专利名称：面向超大型空间复杂曲面的绝对无干扰精密测量方法
技术领域：
本发明涉及一种精密测量方法，特别涉及一种面向超大型空间复杂曲面的绝对无
干扰精密测量方法。
背景技术：
超大型空间(范围在十几米至几十米)复杂曲面(各局部法线方向差异巨大)的 测量问题是航空航天、船舶制造等超大型设备制造领域中常见的迫切问题。这类测量问题 较常规尺寸测量面临更复杂的技术难题，突出表现在以下两个方面一是需要兼顾测量范 围和测量精度两方面，在几十米的测量范围内实现亚毫米级的高精度测量，具有相当难度； 二是被测曲面的高复杂性，大多数传统测量手段由于自身的局限无法简单、高效地完成测 量任务。因此，面对超大型空间复杂曲面，传统测量方法已经无法胜任。 近年来发展了一种基于近景摄影测量的视觉测量方法，其具有测量精度高、测量 效率高、可任意拓展测量空间的优点，成为测量超大型空间复杂曲面的主流方法。目前国 际市场上已经出现基于此方法的成熟系统，最典型的是美国GSI公司的V-STARS近景摄影 测量系统，类似的产品还有德国G0M公司的TRIT0P测量系统、德国AIC0N公司的DPA测量 系统等等。上述测量系统均需在被测物表面设置可视的测量点特征和编码特征，其中测量 点特征可以通过光学投射的方式设置，但编码特征必需通过在被测物表面设置物理标记实 现。上述方法存在两个明显的局限一是对于超大型空间复杂曲面，需要设置很多编码特 征，对被测物形貌造成一定程度的干扰；二是面对表面无法设置任何物理特征的被测对象， 上述方法便无法完成测量任务。 目前存在一种不基于粘性标记的大型三维形体测量方法，该方法不采用粘性标 记，对被测物表面形貌没有影响。但此方法需要在被测物周围设置用于全局控制的物理标 志，且要求所有全局控制的物理标志均在相机视场中。由于相机视场有限，导致此方法存在 局限仅适用于被测空间在3 5米范围内，无法适应十几米至几十米范围的超大型空间复 杂曲面的测量要求。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种面向超大型空间复杂曲面 的绝对无干扰精密测量方法，该方法在不利用编码标志的情况下采用近景摄影测量方法实 现超大型空间复杂曲面的测量，无需在被测物表面设置任何物理标记，对被测物表面形貌 不造成丝毫干扰。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是一种面向超大型
空间复杂曲面的绝对无干扰精密测量方法，利用光学投射方法设置全局控制点和测量点；
利用定向相机结合控制点技术，实现测量相机在各测站下的初始定向；利用全局控制点实
现各测量点区域的拼接，再利用测量点作为公共点实现全局控制点区域的拼接。 上述测量方法，包括以下步骤，1)预先标定测量相机上的控制点在测量相机坐标系下的精确空间三维坐标；规划被测物表面多个全局控制点区域；2)固定定向相机，当定 向相机的数量多于1台时，标定各定向相机间的空间位姿关系；3)对某一全局控制点区域 进行测量，测量过程中利用全局控制点投射器投射该全局控制点区域中的全局控制点，利 用测量相机在空间多个位姿下拍摄该全局控制点区域中的全局控制点，同时利用定向相机 拍摄测量相机至少包含4个测量相机控制点的图像，解算测量相机每个位姿下的初始姿 态，基于光束平差算法的近景摄影测量方法，解算该全局控制点区域内全局控制点的精确 坐标，建立全局控制点坐标系0JJeZe ;在该全局控制点区域内规划测量点区域，利用测量 点投射器在每个测量点区域内投射测量点，利用测量相机分别拍摄每个测量点区域的图像 获取对应区域内测量点的三维坐标，利用每个测量点区域中包含的全局控制点将各测量点 区域的数据拼接到全局控制点坐标系(V^YeZe中，完成该全局控制点区域的测量；4)对相邻 的另一全局控制点区域进行测量，并完成相邻全局控制点区域之间的拼接；a、当上一全局 控制点区域全部测量完成时，保持测量点投射器的位置不动，移动全局控制点投射器到下 一位置，使其投射到当前全局控制点区域中，利用测量相机在空间多个位置姿态下获取当 前全局控制点区域的图像，其中包含测量点投射器在上一个全局控制点区域中投射的最后 一个测量点区域内的测量点；b、利用上一个全局控制点区域中最后一个测量点区域内的测 量点作为公共控制点，将当前全局控制点区域内的全局控制点拼接到全局坐标系OJJA 中，获取当前全局控制点区域中全局控制点在全局坐标系0^YA下的精确三维坐标，实现 相邻全局控制点区域的拼接； c、按照步骤3)完成当前全局控制点区域中测量点的测量和拼接； 5)重复步骤4)，直到完成被测物所有全局控制点区域的测量和拼接。 本发明具有的优点和积极效果是利用定向相机结合控制点技术解决了测量相机
在空间各测站下的初始定向问题，实现了在不依靠编码标志的情况下进行基于光束平差方
法的近景摄影测量；本发明能够任意拓展测量空间，测量方式自由，可根据具体测量任务设
置测量相机位置姿态，在解决各局部法线方向差异巨大的复杂曲面的测量问题时，具有明
显优势；测量过程中可视特征全部采用光学投射的方法设置，无需在被测物表面设置任何
物理特征，能够实现超大空间复杂曲面的绝对无干扰精密测量。
图1是本发明实施过程示意图。 图中1、定向相机，2、测量相机，3、全局控制点投射器，4、测量点投射器，5、基准 尺，6、测量相机控制点，7、全局控制点，8、测量点，9-l、9-2、全局控制点区域，10-l、10-2、 10-3、 10-4、 10-5、测量点区域。
具体实施例方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图 详细说明如下 请参阅图l，本发明一种面向超大型空间复杂曲面的绝对无干扰精密测量方法，其 步骤为 1)预先标定测量相机2上的测量相机控制点6在测量相机坐标系下的精确空间三维坐标；规划被测物表面多个全局控制点区域9-l、9-2、……； 2)设置定向相机l，定向相机1的数量应根据被测物的测量区域和形貌确定。固 定定向相机1不动，如果定向相机数量多于1台时，标定各定向相机间的空间位姿关系；
3)对全局控制点区域9-1进行测量，测量过程中利用光学投射的方法设置全局控 制点区域9-1中的全局控制点7和测量点8。将全局控制点投射器3放于GP1位置投射全 局控制点区域9-l中的全局控制点7。并将带有两个标记点的基准尺5放置于测量区域内， 基准尺5上的两标记点之间的距离即为基准距离。利用测量相机2在空间多个位姿下拍摄 全局控制点区域9-1中的全局控制点7和基准尺5的图像，与此同时利用定向相机1拍摄 测量相机2至少包含4个测量相机控制点6的图像，以解算相机每个位姿下的初始姿态，从 而利用基于光束平差算法的近景摄影测量方法，解算全局控制点区域9-1内全局控制点的 精确坐标，建立全局控制点坐标系0JJeZe。将测量点投射器4分别放置在CP1、 CP2、…、 CP5等位置在测量点区域10-1、…、10-5投射测量点8，测量点区域移动范围要覆盖全局控 制点区域9-1，利用测量相机2分别拍摄每个测量点区域内的图像进而获取区域内测量点8 的三维坐标，并利用每个测量点区域中包含的全局控制点7将各测量点区域的数据拼接到 全局控制点坐标系OJJeZe中，完成全局控制点区域9-1的测量。 4)对全局控制点区域9-2进行测量，测量过程中实现相邻全局控制点区域9-1和 9-2的拼接； a、当全局控制点区域9-1全部测量完成时，固定测量点投射器4在位置CP5不动， 移动全局控制点投射器3到位置GP2，使其投射到全局控制点区域9-2中，利用测量相机2 在空间多个位置姿态下获取全局控制点区域9-2的图像，其中包含测量点投射器4在位置 CP5投射的测量点区域10-5内的测量点。 b、利用测量点区域10-5内的测量点作为公共控制点，将全局控制点区域9-2内的 全局控制点拼接到全局控制点区域9-1所确定的全局坐标系OJJeZe中，进而获取全局控制 点区域9-2中全局控制点在全局坐标系OJJeZe下的精确三维坐标，实现全局控制点区域 9-1和9-2的拼接。 c、按照测量步骤3)中关于测量点的测量和拼接方法，完成当前全局控制点区域 9-2的测量点的测量和拼接。 5)重复步骤4)，直到完成被测物所有全局控制点区域的测量和拼接。 当被测物表面范围更大，需要规划多个全局控制点测量区域时，只需重复测量步
骤4)中的方法建立当前全局控制点区域与上一全局控制点区域的坐标系转换关系，建立
起全局控制点投射区间坐标系转换关系的传递链，将每个全局控制点投射区坐标系统一到
全局坐标系OJJA中，实现多个全局控制点区域的拼接；在每个全局控制点区域内划分多
个测量点区域进行测量，再将测量点数据统一到全局坐标系下，最终实现了大型物体整体
表面三维形貌的无干扰测量。 本发明使用的测量系统由定向相机、测量相机、全局控制点投射器、测量点投射器 和基准尺组成。利用控制点技术，在测量相机上设置至少4个控制点，保证控制点和测量相 机之间的空间关系固定不变，并预先标定好控制点在测量相机坐标系下精确的空间三维坐 标。 如图1所示，根据具体测量任务和测量环境规划测量空间，在测量相机的后方空间内设置至少一台定向相机。保证在实施测量时，测量相机在每个测站下，测量相机上的至 少4个控制点出现在某台定向相机的视场中。如果定向相机数量大于1台时，预先标定好 定向相机间的空间位置姿态关系。整个测量过程中，保证定向相机位置固定不动，由定向相 机系统建立全局坐标系0JJeZe。
测量时，首先利用光学投射的方法设置全局控制点，并设置好基准尺(包含两个
标记点，标记点之间距离固定，即为基准距离)。利用近景摄影测量方法，采用测量相机获
取全局控制点的精确三维坐标。在测量相机采集全局控制点图像的同时，利用定向相机对
测量相机上的控制点成像，利用控制点间的精确距离作为约束条件解算当前测站下控制点
在全局坐标系下的三维坐标。控制点在测量相机坐标系下的精确三维坐标通过预先标定已
知，利用控制点作为公共点解算测量相机在各测站下的初始位置姿态相对于全局坐标系的
关系。利用测量相机在各测站下的初始位置姿态，解算全局控制点的初始三维坐标，然后通
过光束平差优化算法解算全局控制点的精确三维坐标。然后利用光学投射的方法在当前的
全局控制点区域内依次投射各个测量点区域，结合基准尺，利用近景摄影测量方法测量每
个测量点区域，然后利用全局控制点将每个单元测量区域拼接到全局坐标系中。 当被测区域范围超出全局控制点单次投射区域时，利用相邻两个全局控制点区域
间公共的测量点作为公共点，实现相邻全局控制点区域的拼接，然后按照上述方法实现每
个全局控制点区域内测量点的测量。 需要说明的是这里所提的"绝对无干扰"区别于现有的三维形貌"无干扰"测量
方法，现有方法中的"无干扰"针对基于粘性标记、对被测表面干扰严重的方法，但其仍然需
要在被测表面周围设置物理特征，对被测表面形貌特征仍然造成一定程度的干扰。 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上
述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通
技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可
以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
权利要求
一种面向超大型空间复杂曲面的绝对无干扰精密测量方法，其特征在于，利用光学投射方法设置全局控制点和测量点；利用定向相机结合控制点技术，实现测量相机在各测站下的初始定向；利用全局控制点实现各测量点区域的拼接，再利用测量点作为公共控制点实现全局控制点区域的拼接。
2. 根据权利要求1所述的面向超大型空间复杂曲面的绝对无干扰精密测量方法，其特 征在于，包括以下步骤1) 预先标定测量相机(2)上的控制点(6)在测量相机坐标系下的精确空间三维坐标； 规划被测物表面多个全局控制点区域(9-1)、 (9-2)、……;2) 固定定向相机(l)，当定向相机(1)的数量多于l台时，标定各定向相机间的空间位 姿关系；3) 对某一全局控制点区域(9-1)进行测量，测量过程中利用全局控制点投射器(3)投 射该全局控制点区域(9-1)中的全局控制点(7)，利用测量相机(2)在空间多个位姿下拍 摄该全局控制点区域(9-1)中的全局控制点(7)，同时利用定向相机(1)拍摄测量相机(2) 至少包含4个测量相机控制点(6)的图像，解算测量相机(2)每个位姿下的初始姿态，基 于光束平差算法的近景摄影测量方法，解算该全局控制点区域(9-1)内全局控制点(7)的 精确坐标，建立全局控制点坐标系(V(JeZe;在该全局控制点区域(9-1)内规划测量点区域 (10-1)、 (10-2)、……、(10-5)，利用测量点投射器(4)在每个测量点区域内投射测量点 (8)，利用测量相机(2)分别拍摄每个测量点区域的图像获取对应区域内测量点的三维坐 标，利用每个测量点区域中包含的全局控制点(7)将各测量点区域的数据拼接到全局控制 点坐标系0JJeZe中，完成该全局控制点区域(9-1)的测量；4) 对相邻的另一全局控制点区域(9-2)进行测量，并完成相邻全局控制点区域之间的 拼接；a、 当上一全局控制点区域(g-D全部测量完成时，保持测量点投射器(4)的位置不动， 移动全局控制点投射器(3)到下一位置，使其投射到当前全局控制点区域(9-2)中，利用测 量相机(2)在空间多个位置姿态下获取当前全局控制点区域(9-2)的图像，其中包含测量 点投射器(4)在上一个全局控制点区域(9-1)中投射的最后一个测量点区域(10-5)内的b、 利用上一个全局控制点区域(9-1)中最后一个测量点区域(10-5)内的测量点作为 公共控制点，将当前全局控制点区域(9-2)内的全局控制点拼接到全局坐标系OJJA中， 获取当前全局控制点区域(9-2)中全局控制点在全局坐标系O^YA下的精确三维坐标，实 现相邻全局控制点区域(9-1)和(9-2)的拼接；c、 按照步骤3)完成当前全局控制点区域(9-2)中测量点的测量和拼接；5) 重复步骤4)，直到完成被测物所有全局控制点区域(9-1) 、(9-2)、……的测量和拼接。
全文摘要
本发明公开了一种面向超大型空间复杂曲面的绝对无干扰精密测量方法，利用光学投射方法设置全局控制点和测量点；利用定向相机结合控制点技术，实现测量相机在各测站下的初始定向；利用全局控制点实现各测量点区域的拼接，再利用测量点作为公共点实现全局控制点区域的拼接。本发明解决了在不利用编码标志的情况下采用近景摄影测量方法实现超大型空间复杂曲面的测量问题。无需在被测物表面设置任何物理标记，对被测物表面形貌不造成丝毫干扰。
文档编号G01B11/24GK101706262SQ20091022835
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者吴斌, 林嘉睿, 邹剑, 邾继贵, 郭磊 申请人:天津大学