基于近景数字摄影的坐标精密测量关键技术研究

　　1　引　言

　　近年来,制造技术获得了很大进步,对精密测量技术提出了新的要求,可在工业现场使用的精密三维坐标测量技术已成为先进制造必备的关键技术之一。传统的通用坐标精密测量代表设备是三坐标测量机(CMM) ,但受到直线型导轨运动的限制,一般只能用于专用的测量环境,不能应用于制造现场。为适应制造技术的进步,近年来发展多种不同类型的现场坐标精密测量技术和设备:经纬仪工业测量系统、激光跟踪干涉测量系统、基于机器人的柔性坐标测量系统以及近景数字摄影视觉测量系统。

　　经纬仪工业测量系统以空间交汇三角测量原理为基础,当前电子经纬仪的测角精度已达0.5″,采用多个经纬仪组合,结合精密定向技术,理论上可以实现优于10μm/m的测长精度。经纬仪系统有很好的便携性,可以在工业现场组建,但存在一定的局限性:测量效率低、需人工瞄准、工作强度大、测量精度易受人为因素影响,不适合大工作量的现场测量。激光跟踪干涉测量系统是建立在激光干涉长度测量和角度精密测量基础上的极坐标测量系统,具有测量空间大、精度高的优点,其不足之处在于便携性不理想、价格昂贵、效率一般。基于机器人的柔性坐标测量系统是以机器人本体为运动平台,配合精密测头,实现空间坐标测量。本质上,它是将CMM的直线导轨运动形式转化为灵活的关节运动形式,因而具有很好的运动效率和紧凑的安装空间。基于机器人的柔性坐标测量系统效率高,缺点是受到运动形式的影响,测量精度和测量范围受到很大限制,此外,便携性也不理想。

　　近景数字摄影视觉测量技术是建立在摄影测量、数字成像、图像处理和精密测量原理基础上的新型精密测量技术,其用于工业现场是目前精密测量研究和应用的一个热点。近景数字摄影视觉测量采用类似于经纬仪系统的空间交汇三角测量模型,所不同的是,它采用高性能数字成像器件作为传感元件,结合图像处理及模式识别技术实现对目标物体(被测点)的自动识别、瞄准和角度测量,测量过程自动化,消除测量过程中的人为误差,有效提高了测量精度,测量效率大大提高。近年来,高分辨率、高信噪比的数字成像CCD器件发展迅速,如MegaPlus 6.3i数字摄像机具有3000×2000像素和10bit的信号动态范围,加之计算机图像处理和模式识别技术的快速进步,使得近景数字摄影视觉测量技术成为目前最有前途的一种现场精密三维坐标测量技术[1~4]。近景数字摄影视觉测量的核心技术包括数字成像器件的精确模型及标定、成像器件空间精密定向、高精度亚像素图像处理以及光学编码和精密测头。

　　2　数字成像CCD精确模型及其参数标定