毕业设计（论文）-数字摄影测量原理在车身标识点测量中的应用.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文） 数字摄影测量原理在车身标识点测量中的应用提供全套毕业论文，各专业都有摘 要在汽车碰撞试验中，汽车车身的变形具有不可预见性，这些变形的位置，变形方式以及变形量的大小等对于改进汽车设计，分析汽车安全性有着重要意义。由于实际车身在撞击过程的外形是复杂的三维曲面，而影像成像的过程为一中心投影过程，图像的像平面是二维平面信息，因此存在信息丢失和信息失真。本文运用了一种基于近景摄影测量的 dlt（直接线性变换）模型的试验车辆勘查新方法。利用ccd摄像机可以获得被测试验车辆的二维图像,得到实际空间坐标系和摄像机像平面坐标之间的透视变换,利用2台或2台以上的摄像机从不同方向拍摄2副或2副以上的二维图象,通过直接线型变换的理论,可以得到试验车辆的三维图象信息。因此,本文首先利用2台高分辨率的摄像机从2个方向对贴有车身标识点的汽车车身进行摄影，得到车身标志点的二维图象；然后根据透视摄影，数字图象处理，三维测量原理等理论对所获得的图象进行分析和处理，从而进一步获得汽车标识点的变化以及汽车变形量的相关信息。实践证明，该方法操作简单方便，成本便宜，实用性更强，为更好的提高汽车被动安全性提供有力依据。关键词：被动安全性，侧门，摄影测量，碰撞 the application of the digital photogrammetry in the measurement of vehicle body marked pointabstractin the automobile impact test, the automobile body distortion has fortuitousness. the positions, distortion way and distortion quantity have vital significance to the improvement of automobile design and the analysis of the automobile safety.because the actual automobile body distortion contour during the impact test is the complex three-dimension curved surface and the image imagery process is a central projection process, the image plane is the two-dimensional surface information, it existence information loss and information distortion.this article utilized one kind to investigate the new method based on the short distance photogrammetry dlt model experimental vehicles. we use the ccd camera to obtain the two-dimensional picture for the tested vehicles, we obtains the perspective transformation between the actual three-dimensional coordinate system and the camera place coordinates. so, this article first uses two high resolution cameras to photography the automobile body with marked point from two directions, obtains the two-dimensional picture form the automobile body marked point. then we analysis and processing the image basic on perspective photography, digital image processing, three dimensional survey principle. then, we get an automobile marking change as well as the automobile distortion quantity related information. the practice proved, this method operation simple is convenient, the usability is stronger, for better enhances the automobile passive security to provide the powerful basis.key words: security, side entrance , digital photographic crash数字摄影测量原理在车身标识点测量中的应用张吉 0611032540 引言 随着汽车的保有量的增长，道路交通事故已成为世界性的社会问题。百余年来，全世界死于车祸的人数已达4000多万，而且每年仍以超过40多万人的速度递增。建国以来，我国共发生交通事故500多万起，死亡100余万人，直接经济损失达100多亿元。我国现有汽车1650多万辆，每年以超过180万辆的速度递增，交通事故数量和万车死亡人数均居世界首位，是世界上交通事故最严重的国家。而且从近几年的统计数字来看，全国交通事故呈大幅上升趋势，作为交通事故客观因素中的一个重要内容汽车安全性，已成为我国汽车工业可持续发展的一个重要影响因素。在汽车台架试验中对试验车辆的变形程度进行勘查测量是估计等效碰撞速度的必要环节。车辆的碰撞变形数据与其对应的等效碰撞速度有着密切关系，变形数据的精度直接影响等效碰撞速度的准确度。目前对试验车辆的变形测量，基本采用由技术人员使用皮尺、卷尺等工具对其进行传统的手工测量。由于车辆变形表面的不规则性，使用皮尺测量时需要大量人为的目测和主观判断参与，对获得的车辆变形相关数据的精确度有很大影响，并且很难获得大量有用数据，所以传统的手工测量方式已经不太适用于台架试验。本文运用了一种基于近景摄影测量的 dlt（直接线性变换）模型的试验车辆勘查新方法。技术人员对试验车辆进行符合一定规范的拍摄，即利用2台ccd摄像机从2个方向对贴有标识点的试验车辆进行拍摄，获得二维图像，通过直接线型变换相关理论对所获得的二维图像进行分析处理得到三维图像，更方便的得到车辆变形数据,相比传统的勘查方法，此方法大大提高了车辆勘查效率和质量，精度高，再现性好。1 汽车安全性现状汽车安全性可以分为主动安全性、被动安全性、事后(防火)安全性和车外安全性等几个方面。主动安全性是指汽车预防或回避事故的性能，主要包括制动性能、操纵稳定性能、灯光和视野等;被动安全性是指汽车减轻事故过程中对乘员伤害的性能，主要包括车身结构、座椅、安全带、气囊、安全玻璃、方向柱、车顶和车门强度、内饰件缓冲性能等;事后安全性主要是指防止火灾性能和紧急脱出性能;车外安全性主要是指对行人的保护。早在 20 世纪30年代，美国通用汽车公司就开始进行翻车和固定壁碰撞试验。到了50年代中期，各国汽车行业普遍开展了碰撞试验，提出了二次碰撞的概念，在欧洲首先使用了安全腰带。60年代，随着公路交通事故的上升，汽车安全性，尤其是被动安全性成为人们注目的问题。70年代，汽车安全气囊在美国首次推出；大众公司在其高级轿车上第一个采用了被动式安全带。80年代后期，侧面安全气囊被普遍采用。90年代以来，在政府法规要求和用户需要的推动下，车辆被动安全技术要求越来越高，车辆安全性已成为汽车发展三大方向 安全、环保、节能中最首要的方向。1.1 被动安全性被动安全性是指汽车碰撞安全性，当发生交通事故时，被动安全系统应为车内乘员提供尽可能多的保护，它是汽车安全性研究中最重要的课题。因为大量数据表明，95%以上的事故是由于人和环境因素共同造成的，主动安全性再好，也只能避免5%的事故。所以，从60年代末开始，汽车被动安全性就一直是人们研究的热点。该项研究主要包括四个方面的内容:车身结构抗撞性研究;碰撞生物力学研究;乘员约束系统和内饰件的开发研究;碰撞安全性试验。研究的目的就是设计出更好的被动安全装置。这包括两方面的内容:安全车身结构和乘员保护装置(安全带、头枕、气囊等)。被动安全性研究，欧美起步最早，始于60年代末，刚开始时采用的方法就是进行实车碰撞试验，然后根据对结果的分析研究，改进设计。因此产品开发周期很长，费时费力。其后发展了主要针对零部件的台车试验和试验台冲击试验等模拟碰撞技术，成本低，可重复操作，研究周期较短。到了70-80年代，出现了计算机仿真技术，采用虚拟模型代替实际模型，利用计算机进行分析计算得出安全结论，已经成为汽车安全技术发展的一个重要方向。1.2 被动安全装置主动安全技术是汽车正常行使时的重要保障，可是乘员在驾驶时仍不可避免地会碰到意外事故。2003年我国交通事故的统计表明，因机动车驾驶人员造成的事故起数占总数的863，再加上环境等因素造成的交通事故，则非车辆原因造成的交通事故比例高达95左右。因此，提高汽车本身在发生交通事故时保护成员，行人免受或减轻伤亡的汽车被动安全性就相当重要。吸能车身：当汽车受到撞击时，车身在吸收一定撞击能量的同时减缓车内乘员的移动度，对于保证乘员有足够的生存空间常重要。在驾驶室中，驾驶员部位最易受到伤害，因此将转向柱设计为可进式，碰撞时能折叠一定的距离，为驾驶员留下生存空间；前、后保险杠能收动能；车门要求有一定的刚度，受冲击后车门要易于打开；车顶有一定的刚度，保证翻车后不能被压扁等。安全带：安全带的作用是当汽车发生急转弯或正面碰撞、后面碰撞、有角度碰撞以及翻车事故时，约束乘员尽可能保持原有的位置不动，避免与车内坚硬部件发生碰撞并防止乘员从座椅上甩出而造成伤害。安全带按固定方式分为两点式、斜挂式、三点式和四点式4种，由织带、安装固定件、卷收器和调节件等部件组成。研究表明，安全带能够减少乘员在碰撞事故中50的死亡率。安全气囊：安全气囊的作用是降低碰撞中乘员受伤的危险。安全气囊主要由传感器、气体发生器、气囊系统等3部分组成。传统安全气囊的设计是在发生正面撞车事故时避免车内乘员的头部、颈部和胸部强烈撞击在仪表盘、方向盘或挡风玻璃上。随着技术的发展，安全气囊的保护范围将进一步扩大，从现在的前排乘员前方保护扩展到前排乘员的侧面、膝部和后排乘员的前方与侧面以及车外行人。虽然安全气囊能挽救人的生命，但也会造成驾乘人员受伤或死亡(如图2)，尤其是婴儿、儿童和个子矮小的成年人。为避免这些隐患，安全气囊将实现智能化，能识别乘员席有无乘员、乘员身材大小、重量、坐姿、是否系戴安全带等状况，并根据上述信息调整动作，以求最大限度地减少失误和保护乘员。现已有部分汽车公司致力上述智能装置的研究，比如奔驰slk轿车率先装上了第一个乘客座椅传感器系统，该系统能探测出乘坐者座椅或儿童安全座椅上是否有人。1.3 我国汽车安全性现状在我国，汽车保有量仅为发达国家的1/6，而交通事故的死亡率却超过他们10倍。主观原因之一是观念落后。比如在买车时，除了价格因素外，往往侧重于汽车的动力性、燃油经济性等，但对于安全性能考虑不足。而在国外，人们购买汽车时首先考虑的是汽车的安全性能。此外，交通安全意识也普遍比较淡薄。从客观上讲，我国汽车生产厂商现有的经济实力，无法像国外厂商那样进行大规模的实车碰撞试验，因此汽车安全性研究相对落后。目前国内虽然已经具有了实车碰撞试验的能力，但是汽车碰撞试验设备昂贵，试验难度大，大部分中小型汽车厂及汽车部件厂很难建立完善的汽车碰撞试验室。因此应当开放使用现有的碰撞试验设备，在完成国家强制性标准规定的试验项目外，真技术是极具潜力的，随着我国汽车安全性标准、还可以用于科研项目的试验。其次，碰撞仿法规的逐步完善，实车碰撞试验实施进程的推进，国内汽车行业迫切需要碰撞仿真技术。因此应联合各有关技术部门，协调分工，共同研究开发，使我国在汽车仿真技术领域尽快达到甚至赶超世界水平。最后，国家应采取相应的政策倾斜措施，鼓励汽车行业进行汽车安全保护装置的开发和研究，并且把汽车安全性研究象发达国家那样作为国家支柱产业发展战略的重要组成部分，制定近、中期、长期发展规划，在国家法规指导下，进行产学研结合，分步实施。2 汽车碰撞试验法规及试验方法2.1 汽车碰撞试验法规一般来说，汽车安全规范系统可分为两类:一类是国家颁布的汽车安全技术法规，如美国的fmvss(federal motor vehicle safety standards)，这是每一辆在用汽车必须达到的规定。另一类是汽车安全星级评定标准，如新车评估组织ncap(new car assessment program)的评定标准，其目的是向客户提供对每一车型相对安全的水平等级。最早建立汽车安全法规的是欧洲。50年代初，一些欧洲国家就建立了自己的标准。1958年，欧洲出现了第一部统一的汽车安全法规标准(ece)。美国在1966年由国家道路交通安全管理局(nhtsa)颁布了第一部fmvss法案。我国的汽车强制性标准体系主要是参照美国此类法规体系制定的，并且自95年下半年起，对汽车新产品除要求进行原有的定型试验外，增加了汽车安全、环保和节能方面的标准，即强制性标准的检测。2.2 汽车安全性试验方法研究汽车及其部件的安全性，一般来说有三种方法：交通事故分析法;理论计算仿真分析法;试验法。2.2.1 交通事故分析法该方法针对本国城市和高速公路的汽车碰撞事故进行统计分析和归类，找出造成汽车乘员伤 害的各种主要碰撞因素(车速、碰撞方向、汽车类型等)与伤害程度的统计分布关系。然后确定 相应的重点研究课题以提高汽车耐撞性和减少乘员的伤害，其中交通事故调查是制定交通法 规和车辆技术标准的基础。例如，一项根据美国交通事故调查的结果:汽车正面碰撞事故占所 有碰撞事故的52 ，侧面碰撞事故约占31%，滚翻故事约占8%，后碰事故约占4%，由于正面碰撞事故最多，因此他们首先重视的是正面碰撞时乘员的保护，其次是侧面碰撞时乘员的保护。并据此制定了严格的正碰和侧碰的标准法规，而汽车碰撞试验也是围绕这些法规进行。2.2.2 理论计算仿真分析法汽车被动安全性是汽车安全性研究中最重要的课题，而汽车被动安全性试验研究所涉及的碰撞试验是一种验证性试验，为了设计或改进某一结构或部件，需要进行多次重复试验，为单项耗资巨大。因此，人们从一开始就试图寻求用理论分析方法来预测某一部件或整车结构在撞击过程中的变形形式，得出结构的耐撞性评价，从而指导结构的设计和改进工作。在70-80年代，人们开发了计算机模拟碰撞技术，通过建立汽车碰撞模型，乘员模型及保护系统模型，进行计算分析，评价汽车安全性能，保护系统作用等。汽车碰撞的计算机模拟研究主要集中在两个方面:一是车身刚度设计，二是模拟撞车。车身刚度设计的目标是建立能量吸收式的车体结构，在保证乘员安全空间的前提下，使车身变形吸收的碰撞能量最大，从而使传递给车内乘员的碰撞能量减少到最低程度。对车身结构抗撞性的研究，目前主要是基于非线性有限元理论，而最精确的方法是车身结构的整车有限元分析法，但需要在大型乃至巨型计算机上进行。近年来， 国内在碰撞过程的计算机模拟方面也开展了一些工作。例如:吉林工业大学对计算机模拟碰撞中所需的汽车碰撞刚度和汽车正面碰撞方程的问题进行了研究;清华大学将多刚体动力学应用于碰撞事故中人体的运动模拟，研究安全带对人体的保护作用;一些院校(湖南大学、清华大学和上海交通大学等)引进了dyna3d软件，并运用该软件进行了一些碰撞模拟研究;吉林工业大学和西安公路交通大学分别开展了道路交通事故再现的计算机模拟研究。计算机仿真方法存在着试验无法比拟的优越性，但是计算机仿真不能完全脱离试验或完全代替试验。这是因为计算机仿真方法中所建立的汽车整车或人体模型，本身存在有很多局限性，不可能完全反映真实的碰撞过程，因此，计算机仿真结果最终需要试验来验证;同时，由于计算机性能和模拟方法的限制，特别是在进行车身结构的抗撞性研究方面，计算机仿真的周期也是很长的。随着计算机仿真的发展，特别是并行计算机技术和建模理论的发展，计算机仿真方法会越来越广泛的应用于被动安全性的研究中。2.2.3 试验法试验对于汽车安全性的评价主要目的是确保乘员的生存空间、缓和冲击、防止火灾等。基于上述目的，试验方法可分为三大类:实车碰撞试验，台车冲击试验和试验台上冲击试验，静态强度试验。除实车试验外，其它两种试验方法都是以实车试验的结果为基础确定试验条件，适合于评价零部件组成的安全系统。本文提及的试验台架属于汽车自主研发设备，试验台架在多年积累和成果的基础上，引入图像三维测量法，使试验台能对汽车侧门、车顶和其他部位，以及其他零部件进行试验，以获取车身设计的数据。根据乘用车碰撞的规律，研制本乘用车车身安全性试验台，对配置齐全（包括内饰等，以反映真实情况）的乘用车进行破坏性的侧向撞击，撞击行程s达500mm，撞击力f高达100kn，或者进行车顶撞击，撞击行程s达125mm，撞击力达22240n，以测试、评价乘用车最重要（也是最薄弱）部位（乘员附近）的抗撞性能。虽然撞击的是侧门或车顶，但由于撞击力和撞击行程大，导致整车的破坏，试验成本很高，所获信息量也很大，因此对整车（特别是车身）的安全性测试，也有相当高的价值。试验台不但能测试侧门或车顶强度（撞击力f、撞击行程s），实时计算并显示平均力、最大力和被测汽车所吸收的能量e，而且能采用图象测量法（代替国际领先技术的传感器法）精确地测量车身刚度（变形矢量），图像处理系统还能采集、再现、分析和评价整个试验过程，这对于昂贵的实车撞击试验来说，是极其重要的。该试验台动力源和主加载构件具备大于100kn的承载能力，行程600mm。试验台结构有足够的刚度，在60kn的作用力加载情况下，在加载轴线方向上的结构变形（或退让）小于1mm。固定车身的结构装置有利于适应不同车型夹具的安装固定（易于调整）。不但满足b2、santana2000、b2改型和passat等车型，而且也适应不同车身高度、宽度，不同轮距、轴距的乘用车车门测试。固定车身的结构装置能保证车身纵向中心平面垂直于加载器作用方向（x轴），或者两者中有一个可以围绕铅垂轴z轴作旋转调整。试验台有测量系统，照明系统，标定系统，记录系统，并具有数据、图像和试验过程再现功能。试验台能够实时显示撞击的位移、力和被测车辆所吸收的能量的曲线和数据。在车顶试验时，可根据试验规范，对整车的倾斜方向和角度进行调整、定位。 试验台图像处理系统如图2.1所示，即视频采样数字化、压缩、图像分析、数据处理及结果输出等管理系统（包括主机、压缩卡、刻录机（philips vi cdd 3610光盘刻录机）、彩色打印机和有关附件）,控制摄像系统和照明系统(包括摄像头（mirovideo dc30 视频采集设备）、同步继电器开关、同步闪光灯、信号线和照明灯等)。图2.1 试验台图像处理系统图图试验台图像处理系统控制摄像系统照 明 系 统数据管理系统视频采样数字化视频压缩图像分析数据处理数据结果输出3 数字摄影测量技术与计算机视觉摄影测量是一门通过分析记录在胶片或电子载体上的影像，来确定被测物体的位置、大小和形状的科学。它包括很多分支学科，如航空摄影测量，航天摄影测量和近景摄影测量等。其中，近景摄影测量是指测量范围小于100m,像机布设在物体附近的摄影测量。近年来，随着微电子和半导体技术的飞速发展，尤其是固体阵列像机和计算机硬件的发展，使得近景摄影测量己进入全数字近景摄影测量时代。 （a） 单台相机脱机测量系统 （b） 多台相机联机测量系统图3.1 数字近景工业摄影测量系统3.1 数字近景摄影测量的发展数字近景摄影测量的发展历史可以概括为五个不同特征的时期：基础阶段的早期；初进入数字阶段的逐步发展期；进入数字阶段的全面发展时期；稳步研究和加大推广应用的深入发展期和新近的成熟期。1964年1984年是数字近景摄影测量早期阶段，这一时期的研究成果主要是奠定了数字近景摄影测量的理论基础，包括图像处理算法、误差理论、ccd器件的研究及应用、模板匹配算法与多张像片的同时处理技术等，因此有人将这个时期称为数字近景摄影测量的婴儿期。19841988年是初进入数字阶段的逐步发展期，开始逐渐研发出许多数字近景摄影测量系统，尽管很少是实用的，但在系统的设计、开发、标定等方面为后续的研发奠定了基础。1986年6月在加拿大的渥太华召开的国际摄影测量与遥感大会的年会上数字近景摄影测量成为第五委员会的主题之一；1987年6月在瑞士ihterlaken召开的isprs年会,是第一次单独以数字摄影测量为主题的国际会议；1988年在日本京都召开的第16界isprs大会上，第五委员会被正式改名为“近景摄影测量与机器视觉。1988年1992年，数字近景摄影测量步入全面发展时期，越来越多的研究者在此方向进行研究和系统开发，出现了许多成功的应用报道，而且应用领域大大拓宽了(如工业测量、生物立体测量、流量测量、汽车碰撞实验测量和空间探测等)，这一时期显著的特点有：（1）在学术研究和商业系统方面，全自动测量系统数量继续增加；（2）应用领域及行业大大拓宽；（3）与计算机视觉等其它学科的交流开始变多，相互间在学术会议及论文出版等方面互为支持。1992年1996年，数字近景摄影测量的研究和开发不再像前一阶段那样不断出现新成果和新发现，而是处于更加稳步的发展，业内更多的关注是拓展应用和成型系统的市场推广。已有的老公司推出新的数字化产品(如美国gsi公司在1994年对模拟测量系统进行改造后推出了数字测量系统v-stars)，也新出现了许多很专业化的小公司和新系统(如挪威的metronor公司的metronor系统、加拿大的eos公司的photomodeler系统，aicon 3d公司dpa-pro系统)，一系列的会议论文集公开出版，表明数字近景摄影测量技术和研究已趋于成熟。 图3.2 v-stars系统 图3.3 metronor系统1996年至今，数字近景摄影测量的研究及应用已步入成熟期它已能满足医学领域对图像实时性、几何高精度方面的要求，可用于外科、人体测量学、人类行为动作的监控测量等。研究的重点从几何量测精度转为实时性、全自动化和测量结果的深加工(三维建模与虚拟现实)等，尤其是激光扫描技术的发展，使得多传感器数据采集及数据融合等问题倍受关注，从而也使数字近景摄影与计算机视觉的关系越发密切。3.2 与计算机视觉的联系及区别摄影测量是测绘学科的一个分支，它是对由摄影机摄取的影像(二维)进行量测，测定物体在三维空间的位置、形状、大小，乃至物体的运动。摄影测量在近百年的历史中经历了:模拟、解析与数字摄影测量三个阶段。当被测物的尺寸或摄影距离小于100米时的摄影测量称之为近景摄影测量，随着数字传感器技术的发展，尤其是ccd器件和cmos器件的迅速发展，利用ccd(或cmos)像机不需要胶片就可直接获得被测物的数字影像，这种直接基于数字影像的近景摄影测量称为数字近景摄影测量。计算机视觉的研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力，这种能力将不仅使机器感知三维环境中物体的几何信息，包括它的形状、位置、姿态、运动等，而且能对它们进行描述、存储，识别与理解。由此可知，数字近景摄影测量与计算机视觉(特别是立体视觉在研究内容和目标上十分相近，数字近景摄影测量关注的是几何量的量测信息(物体的位置、大小和形状等)；计算机视觉也需要量测信息，但其更为关注的是对物体进行描述、识别和理解。因此，数字近景摄影测量和视觉测量(或检测)所关注的是完全一致的。事实上，数字近景摄影测量与计算机视觉(测量)的理论基础是一致的，二者都是针孔成像原理(像点、镜头中心和物点共线)的具体应用但由于各自学科的历史、研究内容和侧重点的不同，在具体的诸多方面又存在着差异，主要表现在以下几个方面：（1） 出发点不同导致基本参数物理意义的差异：摄影测量中的外部定向是确定影像在空间相对于物体的位置与方位，而计算机视觉则是物体相对于影像的位置与方位来描述问题。（2）由于(1)中不同的出发点导致基本公式的差异:摄影测量中最为基本的是共线方程，而视觉测量中最为基本的公式是用齐次坐标表示的投影方程。（3）数学处理算法的不同:摄影测量渊源于测绘学科，基于非线性迭代的最小二乘法平差求解贯穿于数字近景摄影测量的全过程，而计算机视觉强调矩阵分解，总是设法将非线性问题转换为线性问题，尽可能避免求解非线性方程。尽管数字近景摄影测量与计算机视觉有这样、那样的差异，但在最近20年的发展过程中，学科间的交流逐步增加(相互参加、协助召开学术会议并出版论文集，如isprs, spie等)，两者的学科交叉越来越多数字近景摄影测量中的许多基本概念与方法来自影像处理与计算机视觉(如数字图像处理的某些算法、编码标志的自动识别)；反过来，摄影测量中的一些特色理论和方法又为视觉测量所采用(如整体光束法平差算法、像机自标定原理和方法等)。为此，摄影测量界的学者早就开始思考和把握这种态势，也正是学科间这种共同的理论基础、类似的处理方法和基于数字图像量测技术的固有特征，所以在文献中常常是可以互换使用这些术语，如计算机视觉、机器视觉、机器人视觉、数字近景摄影测量和视觉测量。3.3 数字近景工业摄影测量的关键技术及国内外现状在3.1中已介绍了国外在数字近景(工业)摄影测量的发展阶段及主要成果，国内自70年代末就开始逐步进行近景摄影测量的研究，到目前为止，已有许多学者在数字近景摄影测量方面进行了很多的研究及应用工作，但主要是测绘学科的研究人员、研究的重点也主要是针对普通测绘工程，而针对工业测量的研究和应用就很少了，而且不成系统性。针对大尺寸工业三坐标测量，数字近景工业摄影测量的关键技术及其国内的研究状况如下：（1）高质量“准二值影像”的获取：高质量图像的获取是高精度测量的基础之一，国外主要采用高反射性能的定向反光材料来制作人工标志，并对其摄影以获取高质量“准二值影像”，早在1993年就有学者提出要采用rrt标志，但一直未见到系统的研究及应用报道。（2）标志中心高精度定位算法：目前已不满足亚像素精度的中心定位算法，国内研究还在0. 1 pixel精度时，国外已做到了0.02 pixel精度的标志中心定位。（3）数字像机的标定与自标定:标定结果的好坏直接影响到测量结果的度，国内对一般像机的标定方法研究较多，但对数字像机畸变模型的研究和选择不多，尤其是针对近景的自标定理论和方法缺少研究和试验，而国外成型系统均已实现国内在上世纪的80年代就针对航空摄影测量在自标定理论方面进行了研究，但针对近景摄影测量的自标定研究还未见公开报道。（4）基于编码标志和自动匹配技术的自动化测量技术：测量的自动化一直是人们追求的目标，对编码标志进行自动识别和利用核线匹配来加快测量速度和实现测量自动化是一条很好的捷径，国内已有人开始进行了初步的研究。（5）测量网形的优化与设计：作为一种光学测量手段，传感器的布设方案决定的测量的网形，对精度影响也很大，经典的测绘学科(如大地测量和工程测量)里面已有很深入的研究，国内已有人进行过计算机模拟计算试验。（6）基于理论研究的系统实现和实际工程应用：在实际工程中应用是对研究成果的最好验证，国外已有很多相对精度达到1/10万的工业摄影测量工程实例报道，国内也有了少量的低精度工业摄影测量工程的应用报道。4 数字摄影测量的理论基础4.1三维测量原理利用ccd 摄像机可以获取三维物体的二维图像, 这就是实际空间坐标系和摄像机像平面坐标之间的透视变换。通过多个摄像机从不同方向拍摄的2幅或2幅以上的二维图像，可以综合出物体的三维曲面轮廓。 为说明问题方便, 设物空间坐标系为x y z , ccd像面的像平面坐标系为x y。现以双摄像机为例, 说明系统的透视变换关系。如图4.1 所示, p 为空间三维物点, 其坐标为p (x ,y ,z ) , 在摄像机1和摄像机2 ccd 像面上的像点坐标分别为 ( ) 和 ()。图4.1 物空间坐标系和双摄像机的像平面坐标系对摄像机1, 像点坐标与物点坐标的变换关系为:(4.1) 其中, 为非零参数; 、和为系统变换矩阵的元素, 与摄像机1 的安放位置及成像系统的参数有关, 可通过系统定标来确定。摄像机2, 像点坐标与物点坐标的变换关系为:(4.2)其中, 为非零参数; 、和现为系统变换矩阵的元素, 与摄像机2的安放位置及成像系统的参数有关, 也可通过系统定标来确定。由(4.1),(4.2) 2个方程可转化为以下2个方程:(4.3)(4.4)式中, ; 。 和, 加起来共22 个未知参数, 利用1个已知靶点和它在2 个ccd 像面上的像点可建立4个线性方程。欲求22个未知参数, 则至少需6个已知靶点。利用已知的6个或6个以上靶点，根据上述方程，便可解得这些参数。这是测量工作的第1步, 即求出双摄像机组成的测量系统的变化矩阵a 和b ，称为系统定标。测量的第2步是根据被测点p 在两个ccd 像面上的像点坐标( )和() , 求得未知点p 的物空间三维坐标(x , y , z )。由(4.3),(4.4) 2个方程可得到以下方程:(4.5)(4.6)由上述方程可方便地求得3个未知数x 、y 和z , 即p 点的三维空间坐标值。这样就可以利用双摄像机拍摄的2 个二维图像逐点测量物体的三维轮廓。利用3个或更多的摄像机则可使测量精度更高,便于测量到超出2个摄像机采集范围以外的点。不论采用2 个摄像机还是更多的摄像机, 测量过程总是先利用靶标对测量系统定标, 再对被测物测量。定标后摄像机位置必须保持不变。但若在测量过程中始终保持靶标和被测物的相对位置不变, 即测量静态物体, 则可只用1 个摄像机, 而在不同的位置分时进行采样。4.2 共线条件表达式共线条件方程式是描述像点投影中心以及物方点应位于一直线上的一种条件方程式。图4.2 像点a在2种坐标系下的坐标现已知某像点a在像空间坐标系s- xyz内的坐标为( x, y, -f )要求解此像点a在辅助空间坐标系s- xyz内的坐标(u, v, w)。从坐标系s- xyz 到s- xyz 是经过顺序旋转三个角度得到的这就相当于三次旋转坐标变换其变换关系为：(4.7)以上各方向余弦值得表达式为：r 为正交矩阵，故有：(4.8)图4.3 像点和物点的对应关系考虑到像点a， 投影中心s ，以及物方点a 应位于一直线上，可得：(4.9)转化为：(4.10)这就是共线条件方程式。4.3 直接线型变换推导直接线形变换(dlt direct linear transformation )算法是直接建立像片影像坐标和物方空间坐标的几何关系式的一种算法计算中不需要内方位元素也不需要外方位元素的初始值因此它非常适用于采用非量测数字相机进行摄影测量。鉴于在近景摄影测量中越来越广泛地使用各种类型的非测量用摄影机所以直接线性变换运算方法已经成为非地形摄影测量处理的重要组成部分。在数字近景摄影测量中一般可以直接在图像处理软件中量测影像点的坐标直接线性变换解法实质上是一种变通的后方交会前方交会解法后方交会用于解算直接线性变换系数前方交会用于解算物方空间坐标。前面已经讨论过像片坐标和物方坐标应满足共线条件方程，将其改写为：(4.11)这里是以任意像点为原点，框标方向为坐标轴的坐标系内的坐标。数字影像以“数字阵列坐标系”为准，像元素的位置是由所在行号i和列号j确定，与像片本身的像坐标系不一致。“数字阵列坐标系”和像片坐标系之间的转换关系可以由仿射变形实现: (4.12)实际求解过程中先将数字阵列坐标系与像坐标系重心化,上式改化为: (4.13)令: (4.14)将式4.12代入到式4.14 然后再代入到式4.11可得(4.15)上式可以改写为:(4.16)其中:将式4.16 中的第一式乘以减去第二式乘以以消去得:(4.17)上式可表示为:(4.18)将式4.18的第二项并入第三项得:(4.19)再将上式除以可得:(4.20)上式第二项分子分母除以可得:(4.21)引入相应符号,可得:(4.22)同理可得:(4.23)以上两式联立,可得(4.24)此时就是直接线形变换dlt关系式。其中至是直接线性变换系数，他们是内方位元素和外方位元素的函数。此关系式的优点在于把式2.6改化为线性形式，因此，计算程序简单，且计算速度快。同时要注意到内方位元素与外方位元素共9个未知数，在直接线性变换后共有11个未知数，所以直接线性变换导致了未知数的增加，但相比于计算方法的简便性，这种未知数增加的代价是值得的。5 摄像机模型参数求解 分析直接线型变换式可以看出，计算过程分为求解11个未知系数和求解未知点物方空间坐标2个步骤。由上文得的直接线型变换关系式可改写成以下关系式：(5.1)上式改写为：(5.2)上式改写为：(5.3)由上式可改写为矩阵方程：(5.4)为了解算11个未知数，必须已知6个以上控制点当已知6个以上分布合理的控制点以及相应的像片坐标即可利用最小二乘法求解11个系数。现有6个控制点坐标及其相应得像片坐标（摄像机从试验车辆上方拍摄），如下表5.1,5.2 表5.1 控制点物方坐标测点坐标x145012501090900300300y158157258151410141z610610350618129616表5.2 控制点像片坐标测点坐标x92168209303560538y374377349381323382图5.1 摄像机拍摄的上方图象以及6个标识点位置由表5.1,5.2中数据可得到6个矩阵方程：利用最小二乘法便可以以求出其中：， ， ， ， ， ， ， ， 由此可得出线形变换方程式：(5.5)现有6个控制点坐标及其相应得像片坐标（摄像机从试验车辆侧面进行拍摄），如下表5.3,5.4表5.3 控制点物方坐标测点坐标x145012501090900300300y158157258151410141z610610350618129616表5.4 控制点像片坐标测点坐标100189212315414436255252131251105149图5.2 摄像机拍摄的侧面图象以及6个标识点位置由表5.3,5.4中数据可得到6个矩阵方程：利用最小二乘法便可以求出其中: ， ， ， ，由此可得出线形变换方程式：(5.6)图5.1,5.2是同一时间2台摄像机从不同方向拍摄得到的图像，由式5.5,5.6我们可以得到4个方程, (5.7)（5.8） (5.9) (5.10)由式5.7，5.8，5.9，5.10，4个方程，只要知道(，)，(，)就能计算出其他3个物方空间坐标，那么只要得到图象坐标就能计算出物方空间坐标，通过大量的组图（如图5.1，5.2）, 就能得到大量数据，从而得知在不同时刻某标识点在实际空间的变化情况，为勘查车辆变形程度提供大量信息。将表5.2，5.4中的坐标代入以上4个方程，得到：表5.5 标示点计算值与实际值之间的误差（x方向坐标）标识点x（计算值）x（实际值）绝对误差相对误差1453.414503.40.23%1252.712502.70.21%1086.110903.90.36%903.49003.40.38%297.23002.80.94%296.53003.51.18% 表5.6 标示点计算值与实际值之间的误差（y方向坐标）标识点y（计算值）y（实际值）绝对误差相对误差153.91584.12.66%160.51573.52.18%254.42583.61.41%155.51514.52.89%406.14103.90.90%144.41413.42.35% 表5.7 标示点计算值与实际值之间的误差（z方向坐标）标识点z（计算值）z（实际值）绝对误差相对误差614.86104.80.78%612.36102.30.37%347.83502.20.63%622.56184.50.72%12512943.2%618.76162.70.44% 6 摄影测量方法的适用性和精度分析6.1适用性分析在传统的车辆碰撞试验中，通常采用直接测量的方法。实验车辆的测量，通常采取人工利用皮尺测量，因此精度不高，而且容易遗漏信息，不能给试验分析人员提供足够的信息；数字摄影测量包括两个方面的工作：一是室外工作,主要是指布置或量测适宜的控制点，拍摄适宜的照片；二是室内工作，主要是利用已有的计算机程序对相片处理，提取出所需要的定量几何信息。从这两方面工作来看，数字摄影测量使用方便，处理迅速，由于数字摄影测量通常只需要数码相机，控制装置和计算机程序，因此价格低廉。综合考虑，数字摄影测量可以比较好的解决传统测量的多种问题，因此其适用性更强。6.2精度分析通过实际的摄影测量处理，分析得到摄影测量的精度和以下因素有关：（1）像点的精度为了求得物点的三维空间坐标，首先必须确定像点的二维平面坐标，因此为了提高物点精度，必须提高像点的精度。在人工确定像点坐标时，必须非常细心，如果有可能，可以采用计算机程序，采用特征提取的方法确定像点。（2）相机的分辨率相机的分辨率越高，就更容易精确地标定像点位置，像点精度提高又必然导致物点精度提高。（3）相机校验质量由于非量测数码相机的存在较大的光学畸变，因此相机校验可以较大地提高精度，前面对相机校验理论已经作了详细的论述。（4）相片数量在确定像点点位时，都会存在一定的误差。如果所需像点在某一张相片上的比较模糊，那么误差会比较大，这样也就导致求解的物点误差比较大。此时如果此点出现在三张相片以上，那么此点在某一张相片上的较大误差由于采用最小二乘法会使此误差得到补偿。如果此点只出现在两张相片上，这种误差就得不到补偿。因此通常需要在较多的相片上标定某一像点点位，一般在三张以上。7 总结 本文详细介绍了汽车安全性，数字摄影测量技术的发展和模型的建立，求解和误差分析以及如何将此测量技术应用于汽车碰撞过程中车身标志点的测量。随着中国加入wto的成功，汽车这一民族工业得到了迅猛的发展，消费者对汽车的各方面性能提出了更高的要求，特别是在汽车的安全性方面：而厂家为了赢得顾客的信任，不断改进设计来提高汽车的整体性能和质量口为此，各大汽车生产厂家不惜投入巨款资金，纷纷进行汽车的实车碰撞试验，而碰撞后汽车车身的某些关键点的变形对于分析汽车某些方面的性能十分重要。而本论文研究的汽车车身标志点的测量方法正是为了适应当前的这种实际需要，主要用于汽车碰撞前后的现场测量。本课题所研究的测量方法方便、实用，减少了操作人员的测量时间和劳动强度，使测量变得和照相一样简单而有趣，把测量技术提高到一个新的水平。本论文所述测量方法虽然能够进行实际测量，但测量精度有待于提高，希望继续从事此方面研究工作的人能够在寻找更好的约束条件，建立更好的数学模型，改善测量环境(照明)，提高相机分辨率等等方面进一步深入研究，提高测量精度，加快该测量方法的实用化进程。参考文献1 黄虎，常键，何稚桦，徐兆坤.汽车侧面碰撞试验探讨j.上海工程技术大学学报，200