大尺寸物體測量方法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

摘 要：隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對測量要求越來越高，尤其是大尺寸的目標(biāo)測量，一般要求其測量范圍大、測量精度高或者需要實現(xiàn)動態(tài)測量。文章針對大尺寸物體的尺寸測量問題，研究了國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，對如今接觸式測量和非接觸式測量的技術(shù)做了簡單介紹，較詳盡地描述了非接觸式測量中的視覺測量。

關(guān)鍵詞：大尺寸；尺寸測量；視覺測量

1 概述

由于經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代化工業(yè)對大尺寸物體測量需求日益升高，例如鑄造行業(yè)、鋼鐵企業(yè)、船舶與航天企業(yè)等，大尺寸物體的測量逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點。如今國內(nèi)外較傳統(tǒng)成熟的測量方法主要分為兩類，接觸式測量和非接觸式測量。主要包括計算機視覺測量技術(shù)、超聲波測量、激光測量、室內(nèi)全球定位系統(tǒng)等測量技術(shù)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

首先接觸式測量中，超聲波測量中接觸式測厚儀由主機和探頭兩部分組成，在被測物體內(nèi)應(yīng)用超聲波脈沖的反射原理進行[1]。該方法雖然成本較低但精度容易受影響，例如測量物體表面不光滑、環(huán)境溫度偏高等都容易影響測量精度。典型的接觸式測量還有三坐標(biāo)測量機，測量時測量機的測頭接觸被測工件，系統(tǒng)自動記錄被測量點的三圍坐標(biāo)信息，進而根據(jù)多個空間點坐標(biāo)信息計算出被測物體幾何尺寸或者位置等[2]。該方法雖然精度較高但滿足不了實時性無法實現(xiàn)動態(tài)測量。激光跟蹤測量系統(tǒng)根據(jù)目鏡返回的光束來實現(xiàn)動態(tài)測量目標(biāo)的距離[3]。該方法效率及成本都較高，并且激光也極易受周圍大氣溫度等的影響。

非接觸式測量有很多種，例如射線法、激光法、結(jié)構(gòu)光測量法、視覺測量法、漏磁法等。文獻[4]應(yīng)用了漏磁法，漏磁法對被測物體的材質(zhì)要求較高，一般要求物體能夠被磁化。X射線本質(zhì)上其實是一種電磁波，其對環(huán)境有較高的適應(yīng)能力，文獻[5]便將射線法應(yīng)用于鋼板尺寸的測量。國外研究領(lǐng)域，法國Mensi公司生產(chǎn)的掃描儀可以輕松實現(xiàn)被測物的三維重構(gòu)，Mensi S25利用了平面三角法[6]。結(jié)構(gòu)光三維測量方面如德國GOM公司的ATOS三維掃描儀為工業(yè)測量提供了一種非接觸式的三維光學(xué)測量。文獻[7]基于結(jié)構(gòu)光光柵投影，利用傅里葉變換輪廓測定法來實現(xiàn)三維物體形狀的自動測量。測厚儀器的研究方面如德國 IMS 公司提供的X射線測厚儀是一種以X射線為載體的非接觸式厚度測量系統(tǒng)，在未接觸條件下對帶鋼的厚度完成測量，測量精度高達1‰。并且在全世界第一次成功地把軋機的厚度測量和速度測量系統(tǒng)緊湊地裝在一個測量框架上，厚度測量系統(tǒng)采用IMS公司單一通道X光測厚裝置，速度測量采用VLM 200 SD裝置，在許多軋機上成功使用[8]。CCD測寬方面如加拿大KELK公司的ACCUBAND系列測寬儀[9]性能較好，該儀表用兩個線陣CCD的攝像頭看帶鋼。帶鋼的每個邊緣都能被兩個攝像頭從不同的角度看到。用帶鋼邊緣在CCD陣列上的圖像和攝像頭到測量區(qū)域的幾何關(guān)系可以計算出兩個邊緣的橫向和垂直方向的位置，進而得出帶鋼寬度。

除此之外，非接觸式測量中視覺測量技術(shù)迅速發(fā)展和逐漸成熟，越來越普遍與受重視，它廣泛應(yīng)用在航天、工業(yè)、軍事、醫(yī)療等各個行業(yè)。計算機視覺指的是利用攝像機等各種成像系統(tǒng)來代替人眼和大腦，需要對獲取的圖像做進一步處理，對獲取的目標(biāo)進行識別等工作，最終使得計算機能夠像人一樣能夠觀察和識別各種物體。典型的計算機視覺測量技術(shù)主要包括雙目立體視覺、單目視覺以及基于結(jié)構(gòu)光的視覺測量。基于雙目立體視覺的尺寸測量問題，對外形不規(guī)則的大尺寸物體測量十分有效，首先需要提取目標(biāo)物體特征點，進一步特征點進行匹配，然后通過對三維點的重建來實現(xiàn)被測物體的尺寸測量[10]。Shinichi Goto[11]等提出了結(jié)合雙目立體視覺與運動視覺的一種三維測量方法，提高了三維視覺的測量精度。單目視覺測量領(lǐng)域中，一個相機所拍攝的一張圖像往往無法包含整個待測物體，此時需要多個攝像機拍攝多張圖像，終究屬于單目測量，但需要進一步將多副圖像拼接為一副完整圖像。1965年計算機圖形學(xué)創(chuàng)始人Ivan Suthutherland最先提出了全景圖像拼接這一課題。文獻[12]提出了基于投影的測量拼接方法，該方法利用基于隨機抽樣一致性算法，將不同區(qū)域的局部三維數(shù)據(jù)進行拼接，最終得到完整待測鋼板的三圍數(shù)據(jù)信息，進而測得物體尺寸。文獻[13]采用了一種基于坐標(biāo)變換的拼接方法，將多幅有重疊部分的圖像變換到同一坐標(biāo)系下實現(xiàn)圖像拼接，然后在拼接圖像上提取待測目標(biāo)特征進而對其尺寸加以測量。

參考文獻

[1]杜裕平.超聲波測厚義精確測量鋼板厚度的方法[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013，13：52-54.

[2]仇谷烽，余景池，等.接觸式三坐標(biāo)測量自由曲面輪廓的數(shù)據(jù)處理模型[J].光學(xué)精密工程，2013，21（11）：2813-2819.

[3]馬強，閆勇剛，等.激光跟蹤測量系統(tǒng)校驗及在三維測量中的應(yīng)用[J].中國測試技術(shù)，2006，32（2）：27-28.

[4]左建勇，顏國正，等.漏磁場法測量鋼板厚度的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2003.

[5]彭帥軍，王凱，等.射線檢測技術(shù)在鋼鐵尺寸測量中的應(yīng)用[J].無損檢測，2007，29（11）：679-681.

[6]李宗春，馮其強.Mensi激光掃描儀精度測試方法研究[J].信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，2009，43.

[7]Mitsuo Takeda， Kazuhiro Mutoh. Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes[J]. Applied Optics. 1983，22（24）：3977-3982.

[8]蘇鴻英.德國IMS公司開發(fā)出來的軋制厚度和速度測量一體化的測量系統(tǒng)[J].有色金屬，2002，9.

[9]ACCUBAND測寬儀C965-A和B型 V6.0版用戶手冊[Z].

[10]全燕鳴，黎淑梅，等.基于雙目視覺的工件尺寸在機三維測量[J].光學(xué)精密工程，2013，21（4）：1054-1060.

[11]GOTO，Yamashita，Kawanishi，et. 3D environment measurement using binocular stereo and motion stereo by mobile robot with omnidirectional stereo camera. 2011 IEEE International Conference on Computer Vision Workshops，Barcelona，Spain，2011：296-303.

[12]史金龍，錢強，等.大尺度鋼板的三維測量和拼接[J].光學(xué)精密工程，2014，22（5）：1165-1170.

[13]陳海林，熊芝，等.大尺寸工件視覺測量中的圖像拼接方法[J].計算機測量與控制，2015，23（2）：523-525.

作者簡介：韋飛云（1990，9-），女，漢，籍貫：河北滄州，碩士研究生，單位：沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，計算機軟件與理論專業(yè)，研究方向：圖像處理與分析技術(shù)。