CN103644860B - 大型空间自由曲面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型空间自由曲面测量方法。该方法通过在被测曲面上设置众多反射标志，并利用数字摄影测量系统对被测曲面的几何尺寸进行测量，弥补了三维扫描仪在测量尺寸方面的不足。在数字摄影测量系统建立的精度更高的坐标系下，校正三维扫描仪采集的数据，既保证了曲面尺寸的精确性，又不影响曲面轮廓的准确性。该方法包括如下步骤：测量准备，拍摄影像，建立坐标系，三维扫描，数据生成。本发明克服了以往采用单独的三维扫描方法中扫描精度不高，测量数据不够准确的缺点，使被测曲面的轮廓和尺寸都能够达到更高精度的要求，适用于大型空间自由曲面的测量。

Description

大型空间自由曲面测量方法

技术领域

本发明涉及一种大型空间自由曲面测量方法。

背景技术

在大型模具制造、管道铺设等领域都需要对物体的实际轮廓和尺寸进行测量，虽然现在很多三维设计软件都可以绘制出物体的立体图形，但实际制造出来的产品很可能与设计图纸存在尺寸或轮廓上的误差，尤其是大型曲面结构产品。而且在为较大的曲面结构产品设计相应的配套产品时，更需要知道该曲面结构产品的精确的轮廓和尺寸。尤其是在逆向工程中，得到实物的准确、真实的数据参数，对设计模型是非常重要的。而目前测量空间自由曲面的方法主要是采用三维扫描仪，采集曲面轮廓上足够的点云坐标，再利用软件来进行拟合。这种方法虽然能获得曲面的轮廓和尺寸的信息，但由于三维扫描测量设备的精度低，在用于大型空间自由曲面的扫描时，无法满足精度要求，由此生产出来的产品就会不符合设计要求，造成资源浪费，即降低了效率，又提高了成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大型空间自由曲面测量方法，采用此方法对空间曲面进行测量，可以获得曲面的精确的轮廓和尺寸信息，使测量数据更准确地反映出实际情况。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：该大型空间自由曲面测量方法包括如下步骤：

一、在曲面上设置测量点和编码点，所述测量点和编码点的反光率高于所述曲面的反光率，设置基准尺，所述基准尺的两端设置有测量点；

二、通过数字摄影测量系统对包括曲面上的测量点、编码点和基准尺上的测量点进行拍摄，获取曲面表面及基准尺的数字影像信息，每一幅照片内包括若干个测量点和至少3个编码点，所有照片包括所有测量点的数字影像信息，且至少有两幅照片包括同一个编码点的数字影像信息；

三、将数字影像信息输入计算机，使用影像数字化软件将获取的数字影像信息进行拟合及解算，得到曲面上所有测量点和编码点的三维坐标值；

四、将测量点和编码点的三维坐标值导入三维扫描仪，并将三维坐标值设定为三维扫描仪的定位点；

五、启动三维扫描仪，对曲面的轮廓进行扫描，得到曲面上的点云坐标值；

六、将点云坐标值输入计算机，利用逆向建模软件得出曲面的最终轮廓的形状及参数。

利用数字摄影测量系统对几何尺寸测量精度高的特点，精确定位测量点的坐标，并将此坐标作为三维扫描的基础，再利用三维扫描技术形成曲面的轮廓，将两套系统测量的数据在一个坐标系里整合，使测量结果在轮廓和尺寸上更精确，从而为建立更精确的模型提供准确数据。

在所述步骤二中，拍摄曲面的每一个区域时，数字摄影测量系统设置在不同位置，从不同角度进行多次拍摄。整合多次拍摄得到的坐标值，提高测量数据的精度。

为节约测量时间，在所述步骤二中，同时使用多台数字摄影测量系统进行拍摄。

本发明的有益效果是：此大型空间自由曲面测量方法在传统的三维扫描方法中加入了数字摄影测量系统，利用数字摄影测量系统在测量几何尺寸方面具有高精度的优势，弥补三维扫描仪在此方面的不足，同时发挥三维扫描仪可以形象地反映空间曲面轮廓的功能，在数字摄影测量系统建立的精度高、准确性好的坐标系下，整合两套系统采集的数据，从而得到更精确、更符合实际情况的曲面轮廓和尺寸参数，生产更加符合要求的模型，为包含大型曲面结构产品的安装、检测和配套产品的设计生产提高可靠依据。

附图说明

图1为本发明大型空间自由曲面测量方法的工作原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，测量前的准备工作包括，在被测曲面1上设置若干个测量点3和编码点4，根据被测曲面1的面积和形状的复杂程度不同，设置测量点3的数量也不同，总的原则是测量点3布满整个曲面1，且分布尽量均匀。由于编码点4是用来区分每幅照片在曲面1上拍摄区域的标记，也是用于将照片合成为一个整体的拼接点，所以编码点4的设置应满足，在同一幅照片内至少出现3个编码点4，而且同一个编码点4至少在两幅不同的照片内出现。在合适的位置设置基准尺2，基准尺2上也设置有测量点3，而且基准尺2上的测量点3之间的距离预先校准。

在测量被测曲面1前，首先要使用数字摄影测量系统5测量基准尺2上的测量点3，将测得的数据L₀与校准后的数据进行比较和补偿，将处理后的L₀值作为摄影测量系统5的长度基准。测量时，使用数字摄影测量系统5拍摄曲面1，由于一幅照片不能覆盖曲面1的所有范围，所以需要对曲面1的不同区域进行拍摄，以合成一个整体，编码点4也作为三维扫描仪6的坐标参照点。对同一个区域进行拍摄时，最好是使数字摄影测量系统5从不同的角度对曲面1进行拍摄，得到多张照片，以获取更全面的坐标信息，而且每张照片都要既拍摄到曲面1上的测量点3，又拍摄到编码点4。在拍摄相邻区域时，保证每张照片中都含有至少一个相同的编码点4的图像信息，也就是说在表示相邻区域的两幅照片内，需要有重合区域，而在这个重合区域内，至少出现一个编码点4，这样才能利用这个编码点4将两幅照片合成。为提高测量精度，还可以将基准尺2设置在不同的位置和角度进行拍摄，为后期计算测量点3之间的距离参数提供更全面、更准确的依据。

在拍摄过程中，可以使用多台数字摄影测量系统5同时进行拍摄，这样既可以节约时间，又能降低单台设备因数据飘移产生的误差，减少设备的搬运次数。

拍摄完成后，将数字摄影测量系统5获得的影像信息输入计算机，使用影像数字化软件将获取的数字影像信息进行拟合及解算，得到曲面上测量点3和编码点4的三维坐标值。影像数字化软件有很多，目前在逆向工程中最常用的是V-STARS软件。基本的原理是，基准尺2两端的测量点3之间的距离L₀已知，在同一幅照片中，曲面1上两个测量点3之间的距离分别为L₁、L₂、L₃...L_N，影像数字化软件通过比较L₀与L₁、L₂、L₃...L_N，得出L₁、L₂、L₃...L_N的具体的数字化的数值。为避免拍摄角度，基准尺2的摆放位置等因素可能产生的影响，对同一区域从不同角度拍摄多张照片，这样得出的数值更加准确，精度更高。而且从不同角度拍摄获得的多个测量点3之间的位置关系，也是确定测量点3之间空间位置关系的依据。以任意一个测量点3作为坐标原点，即可得出其他所有测量点3的坐标值，从而建立一个以数字摄影测量系统5所获得的精确坐标值为基准的三维坐标系O_PX_PY_PZ_P。由于数字摄影测量系统5的精度很高，可以达到(5+5L/1000)微米，所以在这个坐标系里坐标值的精确度也很高。

将三维坐标值导入，并将计算机与三维扫描仪6连通，并将三维坐标值设定为三维扫描仪的定位点，使三维扫描仪6以坐标系O_PX_PY_PZ_P为基准工作。三维扫描仪6对曲面1的轮廓进行扫描，三维扫描仪6获得曲面1上无数个点云坐标值，其中也包括测量点3和编码点4的坐标值。由于三维扫描仪6在测量坐标值方面的精度不高，一般都低于0.02+0.2L/1000mm，所以，当三维扫描仪6获得的编码点4的坐标值有所偏差时，就会被自动校正，使其符合坐标系O_PX_PY_PZ_P。

将三维扫描仪6采集的点云坐标值导入计算机，利用逆向建模软件，如vxelements软件等进行数据处理，得到最终的曲面1的轮廓模型。这样，两套测量系统获得的数据在同一个坐标系中拟合及解算，既很好地利用了数字摄影测量系统5测量精度高的特点，又发挥了三维扫描仪6能够描绘曲面1复杂轮廓的性能。利用得到的曲面1的轮廓模型可以之间进行加工，也可以将轮廓模型与使用UG、geomegic等三维建模软件设计出来的模型进行对比，为改善设计、调整加工参数等工作提供可靠的参考和依据。

Claims (3)

1.大型空间自由曲面测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

一、在曲面（1）上设置测量点（3）和编码点（4），所述测量点（3）和编码点（4）的反光率高于所述曲面（1）的反光率，设置基准尺（2），所述基准尺（2）的两端设置有测量点（3）；

二、通过数字摄影测量系统（5）对包括曲面（1）上的测量点（3）、编码点（4）和基准尺（2）上的测量点（3）进行拍摄，获取曲面（1）表面及基准尺（2）的数字影像信息，每一幅照片内包括若干个测量点（3）和至少3个编码点（4），所有照片包括所有测量点（3）的数字影像信息，且至少有两幅照片包括同一个编码点（4）的数字影像信息；

三、将数字影像信息输入计算机，使用影像数字化软件将获取的数字影像信息进行拟合及解算，得到曲面（1）上所有测量点（3）和编码点（4）的三维坐标值；

四、将测量点（3）和编码点（4）的三维坐标值导入三维扫描仪（6），并将三维坐标值设定为三维扫描仪（6）的定位点；

五、启动三维扫描仪（6），对曲面（1）的轮廓进行扫描，得到曲面（1）上的点云坐标值；

六、将点云坐标值输入计算机，利用逆向建模软件得出曲面（1）的最终轮廓形状及参数。

2.如权利要求1所述的大型空间自由曲面测量方法，其特征在于：在所述步骤二中，拍摄曲面（1）的每一个区域时，数字摄影测量系统（5）设置在不同位置，从不同角度进行多次拍摄。

3.如权利要求1所述的大型空间自由曲面测量方法，其特征在于：在所述步骤二中，同时使用多台数字摄影测量系统（5）进行拍摄。