RRT对工业摄影测量基准尺精度影响研究.pdf
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1、针对工业摄影测量基准尺在实际工程中实测值与标定值互差较大、比例缩放不准确等问题,以 RRT 为研究对象,推导出了基准长度误差模型。从 RRT 圆度、中心定位稳健性、基准尺长度标定一致性以及标准长度测量等方面进行了试验研究。通过研究发现,模切覆膜型 RRT 圆度和中心定位稳健性远高于其它类型的 RRT。模切覆膜型 RRT 基准尺长度标定间的重复性为 1 m,优于印刷型 RRT 基准尺长度标定的重复性。采用模切覆膜型 RRT基准尺对标准长度的测量误差较印刷型 RRT 基准尺小约 33%。选择模切覆膜型 RRT 作为基准尺的基准靶点对于提高工业摄影测量系统的测量精度具有重要参考意义。关键词:回光反射
2、标志;工业摄影测量;基准尺;标定中图分类号:TH721文献标识码:A收稿日期:2023-02-19,修回日期:2023-04-07基金项目:高分辨率对地观测系统国家科技重大专项(80-Y50G19-9001-22/23);2022 年河南省科技攻关项目(222102220031、222102210092);2021 年河南省高等学校重点科研项目(21B420002)。作者简介:王伟峰(1989-),男,硕士,主要研究方向:精密工程测量,数字近景工业摄影测量系统校准。Research on Effect of RRT on Industrial PhotogrammetryScale-bar A
3、ccuracyWANG Wei-feng1,2,QI Jian-wei1,HUANG Gui-ping2,WANG Xin-ping2,LIU Yan-rong3(1.Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,China;2.North China University of Water Resources andElectric Power,Zhengzhou 450011,China;3.Aerospace Shenzhou Intelligent System Technology Co.,Ltd,Beijin
4、g 100089,China)Abstract:In response to the problem of large deviation between measured values and calibrated values,as well asinaccurate proportion scaling of industrial photogrammetric scale-bar in actual engineering,a benchmark length error modelwas derived using retroreflective targets(RRT)as the
5、 research object.Experimental research was conducted on RRTroundness,centering robustness,consistency of scale-bar length calibration,and standard length testing.The results showedthat the roundness and centering robustness of the die-cutting coated RRT were much higher than other types of RRT.There
6、peatability of length calibration of the die-cutting coated RRT scale-bar was 1m,which was better than the repeatability oflength calibration of the printed RRT scale-bar.The measurement error of the standard length using the die-cutting coatedRRT scale-bar was about 33%smaller than that of the prin
7、ted RRT scale-bar.Therefore,selecting die-cutting coated RRT asthe benchmark target for the scale-bar has important reference significance for improving the measurement accuracy ofindustrial photogrammetric systems.Key words:Retro-reflective target;Industrial photogrammetry;Scale-bar;Calibration第 4
8、期RRT 对工业摄影测量基准尺精度影响研究1 引 言从 20 世纪 60 年代起,有学者对近景摄影测量的相关理论、算法及硬件进行了研究,并逐步将其应用到工业测量领域1-4。到 20 世纪 90 年代,随着计算机技术的快速发展,工业摄影测量技术逐渐步入数字化时代5,6。经过 30 多年的推广,数字近景工业摄影测量技术在航天、航空、电子科工、装备制造等领域得到了广泛应用,成为高端制造领域一种不可或缺的测量技术7-15。作为工业摄影测量系统的长度基准,基准尺一般以碳纤维、铟钢等膨胀系数很低的材料作为基材,基材上布设2 个以上的圆形回光反射标志(Retro-ReflectiveTarget,RRT)作
9、为基准靶点,基准尺长度定义为基准靶点中心之间的距离16。目前,应用最多的是一体式基准尺,该类型基准尺上通常布设 8 个基准靶点,能够定义 4 个基准长度,如图 1 所示。测量时,将基准尺与被测物体放在一起进行测量,解算过程中基准尺提供的4 个基准长度能够互相检核,从而实现对物方空间尺度的高精度缩放。由于受到基准尺制作工艺、长度标定方法等因素影响,实际工程应用中,基准尺实测值与标定值偏差较大的情况时有发生,有时偏差甚至达到(30 50)m17-19。进行高精度测量时,4 个基准长度互差问题往往成为各方关注的焦点。图 1 一体式基准尺示意图Fig.1 Illustration of integra
10、ted scale-bar为提高基准尺的精度,国内外很多机构和学者致力于基准尺长度标定方法的研究与实践。其中,法国计量科学研究院(LNE)采用的是显微镜法,法国 GMS 公司(Godsie Maintenance Services)采用的是摄影测量法,德国和美国的一些公司采用三坐标测量机标定基准尺长度20。北京长城计量测试技术研究所的甘晓川曾利用测长机和显微镜,配合CCD 相机的方法获取基准尺上 RRT 的图像,通过图像处理的方法标定基准尺长度,取得了比较理想的效果16,21。在此基础上,北京长城计量测试技术研究所的李鸿儒和李艳,北京信息科技大学的谭泽祥等进行了深入研究,对其误差模型进行了完善
11、优化22-24。此外,中电科 54 所的赵晓阳、中航工业西飞的党晓娟等也对基准尺的标定方法进行过探索18,25。总体来讲,目前工业摄影测量领域对基准尺标定方法研究较多,而对构成基准尺的关键元素 RRT 研究较少,从而造成基准尺长度标定成果存在一定的局限性。本研究从基准尺的长度定义出发,推导了基准尺长度误差模型。在此基础上,对不同工艺制作的RRT 圆度、中心定位稳健性以及基准尺长度标定一致性和标准长度测试等内容进行了研究。通过研究发现,模切覆膜型 RRT 圆度和中心坐标定位稳健性较好,由其制作的基准尺长度标定结果间的一致性最好,该 RRT 制作的基准尺在应用中的误差较常规的印刷型 RRT 基准尺
12、降低了 33%。2 RRT 与基准尺误差模型2.1 RRT 及制作工艺RRT 也称为测量靶标或标志点,如图 2 所示,是工业摄影测量中使用最广泛的合作目标,其特点是反射亮度比普通漫射白色标志高出数百甚至上千倍,可以帮助工业摄影测量相机轻松得到被测物自身影像“消隐”的同时 RRT 成像却十分清晰、突出的“准二值”影像,如图 3 所示。RRT 之所以能够定向反光,主要取决于高折射率玻璃微珠的反光特性26,27,如图 4 所示。工业摄影测量领域普遍采用圆形 RRT,直径一般为 3 mm 或 6 mm。图 2 圆形 RRTFig.2 Circular RRT32宇航计测技术2023 年图 3 天线模胎
13、 RRT 影像Fig.3 RRT image of antenna mold图 4 不同角度光线通过玻璃微珠反射示意图Fig.4 Illustration of light rays at different anglesreflecting through glass beads根据制作工艺不同,常见的 RRT 有印刷型RRT、雕刻型 RRT、模切型 RRT 和模切覆膜型 RRT,其中应用最广泛的是印刷型 RRT。该 RRT 用较浓的油墨将回光反射材料周边涂黑,而目标区域不喷涂油墨,受制作工艺影响,该 RRT 加工成本低、周期短,但边缘较粗糙,如图 5(a)所示。雕刻型 RRT 和模切型 R
14、RT 是采用雕刻机或模切机通过高精度刀具或模具直接对回光反射材料切割制作而成的,在制作过程中,回光反射材料上的玻璃微珠会直接接触刀具或模具,从而造成玻璃微珠破坏,如图 5(b)和图 5(c)所示。模切覆膜型 RRT 采用高精度模具对厚度为 0.03 mm 或更薄的覆膜进行模切,然后将具有高圆度轮廓的覆膜覆盖到回光反射材料上,从而得到圆度较高的 RRT。图 5 显微镜下放大的 RRT 边缘影像Fig.5 Enlarged RRT edge image under microscope图 6 模切覆膜型 RRT 制作示意图Fig.6 Illustration of the production p
15、rocess ofdie-cutting coated RRT42第 4 期RRT 对工业摄影测量基准尺精度影响研究2.2 基准长度误差模型对于测量场内的任意两个 RRT,设其中心坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2),则两个 RRT 之间的距离 d 为d=(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2(1)两 RRT 之间距离的中误差 d满足2d=dx122x1+dx222x2+dy122y1+dy222y2+dz122z1+dz222z2(2)对公式(1)各变量求偏导有dx1=x1-x2(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2dx2=x2-x1(x1-x2)
16、2+(y1-y2)2+(z1-z2)2dy1=y1-y2(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2dy2=y2-y1(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2dz1=z1-z2(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2dz2=z2-z1(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2(3)设每个 RRT 的点位中误差为 P,且每个 RRT在 x、y、z 的中误差 x、y、z均相等,则有x=y=z=33P(4)将公式(3)和公式(4)带入公式(2)有2d=692Pd=63P0.8P(5)从公式(5)可以看出,要保证基准尺在实际测量中的缩放精度,必须首先保证基准靶
17、点的中心定位准确度。在实际应用中,RRT 在像片上的灰度值分布接近“二维高斯分布”,如图 7 所示,为提高 RRT 在像方的中心定位准确度,工业摄影测量软件采用灰度加权算法确定 RRT 的像点中心坐标,并以此作为“观测值”带入共线方程,作为 RRT 物方空间坐标解算的基础26。由于 RRT 在像片的成像一般为几十个到几百个像素,RRT 边缘的粗糙程度对确定RRT 中心坐标影响较小。图 7 RRT 成像后的灰度分布示意图Fig.7 Illustration of gray-scale distribution afterRRT imaging而综观基准尺长度的标定方法,除摄影测量法外,其它方法通
18、常都是将 RRT 图像放大,在获取RRT 边缘的基础上利用不同的解算模型确定 RRT中心坐标,从而实现对基准尺长度的标定。RRT 边缘越规则,基于边缘的中心定位准确度越高;RRT边缘越不规则,中心定位越不准确,如图 8 所示。为保证基准尺的实际应用效果,选取基准尺的基准靶点时,不仅要保证 RRT 的中心定位准确度,还要保证 RRT 边缘的规则性。图 8 边缘规则程度不同的 RRT 示意图Fig.8 Illustration of RRT with different degrees ofedge regularity3 RRT 性能测试为选择适用于基准尺基准靶点的 RRT,从不同类型 RRT
19、的圆度、中心定位稳健性以及基准尺长度标定一致性等方面进行了研究与试验。52宇航计测技术2023 年3.1 RRT 圆度测试为准确测定 RRT 圆度,采用天准影像测量仪对雕刻型 RRT、模切型 RRT、印刷型 RRT 以及模切覆膜型 RRT 进行测量,仪器测量不确定度优于 1 m。测量时,在 RRT 边缘采集 50 个点位作为样本,按照最小二乘拟合原则,将 50 个采样点拟合成一个圆,如图 9 所示。以各采样点到最佳拟合圆偏差的峰峰值之差定义为 RRT 的圆度,每种类型 RRT 随机选取 10 个作为测量对象,测试结果如图 10 所示。图 9 标志点周围采样示意图Fig.9 Illustrati
20、on of sampling around RRT图 10 不同工艺 RRT 圆度测试结果Fig.10 RRT roundness test results of different processes通过 RRT 圆度测试发现,雕刻型 RRT 和模切型RRT 圆度较差,平均值分别为0.125 mm 和0.093 mm,且各个标志点间圆度的波动性较大,标准偏差分别为0.023 mm 和 0.021 mm。印刷型 RRT 圆度平均值为0.072 mm,标准偏差为 0.014 mm;模切覆膜型RRT 圆度为 0.043 mm,标准偏差为 0.008 mm。模切覆膜型 RRT 的圆度较高,且各标志间
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