DACS-PM数字工业摄影测量方案

1. 系统简介

数字工业摄影测量系统是一种用于产品外形高精度检测的工业测量系统，具有高自动化、高精度、高效率、高灵活性等特点，近年来在各行业各领域的应用愈来愈广泛。

DACS-PM（Dimensional & Accuracy Control System-Photogrammetry）系统具有以下特点：

（1）测量精度、自动化程度、测量效率高。

（2）兼容国外同类系统的定向棒、编码标志。

（3）编码标志容量由240增至496，极大地扩展了系统的测量范围。

（4）所有软、硬件均为自主研制，具有完全自主知识产权。

（5）针对用户特殊测量需求，提供优质、完善的技术服务，而非单纯的产品销售。

（6）软件功能完善，除具备摄影测量软件所有功能外，还具备尺寸精度检查、形位误差检查、数模对比检查等多种功能。

2. 系统构成

2.1 硬件组成

DACS-PM系统选用Canon 5D Mark II、Nikon D800、D900等高端单反相机作为图像传感器，装配环形闪光灯和定焦镜头，经特殊改造并作适当加固以增强相机结构的稳定性。

系统点位相对测量精度约为1/8万~1/12万。

图1 Canon 5D Mark II相机

测量标志点和编码标志均采用高性能回光反射材料加工而成，定向靶和基准尺利用碳纤维材料加工，以确保其稳定性，如图2所示。

图2 测量标志及附件

2.2 DACS-PM软件

DACS-PM软件主要由图像处理、像片自动概略定向、像点自动匹配、自检校光束法平差、三维数据显示、参数设置等功能模块构成，具有自定义数据输入、输出接口，测量点三维坐标可直接导出为文本文件或自定义格式供其他软件使用。

2.2.1 软件主界面

DACS-PM软件主界面由左、右视图组成，左侧为测量数据树形管理视图，右侧为各类数据的详细信息，如图3所示。在管理视图中选择相应数据节点，则右侧视图自动切换为该数据详细信息。状态栏显示相机型号、像片数、定向靶及编码标志类型等信息。

图3 软件主界面

软件涉及的测量数据包括4类：相机参数、像片、测量点和基准尺，各类数据均可进行添加、删除、导入、导出等交互操作。为保证存取速度，所有数据均以文件方式存储和管理。

2.2.2. 图像处理模块

图像处理模块主要实现像点自动识别与定位、定向靶与编码标志识别、像点交互操作、单张像片定向及反算像点等功能。该模块可自动扫描所有像片，识别标志点并计算其中心坐标，识别定向靶和编码标志，并根据定向靶等已知坐标点计算单张像片的摄站参数。

图像处理界面显示单张像片及其像点等信息，可调节图像的显示亮度以便于操作，并可使用弹出式图像放大镜按不同放大倍数浏览图像细节（图4）。在该界面中可进行像点改名、删除、半自动识别定位等交互操作，并可利用已知物方点坐标自动确定其在该像片上的对应像点。

图4 图像处理界面像片概略定向模块

概略定向模块利用已知点（定向靶、编码标志及已匹配测量点）实现所有像片自动概略定向。在定向对话框中（图5），可查看各像片的像点数、像点坐标残差及定向状态，并实时显示已定向像片数、已计算坐标的物方点数以及平差相关信息。

图5 像片定向对话框

2.2.3. 像点自动匹配模块

像点匹配模块利用已知点（定向靶、编码标志）实现普通测量点的自动匹配及其三维坐标初值计算。在匹配对话框中（图6），可实时查看匹配数据及匹配结果统计信息，包括像片、像点、已知点、已匹配像点、已匹配物方点数量以及计算时间等，并实时显示当前操作及处理进度。

图6 像点匹配对话框

2.2.4. 自检校光束法平差模块

在自检校光束法平差对话框中（图7），主要显示像片、物方点及基准尺统计信息、平差状态信息以及物方点坐标精度估计值等。像片、物方点及基准尺均依据其像点数、精度估计值等信息进行质量评价，分为良好、较差、很差等不同质量等级，便于用户对其进行统计和管理。在相应详细信息对话框中，可查看各像片、物方点对应每一像点的坐标残差，并对其予以禁用或删除。在该对话框中，可选择是否在平差中检校相机，并设置平差参数，如大迭代次数、收敛条件等。

图7 自检校光束法平差对话框

2.2.5. 三维数据显示模块

在三维数据显示界面，可直观地查看各测量点及摄站信息（图8）。该模块除具有基本的旋转、平移、缩放等交互功能外，还可对测量点进行改名、删除等操作，并可利用快捷键调节测量点、摄站及坐标轴等元素的显示尺寸。

图8 三维数据显示界面

2.2.6. 参数设置模块

参数设置模块用于设置测量基本参数和平差参数（图9），其中基本参数包括像点扫描、像点检验、定向靶与编码标志识别、空间前方交会、空间后方交会以及像点匹配等算法涉及的参数值；平差参数包括迭代次数、收敛条件、粗差检测及物方点与像片质量评价等参数。

图9 参数设置对话框

DACS-PM软件具有良好的兼容性，除专用定向靶和编码标志外，同时兼容国外同类系统的测量标志，在参数设置模块可选择标志类型。

2.2.7. 分析软件功能（重点）

? 可实时进行现场三维坐标测量，并自动记录、显示； 

? 可自由设置基准轴、基准面，生成坐标系，并且可互相转换。具备局部坐标系生成功能。

?? 可导入三维CAD模型并显示，并可对CAD模型进行编辑处理。点、线、面、形体等的三维显示； 

? 拟合功能，跟据三维坐标拟合计算标准形状并给出点位偏差； 

? 空间几何要素、形位误差、三维姿态的求解与分析； 

? 自由曲面的测量数据与CAD设计模型偏差计算。

? 依据设计数据对空间目标实现三维放线、放样； 

? 各种测量数据、空间分析结果的预定义和自定义报表输出与管理； 

? 可进行模拟预拼装分析、模拟搭载分析。

? 建立测量数据及分析数据库，可对各流程的数据进行存储查询统计，便于追溯整理质量分析。

? 软件可根据用户需求定制开发，满足客户工作要求。并可指导配合用户进行二次开发。

3. 关键技术

DACS-PM系统解决了高精度数字工业摄影测量涉及的一系列关键技术，主要包括：

（1） 高性能测量标志及附件的设计、加工：包括测量标志点、基准尺、定向靶、编码标志等；

（2） 高精度相机检校技术：采用自主研发的相机组合检校技术，可对数码相机进行精确检校，大幅提高测量精度；

（3） 高精度、快速数字图像处理技术：采用自主研发的图像处理算法，可快速、准确提取标志点图像中心坐标，精度达到0.02像素；

（4） 像片快速、自动定向技术：自主研发了基于4个非共线控制点的单张像片定向算法和基于定向靶、编码标志的多张像片定向算法，可实现大量像片的快速、自动定向；

（5） 像点自动、准确匹配技术：自主研发了基于核面约束和已知点的像点匹配算法，可实现大量密集像点的自动、准确匹配；

（6） 自检校光束法平差快速解算技术：利用逐点法化消元算法，可直接组建平差法方程式，大幅提高平差计算速度；

（7） DACS-PM数字工业摄影测量软件集成。