数字摄影测量技术研究报告

数字立体摄影用于容量计量技术研究-技术报告,一、概述,目前船舶舱容积计量大部分都采用全站仪测量，该方法精度高，但是它有测点少的缺陷，对于较为复杂的曲面测量，需要寻求一种高精度、测量速度快、测点多的一种船舶舱容积的测量方法。而摄影测量是一种比较传统的测量方法，该方法在具有特征纹理的场合得到了较广泛的应用，例如莱卡公司生产的全数字摄影系统，在粘贴特种纹理和地面控制点的情况下，可以达到0.1mm的精度，可用于飞机机翼、大型雷达天线的安装测量。,一、概述,船舱和立式油罐的特点是面积大、缺乏纹理，且不可能设置地面控制点，因此普通的摄影测量不能直接用在船舱和立式油罐的计量中。,二、技术路线和方案的拟定,1、容器的摄影测量与大地的摄影测量不同，即没有控制点，也不知道测站的已知坐标，甚至两个相机都无法安置在一个水平面上，为了实现无控制点、无已知点的测量，立体摄影系统采用定焦距、定基线的结构方法。2、为了测量大面积的船舱和立式油罐，采用水平方向和垂直方向转动进行多角度的拍摄，通过转动角度，进行多视角的拼合得到整体的坐标。,二、技术路线和方案的拟定,3、采用大面积的投影方式解决船舱和立式油罐纹理问题。4、数字立体摄影测量法测量容积，对于大容量的体积不能在一个测站上把数据采集完成，需要多个测站采集数据，但测站与测站间由于没有采用任何已知的控制点，每个测站计算出的坐标都是独立的坐标系，因此系统采用公共点进行坐标的转换。,二、技术路线和方案的拟定,5、为了保证测量的精度，选用量测型相机、畸变小的镜头、高像数的数码后备。6、研究自动测量系统，减少现场测量人员的工作量。,三、主要研究内容,高精度数字立体摄影系统在容量计量中的测量方法的研究；高精度竖直和水平旋转平台的设计与研制；数字立体摄影系统及自动控制系统的研制；适用于数字立体摄影测量的物方纹理（包括纹理的产生方法、纹理式样等）的设计和研制；影像目标识别、定位及特征提取方法研究及软件研制；数字影像处理及影像匹配方法研究及软件研制；三维曲面拐点的提取；,三、主要研究内容,船舱和油罐形体三维可视化模型研究及软件研制；离散点计算高精度容量的模型研究及软件研制；软硬件系统集成；立体摄影系统及控制系统的检校。,四、主要技术指标,影像匹配的速度：100200点/秒；自动影像匹配的正确率90%；点位解算的不确定度2.2mm（5m6m范围）；容量的测量范围：505000m3;容量的测量不确定度（k=2）：U=（3-5）X10-3（大于1000m3;）U=（5-8）X10-3（小于1000m3;）,五、系统研究及实施过程,数码相机是该项目中最主要的设备之一，它直接影响到成果的精度，为此项目组于2004年10月在武汉举行了专门技术论证会，从理论和经验上分析数码相机的像数和分辨率的要求，通过市场的调研和研究，选择了Hassel相机和Leaf的数码后备，它的像数为2200万像数，pixel大小为9m9m，同时考虑到摄影距离变化，购置40mm、80mm和150mm焦距的镜头，并于2004年12月设备全部购置到位。,六、关键技术的解决途径和方法,硬件系统组成系统是利用双目立体成像原理的数字立体摄影系统，它的硬件组成如下：,六、关键技术的解决途径和方法,软件系统组成,六、关键技术的解决途径和方法,1、摄影平台的研制系统采用1.5米的固定基线，在基线的两端固定左右两台相机，组成的定基线摄影系统如下图：,六、关键技术的解决途径和方法,为了能够拍摄不同方向，不同高度的各个面，项目采用水平可旋转360度水平平台，为了保证系统的精度，水平平台的角度分辨率为0.0002度，重复精度为0.004度。竖直采用可旋转90度倾斜平台，倾斜平台的角度分辨率为0.0003度，重复精度为0.002度。两个旋转平台组合装置，组成可旋转的测量两平台。如下图,六、关键技术的解决途径和方法,六、关键技术的解决途径和方法,测量平台是由控制器控制步进马达驱动旋转并具有测角的系统，可根据需要由控制器控制转动到所需要的角度，它的控制和测角原理如下图,六、关键技术的解决途径和方法,平台转动控制系统框图,六、关键技术的解决途径和方法,角度测量系统框图,六、关键技术的解决途径和方法,六、关键技术的解决途径和方法,2、测量纹理的产生本项目测量纹理的产生方法是将做好的各种颜色的圆形标志影像用投影仪投射到油罐及液舱的表面作为需测量的物方纹理。系统选择可直接读入U盘的纹理图像的投影设备，根据不同的被测物体，在计算机上生成不同的图形纹理，如果测量的范围比较大，可用多台投影仪组成。如下图所示。,六、关键技术的解决途径和方法,测量纹理产生器,六、关键技术的解决途径和方法,在计算机上先生成纹理JPG文件，纹理采用具有颜色标识的圆点以及少量的直径比较大的种子点组成。颜色有利于影像匹配，种子点有利于人工的判读，纹理文件如下图所示：,六、关键技术的解决途径和方法,纹理JPG文件,六、关键技术的解决途径和方法,六、关键技术的解决途径和方法,3、特征提取为了能高精度地获取特征中心点，程序的处理过程为先进行边缘提取，然后进行边缘拟合。3.1边缘提取边缘提取采用了CANNY边缘提取算法，它对受白噪声影响的阶跃型边缘是最优的。与其它边缘提取算法相比，Canny算子提取的边缘最为完整，而且边缘的连续性很好，效果优于以上其他算子,六、关键技术的解决途径和方法,对特征点进行边缘提取,六、关键技术的解决途径和方法,3.2特征提取特征提取是针对已得到的边缘信息，从中提取所要求的圆形标志。由于边缘提取后所得到的信息不但包含特征圆的边缘，还有其它物体的边缘，因此，需要经过一个排除和拟合的过程得到圆形标志。,六、关键技术的解决途径和方法,由于特征圆标志的大小有一定的限制，不会变化很大。因此在提取特征之前需要定义一些参数以加快提取速度。需要设置的参数有：要检测圆的最大直径：用于排除太长边缘，以加快速度要检测圆的最小直径：用于排除太短边缘，以加快速度要检测椭圆的最大长短轴比：不需判断所有情况，以加快速度，提高提取准确率,六、关键技术的解决途径和方法,边缘残缺：如果边缘小于周长的一定比例，则不需要提取，可以提取准确率拟合时去除粗差的比例：即就是以几倍的标准偏差来判断粗差平均每点误差：拟合时的平均每点误差限制,六、关键技术的解决途径和方法,提取的椭圆和原始图像迭加图,六、关键技术的解决途径和方法,4、影像匹配技术匹配的难点归纳为如下4点：都是圆形目标，无法从纹理上区分。虽然有颜色值，但颜色很不可靠。虽然提取了特征点，但左右并不是一一对应，即左图像中提取了，右图像中不一定能提取得到。特征点众多，一条核线上有很多特征。,六、关键技术的解决途径和方法,为了提高匹配的速度和准确率，需要在匹配之前提供一些参数，包括：1）位置偏差：由于标定误差的存在，同名点不一定精确地通过核线，因此需要有一定的容差限。2）颜色差：由于不同相机获取的颜色存在一定差异，因此需要设置颜色包容值。3）相关窗口大小：进行相关运算时的窗口宽度。,六、关键技术的解决途径和方法,4）相关系数：由于视角的不同，同一特征在不同的图象里会有差异，因此需要提供一个系数来接受这个差异。5）最远距离：当前像对里特征点离相机的最远距离6）最近距离：当前像对里特征点离相机的最近距离根据上述的条件和难点，系统设置了全自动、半自动和手动的匹配方法，可以根据情况选用合适的方法。,六、关键技术的解决途径和方法,全自动匹配虽然方便，但其受图像的影响很大，即就是对颜色的依赖性很大，因此，如果图像质量很好，则可以采用。半自动匹配，是针对系统的测量对象，把每幅图像的测量分为多个平面区域，每次仅仅匹配一个区域。由于把匹配限定在一个空间平面上，因此匹配变得容易，也大大提高了匹配的成功率和准确性。,六、关键技术的解决途径和方法,手动匹配是最简单的匹配方式，即就是手动在左右图像里选择匹配的特征点。该方法仅仅在特殊情况下才使用，例如系统测试时或某个特别重要的特征，不能用前面的方法匹配得到时。,六、关键技术的解决途径和方法,5、点云的容量计算利用数字摄影测量获取的被测物表面，由于点比较多，项目采用先构网，切断面，断面点是各高程面与三角网的交点，得到一系列断面，再计算各个断面的面积，对于非规则的船舶液舱，利用多边形面积计算公式：,六、关键技术的解决途径和方法,从而计算得到体积：,对于立式油罐，由于它是一个圆柱体，可以利用断面点来拟合圆的半径，再计算圆的面积，从而减少计算误差,具有点云的数据的容积计算，由于断面的间隔可以任意的，因此这种计算方法与传统的计算方法相比，具有能精确反映每厘米（或更小）高度的真实体积，即每一高度有一个断面的优点，而不是采用平均值来计算的。,七、项目试验,固定基线摄影系统不确定度综合测试1、在室内三维控制场中进行固定基线系统的点位不确定度比对试验，在室内三维控制场中间位置全方位拍摄三维控制场的立体像对，进行三维坐标解算。2、进行室内全站仪比对试验，在室内走廊不同距离处布设一定数量的标志，用LeicaTCRP1201全站仪测量，计算独立坐标系下的三维坐标，再用数字立体摄影系统测量测试标志在摄影坐标系下的坐标。,七、项目试验,数字立体摄影不确定度实测试验选择已按国家检定规程的要求做过容量检定的船舱和立式油罐，用本项目研制的数字立体摄影测量系统重做一次容积测量，比较两者测量结果的一致性。实测试验又分为船舱和立式油罐两大部分：1、船舱实测试验为检验数字立体摄影测量系统对不同容积测量的不确定度情况，特选定了1000m和5000m两种有代表性的船舱；2、立式油罐实测试验同样选择了容积约为1800m和5000m的立式油罐进行实测试验。,七、项目试验,7.1控制场点位不确定度测试室内三维控制场，采用高精度全站仪（TCRP1201）用前方交会法测定所有点的三维坐标，并用三米铟瓦尺作为基线的测定，点位不确定度约0.42mm，可将其当成真值。但摄影坐标系与控制场坐标系不为同一坐标系，因此采用距离比较的方法，最终推算出摄影测量系统在测量控制场点位时的不确定度。,七、项目试验,1）在离控制场中前端约4米左右采用40毫米镜头的相机拍摄一个立体像对（如上图），经系统处理解算，得到控制场标志点的三维解算坐标；2）用三维解算坐标计算所有标志点的两两组合间距，并与控制场高精度坐标计算的相应距离比较求差；3）将控制场高精度反算距离作为真值，统计计算空间距离的测量不确定度；4）计算距离测量中误差得到测量点位不确定度。,七、项目试验,间距差的绝对值分布统计表,七、项目试验,不确定度信息统计表,从以上两表可看出，距离的绝对值不确定度94.4%都小于3mm，统计的距离不确定度为1.8mm，点位不确定度为1.3mm。,七、项目试验,7.2与全站仪测量点进行点位不确定度比较在约21米长的走廊上两面墙上贴圆形标志点，并在14米处设置一根杆子，两侧墙上各有3个圆形标志点，两侧杆上各4个圆形标志点，共14个圆形标志点。采用摄影测量系统拍摄走廊一侧的相片，旋转180度后，再拍摄走廊另一侧的相片，见下图。,七、项目试验,七、项目试验,间距差的绝对值分布统计表,七、项目试验,不确定度信息统计表,从以上两表可看出，距离的改正值不确定度92.38%都小于5mm，统计的距离不确定度为1.9mm，点位不确定度为1.35mm。符合任务书中的技术指标：点位解算的不确定度2.2mm。,七、项目试验,7.31000m船舱实测试验试验场地在武汉青山船厂，选择已作过容积检定的船舱（Supremity船的3号舱）进行实测试验，该舱纵向长度约11.9米，横向宽度约12米，高约7米。将数字立体摄影测量系统架设在舱室的中央，能够完整地对整个舱室进行拍摄，摄影距离约610米，故采用40mm镜头拍摄，以验证610米摄影距离时在船舱测量中的实用性和可靠性。实测过程包括纹理的投射，水平及垂直旋转平台的测试和设置，立体像对的拍摄，相片的处理，三维坐标的解算，船舱的三维显示，容量的计算，与正规检定容量的比较等。,七、项目试验,七、项目试验,采用两个纹理投影器并排布置,七、项目试验,点云数据的三维显示,七、项目试验,武汉青山船厂船舱容积的计算与舱容的检定结果比较通过系统软件的3D构网后，采用1厘米一个水平断面计算船舱的容积和船舱经国家船舶舱大容积计量站检定的结果比较得到数字立体摄影测量的容量相对不确定度为：U=1.810-3（k=2）,七、项目试验,7.35000m船舱实测试验试验场地在广州船厂，选择已作过容积检定的瑞金潭油轮的右2舱进行实测试验，该舱纵向长度约20.4米，横向宽度约13.6米，高约17米。将数字立体摄影测量系统架设在舱室的中央，能够完整地对整个舱室进行拍摄，摄影距离约720米，故采用80mm镜头拍摄，以验证720米摄影距离时在船舱测量中的实用性和最终计算容量的不确定度是否满足要求。实测过程包括纹理的投射，水平及垂直旋转平台的测试和设置，立体像对的拍摄，相片的处理，三维坐标的解算，船舱的三维显示，容量的计算，与检定容量的比较等。,七、项目试验,七、项目试验,七、项目试验,七、项目试验,船舱容积的计算与舱容的检定结果比较通过系统软件的3D构网后，采用1厘米一个水平断面计算船舱的容积，它的容积和船舱经国家船舶舱大容积计量站检定的容积比较，数字立体摄影测量的容量相对不确定度为:U=1.410-3（k=2）,七、项目试验,7.42000m和5000m的两种容量的立式油罐进行测量试验试验场地在湖北省黄梅县小池镇，选择湖北省计量局已作过容积检定的祥龙公司的一号、四号立式油罐进行实测试验。将数字立体摄影测量系统架设在立式油罐内中央位置，能够完整地对整个油罐进行拍摄。试验过程包括纹理的投射，水平及垂直旋转平台的测试和设置，立