测量的非 编码点群， 是提高三维测量精度的一种有效手段 。 阐述了近景摄影测量的原理及方法， 提出了利用多摄站近景摄影测 量结合光栅投影扫描的方法实现大尺寸物体精确测量 。以汽车外表面测量为例， 通过采用单独使用光栅投影扫描设备 与近景摄影测量结合光栅投影扫描两种不同的方法， 对大尺寸物体表面测量的结果进行对比， 其结果表明， 使用近景摄 影测量方法不仅提高了扫描效率， 而且大幅度提高了大尺寸物体的扫描精度 。 关键词： 近景摄影测量； TRITOP 系统； 多重交向摄影； 光栅投影扫描 中图分类号： TP391 ； TN911． 73 文献标志码： A 文章编号： 1671 —3133 （ 2013 ） 03 —0100 —05
Abstract： Grating projection scanning equipments are often used to detect 3D data of industrial products， such to acquire precise surface size of products． Photographs merging has a large accumulated error in the measurement of largesize surface due to the principle of uncoded point threepoint fix． Using closerange photogrammetry method to build threedimensional measurement of uncoded point group is an effective means to improve accuracy of the threedimensional measurement． Describes the principles and methods of closerange industrial photogrammetry systematically． A multicamera station closerange photogrammetry method combined with the grating projection scanning method is introduced to achieve accurate measurement of largesize objects． A case study of surface measurement of motor vehicles shown that， compare with a separate raster scan method， closerange photogrammetry combined with the raster scan method not only improve the scanning efficiency but also increased the accuracy of the scanning of largesize objects substantially． Key words： closerange photogrammetry； TRITOP； multiple direction to photography； grating scan
仪器仪表 / 检测 / 监控
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
2013 年第 3 期
近景摄影测量在三维数据采集中的应用
1， 2 1 3 冉险生 ， 林立 ， 黄泽好 （ 1 重庆交通大学机电与汽车工程学院 ， 重庆 400074 ； 2 重庆大学机械传动 国家重点实验室， 重庆 400030 ； 3 重庆理工大学， 重庆 400054 ）
［7 ］
近景摄影测量的主要任务是由二维影像重建物 ［6 ］ 方空间， 这是影像形成的逆过程 。 近景摄影测量中常用的坐标系统有三种， 如图 2 A 为物方点、 P 为像片面、 f 为像片面 P 所示。图 2 中， 的主距， 即摄影中心 S 与像片面 P 间的垂直距离。
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2013 年第 3 期
Application of close range photogrammetry technology in 3 D data acquisition
2 Ran Xiansheng1， ， Lin Li1 ， Huang Zehao3
（ 1 College of Mechatronics and Automobile Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074 ， China； 2 The State Key Laboratory of Mechanical Transmission， Chongqing University， Chongqing 400030 ， China； 3 Chongqing University of Technology， Chongqing 400054 ， China）
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引言
由于光栅式三维扫描仪的 大尺寸物体的测量过程中， 测量范围有限， 通常一幅照片的测量范围为 500mm × 500mm × 400mm， 因而要完整表达一个大尺寸物体， 需 要多次重叠扫描， 并通过非编码点拼合来完成点云坐 标的重定位， 以及点云的整合。 这种通过被测物体表 面粘贴的非编码点至少三个点重合的三点定位原理， ［12 ］ 实现照片拼合 的方法， 对于中、 小零件 （ 小于 1m ）
图1 测量系统人工标识
角， ω 为线段 Se' 与 Z S 轴的夹角， κ 为 e' e″ 与 Y 轴的 夹角。 近景摄影 测 量 是 基 于 光 学 的 基 本 原 理： 小 孔 成 像； 像点、 摄影中心点以及物方点应位于一条直线上， 用数学方法来表示就是共线条件方程式 。 aA 反映的是一种线性关系。共线条 图 2 中的 S件方程式可以表述为