大连中远海运重工有限公司 辽宁大连 116113
摘要：船舶建造是项复杂而精密的制造工程，在数字化生产高速发展的潮流下，数字化造船技术成为造船产业提高效率和效益的重要保障，这主要包括数字化设计、数字化制造和数字化管理，其发展趋势为三维化、虚拟化和协同化。建造和精度控制分析也需要高效可靠的技术手段支持，精度控制测量的三维可视化是描述与分析测量数据、深入挖掘空间信息特征的有效工具。
关键词：数字化造船；工业测量；精度控制
1结构光测量
1.1结构光视觉的方法及原理
结构光三维视觉运用最多的是基于光学三角法的原理。结构光视觉传感器是由结构光投射器和摄像机构成。结构光投射器将包含信息的结构光向被测物体投射，构造特征。使用不同模式的结构光投射，得到的可视特征也不相同。摄像机采集被测物表面上的可视特征，传输到计算机中进行图像处理，最后可以解算出可视特征的精确空间三维坐标。
根据结构光的模式不同，结构光视觉传感器分为点结构光视觉传感器、线结构光视觉传感器和多线结构光视觉传感器等多种。
当采用面结构光时，只需将一幅包含二维信息的结构光图案投射到物体上，这样不需进行扫描整个物体就可以测量三维信息，测量速度快，其中运用最普遍的是将光栅条纹投影到物体表面。
此系统由一个CCD摄像机和一个成角度布置的DLP投影仪构成，测量时，一组光强呈正弦分布的光栅图像由DLP投影仪发出并投射到被测物体上，与此同时CCD摄像机拍摄经被测物体表面调制而变形的光栅图案；将获取到的光栅图像依据相位计算方法得到绝对相位值；最后根据预先标定的系统参数或相位-高度映射关系从绝对相位值计算出被测物体表面的三维点云数据。
对于相位测量的方法主要包括：莫尔轮廓术、时域相位测量轮廓术、空域相位测量轮廓术和傅里叶变换轮廓术。
（1）莫尔轮廓术
其测量原理是将被测表面调制过的图像与基准光栅进行对比，通过对比到的莫尔图样画出物体的等高线，接着计算出测件的表面轮廓三维信息。假如根据基准光栅图案计算出X，Y平面的尺寸信息，然后利用公式计算出该条纹离开基准光栅的实际距离，添加物体实际高度就可得到物体的三维尺寸信息。莫尔轮廓术的特点是结构原理简单、测量精度较高，但是制造工艺对光栅的面积有限制，因此该方法仅仅运用于小物体的测量。
（2）时域相位测量轮廓术
每将光栅移动其周期的1/N，就会产生一个新的变形光栅，获取N帧（N≥3）变形光栅像，这类方法叫做移相法，由于是在时间轴上的逐点运算，因此该方法又被叫做时域相位测量轮廓术（TimePhaseMeasure-mentProfilometry，缩写为TPMP）。
移相法是在时间轴上的逐点运算，因此低调制点容易分离，某一点的变化不会引起其他点上的影响。相对来说，该方法的计算量较少，对于光栅的尺寸没有很高的要求，使用较粗的光栅便能具有很高的灵敏度。除此之外，这种方法具有一定抗静态噪声的能力。在轮廓测量方法中移相法是最好的方法，算法最成熟最可靠，并且已运用于实际产品之中。尽管为了精确移动光栅，系统的复杂性不得不提升，对于不能测量多幅图像的场景对该方法也有限制，但是移相法仍然是首先考虑的方法。
（3）空域相位测量轮廓术
空域相位测量轮廓术（SpacePhaseMeasurementProfilometry，缩写为SPMP）仅通过一幅干涉图来计算相位信息，该方法的精度相较于时域相位测量轮廓术较低。
（4）傅里叶变换轮廓术
傅里叶变换轮廓术的基本原理是对结构光场通过傅里叶变换、滤波、逆傅里叶变换的顺序来解调相位信息。傅氏变换法同样是利用单幅干涉图来计算相位信息，无需移动光栅，降低了系统的结构复杂性。
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2现场测量实施方案
2.1测量断面里程设定
设定20m的初期支护断面作为三维激光扫描仪的待测里程范围，在上述里程范围内设定5m为一个断面作为全站仪的测量的特征断面。
2.2特征标靶点设定
特征标靶点按顺序对称贴于待测段表面，共设定4个，间距为5m，用钢筋或胶水固定。
2.3全站仪设定
为了避免全站仪后视引起的误差，利用同一台全站仪进行特征标靶点的坐标测量及对比的特征断面的断面测量，从设站开始至测量完成，全站仪都由同一组人员进行操作，整个过程中保证全站仪不发生移动。
2.4三维激光扫描仪设定
用不同型号的三组三维激光扫描仪分别对待测的初期支护里程进行扫描测量，三维激光扫描仪位置在全站仪前后15m左右。三组激光扫描仪均架设在同一位置，且标靶球的架设高度与扫描仪的架设高度基本相同。
2.5单组数据测量步骤及现场测量实施情况
单组数据测量步骤：全站仪进行特征标靶点坐标测量及特征断面测量→全站仪测量标靶球坐标→三维激光扫描仪进行测量→全站仪再次复核测量特征标靶点坐标。现场测量实施情况：第一组数据测量时空气质量较好，后视的标靶球4个；第二、三组数据测量时空气质量一般，后视的标靶球2个。
3不同的测量精度方法的误差还有办法
（1）不同的测量方法有着不同的优点和不足之处：
（a）激光三角法通过激光器作为结构光的照明光源，投射激光到物体表面，由于物体表面形状的不同产生不同的反射，相机从另外一个角度采集被测物体表面反射的光斑，通过测量随着被测物沿激光轴线移动而产生的位移量以及角度等参数，根据三角测量公式可以推算出被测物的尺寸信息。该方法的主要优点有：具有大的偏置距离与大的测量范围，对待测表面要求较低，系统搭建简单，抗环境光的干扰能力强，但是无法满足全场测量。
（b）近年来基于编码的结构光法的应用尤为广泛，其中以光栅投影的应用最为突出，通过使用DLP投影仪投射一组光栅图像至被测物体表面，并用CCD摄像机同时拍摄经被测物体表面后变形的光栅图案；然后利用经过被测物表面后光栅图像，根据相位计算方法推算出光栅图像的绝对相位值；接着依据标定的相位-高度映射关系推算出被测物体表面的三维尺寸信息。相位测量法优点是：可以实现全场的测量，测量精度比较高，测量速度比较快。
（c）双目立体视觉法是将两台相机以一定间距
一定角度摆放，通过这两台相机对同一物体进行采集图像，利用同一物点在不同图像上的对应成像点计算匹配的像对得到视差，最后恢复目标物体的深度信息。双目立体视觉测量主要包括：相机标定，图像获取，图像预处理，特征点提取和图像匹配。双目立体视觉优点有：视界范围较大，系统结构简单易于搭建，但是图像匹配的计算量较大，对于弱纹理表面的物体测量精度较低。
（2）目前学者对于三维视觉测量系统的研究热点在于提高测量的精度（标定方法的改进，匹配算法的优化以及带有补偿的测量系统等）以及扩大测量的视场等。
（3）目前视觉测量往往不局限于一种方法，将两种方法结合起来测量便可以结合两者的优点。目前应用于实际最多的是将编码结构光与双目立体视觉相结合，编码结构光能够赋予一些弱纹理或者光滑零件表面一些特征点，从而较传统的双目立体视觉具有更高的测量精度和更快的测量速度。
结束语：
针对数字化造船精度控制测量中三维可视化分析问题，提出适合船舶精度控制应用的三维可视化分析理论与方法，包括船台测量坐标系的建立方法和基于精密工业测量空间坐标转换理论的精密空间分析理论与方法，用于解决设计对比分析、模拟搭载和余量分析等船舶建造精度控制三维可视化分析问题。
参考文献：
[1]张国辉.基于三维激光扫描仪的变形监测[J].辽宁工程技术大学测绘学院，2009（05）.
[2]陈家璧.铁路隧道断面激光测量方法研究[J].电子科技大学学报，2009（02）.
论文作者:孙晓
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/17
标签：测量论文; 相位论文; 光栅论文; 物体论文; 结构论文; 轮廓论文; 方法论文; 《防护工程》2019年11期论文;