应用于大型工件检测的工业摄影测量技术，你了解多少？

引言

近年来，制造业朝着高质量方向快速发展，朝着数字化方向快速发展，朝着柔性自动化方向快速发展，为满足外观美观且简洁以及结构高性能等目标，工业产品的产品外形日渐多样，结构设计愈发复杂，一体化成型制造工艺的采用占比持续增加，这些趋势对工件几何尺寸的检测精度提出了越来越高的要求，对工件形状位置的检测精度、效率提出了越来越高的要求，尤其在面对中大型工件检测时，由于零件不便移动，现场测量环境具有复杂性，多尺寸测量存在效率要求，都对传统的接触式尺寸测量装备提出了新挑战，对采用非接触式的光学三维扫描测量仪器进行高效率全尺寸测量的需求也逐渐增加。

工业摄影测量，是如今比较热门的非接触式大范围场景测量技术当中的一个，其技术发展相对成熟，应用领域广泛。本期的“小精鹰微课堂”，会带领大家去了解与之相关的工业摄影测量技术的发展情况，用途分类这一方面，产品的现状以及应用方向。

PART 1

摄影测量的定义与分类

利用摄影机或者相机组合来针对被摄物体的形状、大小以及空间位置予以测量的技术，被称作摄影测量，它起始于19世纪中叶摄影机发明以及立体视觉被发现之时。简单来讲，这项技术把摄影当作工具，将测量当作目的，从二维图像里提取信息，进而构建出三维模型。

摄影测量技术示意图

广义范畴之内的摄影测量技术，依据用途来划分的话，能够分成：地形摄影测量，以及非地形摄影测量；要是按照摄影机同被摄物体之间距离的远近予以区分，又可以分成：航天摄影测量，还有航空摄影测量，再加上地面摄影测量，接着是近景摄影测量，最后是显微摄影测量等等，它在土地资源调查领域，城市规划领域，林业领域，农业领域，地震勘察领域，资源环境监测领域，海洋开发领域，国防领域，建筑领域，工业领域，文物领域，生物医学领域等都有着广泛的应用。

摄影测量技术应用示意图

PART 2

工业摄影测量的发展与应用

工业测量，是一门在工业生产、试验以及科研各个环节里，针对产品的设计、模拟、测量、放样、仿制、仿真、质量控制以及运动状态，去提供测量技术支撑的学科，其测量内容主要是以产品的尺寸、位置、形状等几何量作为主体的。

针对中小型处于尺寸小于1m范畴范围内的工件，传统工业测量设备主要借助三坐标测量仪、关节臂测量机、三维扫描仪等测量设备进行检测，基本上能够达成产品检测以及逆向设计所需要的精度要求。而针对尺寸大于1m的大型工件，激光跟踪仪、经纬仪等光学仪器在测量精度方面能够契合使用要求，可是这些光学仪器存在测量速度较为缓慢的情况，检测过程繁琐复杂，在检测过程当中人力消耗比较大等这样一些痛点。

传统工业测量设备示意图

逐渐地，摄影测量技术被应用到工业测量领域，以此来解决这些问题，在跟工业测量技术相结合，用于产品尺寸质量检验、过程控制时，形成了一个细分研究领域，那就是工业摄影测量。

传统工业摄影测量产品，是先在物体表面及周围放置编码点和标志点，再利用高分辨率相机，从不同角度和位置对物体拍摄，从而得到一定数量照片，接着把拍摄的照片导入软件里自动算出编码点和标记点的空间位置信息，这些文件而后可导入三维数据采集软件，在此之上获取完整三维尺寸数据。

摄影测量进入数字时代，是受到计算机技术发展推动的，就如同这般，如今计算机视觉、仪器仪表、传感器、机器人、人工智能等技术迅速发展，也给工业摄影测量技术的发展注入了新的活力。

近些年来，创新方案持续不断地涌现出来，特别是高精度三维扫描与工业摄影测量二者的结合，凭借其精准的、全面的以及高效的三维数据获取能力，嵌入到工业制造的大尺寸产品开发设计环节，嵌入到质量控制环节，嵌入到智能制造等关键环节当中，直击应用需求以及用户痛点，使得检测效率得到提升，还提升了准确度，为众多行业的产品质量提升以及生产自动化改造给予有力支持。

PART 3

三维扫描为什么需要用到摄影测量？

三维扫描是一种三维立体视觉光学测量技术，它整合了光、机、电以及算法技术，其用途主要在于针对物体空间结构、外观尺寸进而色彩纹理展开数据获取工作，以此得到物体表面的空间坐标集也就是点云信息、色彩信息等，它和工业摄影测量技术作用目的一样，都是把现实环境当中的实物立体信息转变成为计算机能够直接处理的带有精确尺寸信息的数字3D模型。

多线激光三维扫描技术示意图

标志点、特征或者纹理被用于拼接三维数据。拼接时，会有一定误差存在。虽借着各项算法能优化它，但处于大体积物体（几米 – 几十米）数据采集时，伴随拼接次数增多，精度误差将持续累积。

能把高精度三维扫描与工业摄影测量技术予以结合起来，采用这种结合的方式是为了去降低累计误差，这里的工业摄影测量技术在三维扫描里也被称作全局摄影测量，借助高精度手持式3D扫描仪能够高效率地获取到带有标志点的被测零件的密集点云信息，再利用摄影测量设备，通过从好多不同角度去拍摄布置在零件周围的标尺以及零件表面的标志点，如此在软件当中就可以形成一个高精度的标志点和编码点框架，将这个高精度的标志点和编码点框架与前面获取的带标志点的被测零件的密集点云信息这两个数据结合起来使用，其目的进而能够去控制大尺寸物体三维扫描的全局精度。

应用示意图

PART 4

不同产品方案的差异对比

01

传统方案：独立工业摄影测量系统

系统组成

专业相机：相机在摄影测量系统中主要起到图像获取的作用。

测量标尺：标尺的主要作用是控制采集数据的整体尺寸。

编码点，它是由一个中心点，以及周围的环状编码给构成的，每一个点都有属于自身的编号，测量软件能够借助图像分析得出，被测物体上编码点的坐标，还有法向，以及编号。

有这么一种点，它被称作标志点，其作用在于助力系统去开展匹配以及定位的工作，进而能够提升扫描所具备的准确性，还有重建时所拥有的精度。

可用于分析图像以及相关参考点的测量软件，能计算出各个参考点的三维坐标。

高性能便携式电脑

系统优势

针对较大范围，采用非接触式测量方式，其采集范围达到从数米直至几十米的量级，这种测量特别适合运用于大型或者超大型工件的外形尺寸测量。

高精度，采用高分辨率相机，运用高精度测量标尺，设置磁性编码点，还要搭载先进的软件算法，以此保证全局尺寸测量精度水平。

需将相机对准被测量物体来进行拍摄，操作简便，不存在复杂的专业操作以及设置。

装备便利，不受环境约束，也不受测量范围的限制，在复杂状况下，同样能够开展执行测量作业，适配应用的能力强，如此这般。

具强兼容性，所输出之文件，乃由标记点与编码点的三维坐标信息所构成，其能直接导入主流的三维数据采集软件里，作为当作三维扫描的框架点，可有效地确保三维扫描仪于扫描大型物体之际的精度。

系统劣势

首先，要求用户围绕大型零件，接着，要站在不少有别的角度，然后，进行定点拍摄，并且是大量的多角度照片。

-学习成本高，需要操作人员具有丰富经验才能保证精度稳定；

针对传统方案的摄影测量系统而言，其必然要运用编码点，以此来明确三维空间关系。然而，布置编码点这一过程繁杂，物体越大，所需的编码点数量便越多，所耗费的时间也会较久。

测量流程

以先临天远 摄影测量系统，铸件三维检测为例；

02

新型方案：内置式工业摄影测量系统

方案优势

先临天远UE Pro与Trio这两款三维扫描设备呈现一体化设计，内置摄影测量功能，能凭借于此从而实现一机多用，也正因如此才能达成不受物体形状限制的操作条件，并通过这般特性高效控制大型工件三维数据全局精度，其中UE Pro内置双目摄影测量功能，Trio内置三目摄影测量功能，在摄影测量模式当中，不需使用编码点就能高效获取准确测量结果，其体积精度高达0.015 mm + 0.02 mm/m。

采用连续的全角度拍摄，无需选取特定角度定点拍摄，这样测量流程简单。这里呢，哪怕是新手，也能够拍摄得到全角度的照片，进而保证稳定的精度水平，呈现出高效稳定易用的特性。

数据进行实时显示，拍摄结果以实时视频的方式呈现出来呈流式，可视化程度很高，对于没有拍摄到的角度能够实时补充，从而进一步保证全部尺度的精度处于一种水平状态。

具备操作便捷灵活的特性，因其拥有很强的环境适应性，所以在针对超大型工件进行摄影测量时不需要移动至开阔地带，并且在针对重型工件进行摄影测量时同样不需要移动至开阔地带。

先临天远凭借自身能力，自主研发出一项发明专利技术，该技术利用高精度手持式3D扫描仪去替换高分辨率单反相机，并且集成了摄影测量标尺，还无需布置编码点，其在强大算法的支撑之下，能够快速锁定大场景目标框架的空间位置，与此同时还能高效控制大尺寸物体三维扫描的全局精度，其作用显著，优势突出。

测量流程

以先临天远UE Pro多功能激光手持三维扫描仪，加上，摄影测量，直升机机身完整三维数据，作为例子。

产品应用方向

全尺寸检测，提供了一种检测工具，该工具客观且精密，它通过无损且快速地捕获对象的完整三维数据，进而实现高质又高效的尺寸质量控制，显著降低了传统测量方式里因人工操作而产生的误差以及成本消耗。

专门针对产品设计开发，能够提供高精度三维模型数据作为参考依据，以此助力工程师在针对产品原型制作时，快速且准确地完成，在逆向工程方面，也能够快速且准确地着手开展，对于设计验证环节，同样可以快速且准确地进行，包括迭代优化过程，也都能快速且准确地达成，最终实现缩短产品设计周期的目的，进而提高设计效率以及准确性。

给予数控加工、增材制造、一体化成型、机器人系统等精确工作数据，以此保证制造过程的精确度与一致性来助力智能制造，切实达成生产效率与良品率的双重提升，进而帮助工厂构建自动化、智能化、柔性化制造生产线。