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工業(yè)攝影測量技術(shù)的發(fā)展、用途分類、產(chǎn)品現(xiàn)狀和應(yīng)用方向

先臨課堂

2025.05.21



引言

      近年來,制造業(yè)朝著高質(zhì)量、數(shù)字化、柔性自動化的方向快速發(fā)展,為滿足外觀美觀簡潔和結(jié)構(gòu)高性能等目標(biāo),工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)品外形日趨多樣,結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越復(fù)雜,一體化成型制造工藝的采用占比不斷增加,這些趨勢對工件幾何尺寸和形狀位置的檢測精度、效率提出了越來越高的要求,尤其在面對大型工件檢測時,由于零件不便移動,現(xiàn)場測量環(huán)境的復(fù)雜性和多尺寸測量的效率要求,都對傳統(tǒng)的接觸式尺寸測量裝備提出了新挑戰(zhàn),對采用非接觸式的光學(xué)三維掃描測量儀器,進(jìn)行高效率全尺寸測量的需求也日漸增加。


      工業(yè)攝影測量是如今較為熱門的非接觸式大范圍場景測量技術(shù)之一,技術(shù)發(fā)展相對成熟,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。本期“先臨課堂”,將帶大家了解工業(yè)攝影測量技術(shù)的發(fā)展、用途分類、產(chǎn)品現(xiàn)狀和應(yīng)用方向。



PART 1 
攝影測量的定義與分類

      攝影測量【Photogrammetry】是指運用攝影機(jī)或相機(jī)組合測量被攝物體的形狀、大小、空間位置的技術(shù),起始于19世紀(jì)中葉攝影機(jī)的發(fā)明和立體視覺的發(fā)現(xiàn)。簡而言之,這項技術(shù)以攝影為工具,以測量為目的,從二維圖像中提取信息,構(gòu)建出三維模型。
攝影測量技術(shù)
攝影測量技術(shù)示意圖

      廣義上的攝影測量技術(shù),按用途可分為:地形攝影測量、非地形攝影測量;按攝影機(jī)距離被攝物體的遠(yuǎn)近可分為:航天攝影測量、航空攝影測量、地面攝影測量、近景攝影測量、顯微攝影測量等,被廣泛應(yīng)用于土地資源調(diào)查、城市規(guī)劃、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、地震勘察、資源環(huán)境監(jiān)測、海洋開發(fā)、國防、建筑、工業(yè)、文物、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
攝影測量技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

攝影測量技術(shù)應(yīng)用示意圖





PART 2
工業(yè)攝影測量的發(fā)展與應(yīng)用

      工業(yè)測量【Industrial Measurement】是指在工業(yè)生產(chǎn)、試驗和科研各環(huán)節(jié)中,為產(chǎn)品的設(shè)計、模擬、測量、放樣、仿制、仿真、質(zhì)量控制和運動狀態(tài),提供測量技術(shù)支撐的一門學(xué)科,測量內(nèi)容主要以產(chǎn)品的尺寸、位置、形狀等幾何量為主。
      傳統(tǒng)工業(yè)測量設(shè)備對于中小型工件(尺寸小于 1m),主要采用三坐標(biāo)測量儀、關(guān)節(jié)臂測量機(jī)、三維掃描儀等測量設(shè)備,基本能滿足產(chǎn)品檢測和逆向設(shè)計的精度要求。對于大型工件(尺寸大于 1m),激光跟蹤儀、經(jīng)緯儀等光學(xué)儀器的測量精度能夠滿足使用要求,但其存在測量速度慢、檢測繁瑣,人力消耗大等痛點。

傳統(tǒng)工業(yè)測量設(shè)備

傳統(tǒng)工業(yè)測量設(shè)備示意圖


      為解決這些問題,攝影測量技術(shù)逐漸被應(yīng)用到工業(yè)測量領(lǐng)域,而在與工業(yè)測量技術(shù)相結(jié)合用于產(chǎn)品尺寸質(zhì)量檢驗、過程控制中,形成了一個細(xì)分研究領(lǐng)域——工業(yè)攝影測量。


      傳統(tǒng)工業(yè)攝影測量產(chǎn)品主要是通過在物體的表面及周圍放置編碼點和標(biāo)志點,利用高分辨率相機(jī)從不同的角度和位置對物體進(jìn)行拍攝,得到一定數(shù)量的照片,然后將拍攝的照片導(dǎo)入到軟件中自動計算出編碼點和標(biāo)記點的空間位置信息。這些文件可導(dǎo)入到三維數(shù)據(jù)采集軟件中,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行完整三維尺寸數(shù)據(jù)的獲取。

傳統(tǒng)工業(yè)攝影測量產(chǎn)品


      如同計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展推動了攝影測量進(jìn)入數(shù)字時代的一樣,計算機(jī)視覺、儀器儀表、傳感器、機(jī)器人、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展,也為工業(yè)攝影測量技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。

      近年來,創(chuàng)新方案不斷涌現(xiàn),尤其是高精度三維掃描+工業(yè)攝影測量的結(jié)合,以其精準(zhǔn)、全面、高效的三維數(shù)據(jù)獲取能力,嵌入工業(yè)制造的大尺寸產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計、質(zhì)量控制、智能制造等關(guān)鍵環(huán)節(jié),直擊應(yīng)用需求及用戶痛點,提升檢測效率和準(zhǔn)確度,為眾多行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提升與生產(chǎn)自動化改造提供有力支持。





PART 
三維掃描為什么需要用到攝影測量?

      三維掃描是一種集光、機(jī)、電和算法技術(shù)于一體的三維立體視覺光學(xué)測量技術(shù),主要用于對物體空間結(jié)構(gòu)、外觀尺寸和色彩紋理進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取,獲得物體表面的空間坐標(biāo)集(點云信息)、色彩信息等。與工業(yè)攝影測量技術(shù)的目的相同,都是將現(xiàn)實環(huán)境里的實物立體信息轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能直接處理的帶有精準(zhǔn)尺寸信息的數(shù)字3D模型。
多線激光三維掃描技術(shù)

多線激光三維掃描技術(shù)示意圖


      三維數(shù)據(jù)是通過標(biāo)志點、特征或者紋理進(jìn)行拼接而成。在拼接過程中,會存在一定的誤差,雖然可以通過各項算法優(yōu)化,但是在大體積物體(幾米-幾十米)的掃描中,隨著拼接次數(shù)增加,精度誤差也會不斷累積。
 
      為降低累計誤差,可以將高精度三維掃描工業(yè)攝影測量技術(shù)相結(jié)合(在三維掃描中也叫全局?jǐn)z影測量),以高精度手持式3D掃描儀高效率獲取帶標(biāo)志點的被測零件的密集點云信息,以攝影測量設(shè)備,通過多角度拍攝布置在零件周圍的標(biāo)尺和零件表面的標(biāo)志點,在軟件里形成一個高精度的標(biāo)志點和編碼點框架兩個數(shù)據(jù)結(jié)合使用控制大尺寸物體三維掃描的全局精度。

高精度三維掃描結(jié)合工業(yè)攝影測量技術(shù)應(yīng)用

應(yīng)用示意圖





PART 4
不同產(chǎn)品方案的差異對比


01


傳統(tǒng)方案:獨立工業(yè)攝影測量系統(tǒng)



獨立工業(yè)攝影測量系統(tǒng)

系統(tǒng)組成

專業(yè)相機(jī):相機(jī)在攝影測量系統(tǒng)中主要起到圖像獲取的作用。

測量標(biāo)尺:標(biāo)尺的主要作用是控制采集數(shù)據(jù)的整體尺寸。

編碼點:由一個中心點和周圍的環(huán)狀編碼組成,每個點有自己的編號;測量軟件可通過圖像分析出被測物體上編碼點的坐標(biāo)、法向以及編號。

標(biāo)志點:幫助系統(tǒng)進(jìn)行匹配和定位,提高掃描的準(zhǔn)確性和重建的精度。

測量軟件:用于分析圖像及相關(guān)參考點,計算出各個參考點的三維坐標(biāo)。

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系統(tǒng)優(yōu)勢

大范圍:非接觸式測量,采集范圍從數(shù)米到幾十米量級,適用于大型或超大型工件的外形尺寸測量;

高精度:采用高分辨率相機(jī)、高精度測量標(biāo)尺、磁性編碼點,并搭載先進(jìn)的軟件算法,保證全局尺寸測量精度水平;

操作簡單:使用相機(jī)對準(zhǔn)被測量物體進(jìn)行拍攝即可,沒有復(fù)雜的專業(yè)操作與設(shè)置;

適用性強(qiáng):設(shè)備輕便,不受環(huán)境和測量范圍限制,復(fù)雜情況下亦可執(zhí)行測量作業(yè);

兼容性強(qiáng):輸出的文件是由標(biāo)記點和編碼點的三維坐標(biāo)信息構(gòu)成,可以直接導(dǎo)入主流三維數(shù)據(jù)采集軟件中作為三維掃描的框架點,有效的保證三維掃描儀在掃描大型物體時的精度。


系統(tǒng)劣勢

-需要用戶圍繞大型零件,站在多個角度,定點拍攝大量的多角度照片;

-學(xué)習(xí)成本高,需要操作人員具有豐富經(jīng)驗才能保證精度穩(wěn)定;

-傳統(tǒng)方案的攝影測量系統(tǒng)必須使用編碼點,以確定三維空間關(guān)系。但布置編碼點過程復(fù)雜,物體越大需要編碼點就越多,耗費時間久。


測量流程

以先臨天遠(yuǎn)DigiMetric 攝影測量系統(tǒng),鑄件三維檢測為例;
鑄件三維檢測


02


新型方案:內(nèi)置式工業(yè)攝影測量系統(tǒng)



內(nèi)置式工業(yè)攝影測量系統(tǒng)


方案優(yōu)勢


全局精度控制:三維掃描設(shè)備采用一體化設(shè)計,內(nèi)置攝影測量功能,一機(jī)多用,不受物體形狀限制,可高效控制大型工件三維數(shù)據(jù)全局精度。(以先臨天遠(yuǎn)FreeScan UE Pro和FreeScan Trio為例,兩款設(shè)備分別內(nèi)置雙目與三目攝影測量功能。無需使用編碼點,即可在攝影測量模式下高效地獲取準(zhǔn)確的測量結(jié)果,體積精度高達(dá)0.015 mm + 0.02 mm/m。)


高效穩(wěn)定易用:采用連續(xù)的全角度拍攝無需選取特定角度定點拍攝,測量流程簡單,即使是新手,也可拍攝得到全角度的照片,保證穩(wěn)定的精度水平。


數(shù)據(jù)實時顯示:拍攝結(jié)果實時視頻流式呈現(xiàn),可視化程度高,沒有拍攝到的角度可實時補(bǔ)充,進(jìn)一步保證全局尺寸精度水平。


操作便捷靈活:環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),對于超大型、重型工件的攝影測量,也無需移動至開闊地帶。


以高精度手持式3D掃描儀替換高分辨率單反相機(jī),集成攝影測量標(biāo)尺,無需布置編碼點,在強(qiáng)大的算法支撐下,可快速鎖定大場景目標(biāo)框架空間位置高效控制大尺寸物體三維掃描的全局精度,是先臨天遠(yuǎn)自主研發(fā)的發(fā)明專利技術(shù)。


測量流程


以先臨天遠(yuǎn)FreeScan UE Pro多功能激光手持三維掃描儀+攝影測量,直升機(jī)機(jī)身完整三維數(shù)據(jù)為例;


產(chǎn)品應(yīng)用方向


全尺寸檢測:提供了一種客觀、精密的檢測工具,通過無損、快速地捕獲對象的完整三維數(shù)據(jù),進(jìn)而實現(xiàn)高質(zhì)、高效的尺寸質(zhì)量控制,顯著降低了傳統(tǒng)測量方式中因人工操作而產(chǎn)生的誤差和成本消耗。


產(chǎn)品設(shè)計開發(fā):提供高精度三維模型數(shù)據(jù)參考,助力工程師快速準(zhǔn)確地進(jìn)行產(chǎn)品原型制作、逆向工程、設(shè)計驗證及迭代優(yōu)化,縮短產(chǎn)品設(shè)計周期,?提高設(shè)計效率和準(zhǔn)確性。


輔助智能制造:為數(shù)控加工、增材制造、一體化成型、機(jī)器人系統(tǒng)等提供準(zhǔn)確的工作數(shù)據(jù),確保制造過程的精確度和一致性,實現(xiàn)生產(chǎn)效率和良品率的雙項提升,助力工廠打造自動化、智能化、柔性化制造產(chǎn)線。


先臨三維高精度三維掃描儀