数字摄影测量仪

引 言工业测量是指在工业生产、试验和科研各环节中，为产品的设计、模拟、测量、放样、仿制、仿真、质量控制和运动状态，提供测量技术支撑的一门学科[1]。本文中的工业测量是指尺寸、位置、形状等几何量的测量。摄影测量学是通过影像研究信息的获取、处理、提取和成果表达的一门信息科学，通常利用摄影或遥感的手段获取被测物体的影像，研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质和相互关系，起始于19世纪中叶摄影机的发明和立体视觉的发现。工业摄影测量是工业测量与摄影测量技术与学科发展相结合而形成的一个细分研究领域，既可以看作是摄影测量学科的一个分支，也可以看作一个交叉学科，如图 1所示。图1 工业摄影测量与工业测量和摄影测量学科的关系由于摄影测量具有非接触、自动处理等特点，为传统工业测量提供了新方法和新技术，尤其是在智能化、自动化发展的大趋势下，以摄影测量方法为主的光学测量受到越来越广泛的重视 另一方面，由于工业测量涉及的被测物体范围广、差异大，为工业摄影测量提出了许多传统航空摄影测量方法难以直接解决的问题，而且工业测量与仪器仪表、电子电路、光学、传感器、机器人等领域联系密切，因此工业测量的需求与行业背景，也为工业摄影测量技术提供了新的创新动力。传统工业测量主要是使用三坐标测量机等传统工业测量仪器对零件进行少量人工抽检，或者用专门研制的检具对单一型号的零件进行全检。随着生产模式的变革，工业品的种类型号日益增多，客户对产品的品质要求日益增长，对工业测量技术带来了更大的挑战，在线、自动化、智能化的工业测量技术成为迫切需求。文献[2]指出工业几何量测量的核心任务是保证测量结果具有溯源性，实现产品质量状态精准高效地获取、测量数据管理、分析及后续应用等。文献[3]介绍了若干种传统的工业测量技术，其中也包括摄影测量技术。文献[4-5]介绍了多种工业摄影测量设备及其各自适合的应用场景。总体来说，没有任何一种工业测量技术可以解决所有类型工业品的测量问题，但是可以通过对工业品特点的分类，设计出几种通用的方案来解决大部分工业测量问题，也使工业测量装备在一定程度上适应柔性化生产。工业摄影测量由于其自身具有非接触、高效率、自动化等特点，很早就在工业测量领域发挥作用。随着工业生产朝着自动化、智能化方向发展以及国家智能制造战略的实施，工业摄影测量技术在工业测量领域中处于越来越重要的地位。如同计算机技术的发展推动了数字摄影测量技术的快速发展一样，仪器仪表、传感器、机器人、电子电路、芯片等技术的发展，也为工业摄影测量技术的发展注入了新的活力，因此工业摄影测量技术也迎来了最好的发展时机，近年来各种创新技术不断涌现，各种应用越来越广泛，显现出勃勃生机。1 工业摄影测量的发展现状1.1工业测量发展现状工业测量作为工业体系的基础支撑技术，目前有多种工业测量技术和设备在工业测量领域被广泛采用。每种技术设备都有其优点，但是又没有一种工业测量技术设备能够满足所有的工业测量需求，因此目前是多种工业测量技术共存的局面。下面对目前最先进的并且广泛应用的几种工业测量技术和设备进行简单介绍。(1) 三坐标测量机。三坐标测量机是传统通用三维坐标测量仪器的代表，通过测头沿导轨的直线运动来实现精确的坐标测量。它的优点是测量精确、通用性好 其不足是属于接触式测量方式，不易对准特征点，对测量环境要求高、不便携、测量范围小[6]。由于其超高精度，毫无疑问三坐标测量机目前仍然是工业测量领域应用最广泛的产品之一。由于其接触式测量等缺点，在一定程度上限制了其在自动化在线检测领域的应用。(2) 关节臂测量机。关节臂测量机是一种便携式测量仪器，对空间不同位置待测点进行接触测量，实际上是模拟了人手臂的运动方式。仪器由测量臂、码盘、测头等组成，各关节之间的测量臂的长度是固定的，测量臂之间的转角通过光栅编码度盘实时得到，最终通过空间支导线的原理实现三维坐标的测量功能。(3) 激光跟踪仪。激光跟踪仪采用球坐标测量系统，其测量原理与全站仪一样，仅仅是测距方式的不同，激光跟踪仪的测距方式是单频激光干涉测距，其精度可以达到16 μm±0.8 μm/m。Leica公司在1990年推出了第一代商用激光跟踪仪，美国的API公司和FARO公司随后推出了各自的类似产品。由于干涉法距离测量的精度高、测量速度快，因此激光跟踪仪测量性能和精度要优于全站仪。在大空间高精度工业测量领域，激光跟踪仪具有显著优势[7]。与三坐标测量仪使用的红宝石测球(图 2(a))类似，激光跟踪仪主要使用的是全反射测球(图 2(b))来进行测量，从技术原理上都属于接触式测量。接触式测量的缺点是，会对被测物体表面产生应力(某些情况下是不可忽略的)，并且每接触一次只能获取一个点的坐标，测量效率低。近年来，尽管也发展出了非接触式末端测量工具，其中三坐标测量机和关节臂测量机可以使用单线激光扫描头(图 2(c))，而激光跟踪仪可以使用带有靶标点的跟踪式单线激光扫描头(图 2(d))，从技术原理上属于机械式测量和摄影测量的结合，但其激光线范围较小、测量效率仍然较低。而在自动化在线检测方面，三坐标测量机体积大且依赖恒温恒湿环境，关节臂测量机依赖于人的协作运动，激光跟踪仪在跟踪丢失后需要人工干预，故三者均难以胜任。图2 接触式和非接触式末端测量工具1.2工业摄影测量发展现状除了三坐标测量机、关节臂测量机、激光跟踪仪等传统工业测量技术和设备之外，摄影测量技术和方法在工业测量领域也发挥了重要作用，典型的工业摄影测量技术和产品包括：标志点工业摄影测量系统、结构光测量系统等，下面对这些技术进行详细介绍。根据摄影测量的定义，本文将以下利用相机进行几何量测量的测量系统，纳入到工业摄影测量的范畴。1.2.1 标志点工业摄影测量系统标志点工业摄影测量系统的工作原理是，首先在被测物体表面粘贴一定数量的均匀分布的标志点，然后在不同的位置和方向获取被测物体的数字图像(至少两幅)，经过计算机图像匹配等处理及相关摄影测量计算后得到标志点精确的三维坐标。标志点工业摄影测量系统一般分为单台相机的脱机测量系统、多台相机的联机测量系统，它们均具有精度高、非接触测量和便携等特点。由于要在物体表面粘贴标志点，所以这类系统一般用于大型工业构件的曲面控制测量、装配测量等方面，很少用于在线测量领域。1.2.2 结构光测量系统常用的结构光测量系统是线结构光测量系统和面结构光测量系统。线结构光测量系统仅投射出一条激光线，光切面与物体相截为一条曲线，曲线投影到影像上，基于三角法测量原理，可以计算出该曲线上所有点的三维坐标。由于该系统每次只能测量一条曲线上的数据，因此要测量完整的物体表面需要利用机械位移机构带动光束在物体表面移动来实现扫描测量。面结构光测量通过投射带有编码信息的特殊光场，如光栅、空间编码模板等，实现物体表面投影测量。基于光栅投影的结构光测量系统，具体过程是将光栅投影到物体表面，然后利用一个或两个CCD相机观测投射条纹得到变形的光栅条纹图像，对光栅条纹图像进行解码可以实现图像对应，从而可以交会计算得到被测物体的三维空间坐标。基于该原理形成的工业测量产品包括3D相机、固定拍照式三维扫描仪等。1.3工业摄影测量的特点尽管近年来激光雷达扫描(LiDAR)、多视角立体匹配(multi-view stereo，MVS)、飞行时间法3D相机(time of flight，TOF)等新兴技术发展迅猛，成为了摄影测量领域的主要技术手段，但是由于其精度难以满足工业测量的需求，故而始终未能进入工业摄影测量领域。精度是工业测量的首要问题之一，人工目标往往比自然目标具有更高的图像定位精度，通过人工标志点可以在较大的范围内获取最高的摄影测量精度，而在较小的范围内，结构光测量系统可以发挥其静态多频相位观测带来的精度提升作用。除了精度外，实时测量、动态测量、无人工测量等也是工业测量的典型特征。工业摄影测量是利用摄影测量的技术和方法来解决工业测量的问题，因此具有非常鲜明的摄影测量的特点，比如：(1) 非接触式测量。工业摄影测量在获取影像时不需要接触目标本身，不会破坏物体本身固有属性，而且可以在一些不适宜人类进入的场所进行测量。(2) 可以瞬间记录被测物体的大量信息，包括几何信息和物理信息[8]。对于获取的信息进行实时处理，可以快速获得三维空间数据。(3) 数据自动处理。随着数字摄影测量技术的发展，摄影测量数据处理算法可以实现自动处理。(4) 随着电子电路、传感器等技术的发展，摄影仪器生产技术得到提高，测量精度不断提高。(5) 随着计算机视觉领域的新算法、新方法的引入，数字(工业)摄影测量的理论和方法也在不断完善[9]。由于以上特点的存在，工业摄影测量在工业测量领域受到越来越多的关注和越来越广泛的应用。尤其是在自动化、智能化等行业发展趋势的推动下，近年来工业摄影测量技术得到迅猛的发展。2 工业摄影测量技术重要进展一方面，随着现代工业的发展，尤其是以数字制造为核心的先进制造技术的迅猛发展，对工业摄影测量技术提出新的要求。另一方面，随着传感器、计算机、电子信息、图像处理、机器人、人工智能等技术的快速发展，工业摄影测量也与电子信息、测试计量技术与仪器、计算机视觉、机器人、人工智能等多个相关学科交叉融合，进入了快速发展的新阶段。工业测量的核心问题是精度和效率，工业零部件在设计阶段就确定了每个几何特征的公差，公差的大小决定了工业测量精度的下限，也是保证不同零部件之间可以装配成功的最低要求。在规定的测量精度范围内，尽可能地提高测量效率，是工业用户不断追求的目标。提高效率从使用角度可以体现在，节省测量前的准备时间、节省测量时的操作时间、节省测量后的处理时间，从技术角度又可以表现为实时性强(时间短)、便捷性好(易操作)、自动化程度高(省人工)以及智能化程度高(干预少)。2.1实时性集影像信息获取、处理和成果表达(输出)于一体，一步完成的摄影测量，称之为实时摄影测量[10]。它能够在影像信息获取的同时，以足够快的速度进行信息处理和成果输出。实时摄影测量的研究与应用一直是工业摄影测量的主要发展方向[11]。现代工业的发展，更是对测量的实时性提出更加迫切的需求。工业摄影测量的实时性，要求“所测即所得”，数据获取、数据处理和结果呈现同步完成，因此对测量设备和算法提出很高的要求。针对实时性的要求，笔者设计实现了一款工业级三维手持扫描测量系统，其原理如图 3所示：首先，在工业零件上或者零件周围布设一定数量的标志点，然后手持数据采集设备对工业零件进行数据采集，在数据采集的同时进行解算，并把结果传到电脑上实时呈现。该设备非常便携，即拿即测，结果实时获得。图3 工业级三维手持扫描测量原理与系统由图 3可以看到，这套工业级三维手持扫描测量系统包括两个工业相机和一套激光器。其中两个同步的工业相机，分辨率500万像素，相机拍照频率最高可达75 Hz，激光器最多同时发出17束激光线，每秒最多可采集210万个三维点，满足实时摄影测量的需求。扫描测量系统在移动过程中，激光器投射线激光，工业相机获取激光线的图像然后传到电脑上进行解析处理，获取三维数据并实时显示在电脑屏幕上。由于要达到实时处理，在下一帧数据传输之前，必须完成前一帧数据的全部处理，并更新屏幕上的结果显示。这里的数据处理包括标志点提取与定位、传感器位置姿态计算、激光线提取与三维坐标解算、三维数据的拼接与融合等，其中数据融合是有别于传统摄影测量的新方法，它基于Hasp Map体素模型进行三维重建[12-13]，可以从含有大量噪声的原始测量点中提取出更高精度的三维点(如图 3(c)、3(d))。这里，工件上面粘贴标志点的作用是在扫描测量系统移动过程中确定扫描测量系统的位置和姿态。该系统中为了实现实时处理，采取的主要措施包括：(1) 使用全局快门的CMOS图像传感器[14]。摄影测量中常用的单反相机，通常都是滚动快门(或称卷帘快门)，它们的像素是逐行曝光的，在静态摄影中可能不会有问题，但是在动态摄影中会产生拖影，不利于摄影测量解算，而全局快门的CMOS中所有的像素都是同时曝光的，适合于实时动态的摄影测量场景。(2) 超短曝光时间的光照技术。在动态测量中曝光时间通常小于1/1000 s才能忽略运动模糊，使用回光反射的玻璃微珠材质制作的反光标志点[15]，当作摄影测量中的控制点或加密点，进行相机的定位，反光标志点可以在极短的曝光时间内在图像中呈清晰明亮的像。(3) CPU和GPU协同工作的加速算法。在实时摄影测量中，把图像加工为三维网格，需要经过畸变纠正、特征提取、特征匹配、平差、点云去噪、融合、构网等算法，每一种算法通过拆解细分，把不同的步骤分别部署到CPU或GPU上，最大效率地利用计算资源。(4) 实时渲染技术。实时计算生成的三维网格会随着扫描的时间而逐步增大，可以增加到几百万乃至几千万三角形，而每一帧图像只影响局部范围，通过局部增、删、改三维数据，并利用OpenGL顶点缓冲区技术，实现实时三维网格渲染。2.2便捷性上一节介绍的工业级三维手持扫描测量技术需要在工业零件表面或者周围粘贴标志点，这在一些特殊环境下难以适用，因此本文进一步对上述技术进行改进。工业零件表面或者周围粘贴标志点的作用是对扫描装置进行定位定姿，如果不粘贴标志点，就需要其他的定位定姿方法。在本文中提出了两种新的定位定姿方法，一种是通过增加全局控制的光学跟踪装置 一种是将标志点贴在周围的墙上然后进行反向定位。2.2.1 光学跟踪全局定位为了避免在被测物体表面贴标志点，笔者设计了光学跟踪全局定位扫描测量系统。如图 4(a)所示，该系统在数据扫描装置之外增加光学跟踪装置，二者配合工作。在扫描测量过程中，光学跟踪装置时刻观测数据扫描装置，通过数据扫描装置上的标志点实时获取数据扫描装置的位置和姿态，从而实现三维扫描数据的实时拼接融合，如图 4(b)所示。由图 4中可以看到，光学跟踪装置由双目立体视觉系统组成，在数据扫描装置外围布设了标志点框架，这样在其移动测量的过程中，光学跟踪装置实时跟踪观测数据扫描装置周围的标志点，从而对数据扫描装置进行实时定位定姿，最终将数据扫描装置获取的数据整合到统一的坐标系下，实现数据的自动实时拼接和融合。该系统不需要在被测物体表面贴标志点，可以“即拿即测”，便捷性大大提高。图4 光学跟踪全局定位扫描测量系统2.2.2标志点反向定位标志点反向定位的原理如图 5所示。图 5(a)是传统的物体表面贴点扫描测量方式，该方式通过标志点的识别定位对扫描仪进行定位定姿 图 5(b)是标志点反向定位扫描测量方式，在这种方法下标志点不是贴在物体上，而是贴在周围固定不动的墙壁上或其他结构物上。同时在扫描仪上加装了第三台定位相机，只要定位相机能够观测到周围墙上或其他结构物上的标志点即可对扫描仪进行反向定位定姿，实现所有数据的坐标系统一和自动拼接。标志点反向定位与航空摄影测量中的后方交会是同样的原理[16-17]。图5 标志点反向定位2.3自动化和智能化现代工业的发展，对工业测量的自动化、智能化水平提出了更高的要求。本文在上述手持式三维扫描测量设备的基础上，集成机器人、控制系统等硬件以及路径自动规划等软件算法，实现了自动化、智能化的工业摄影测量系统，如图 6所示。图6 自动化、智能化工业摄影测量系统本文实现的自动化智能化工业摄影测量系统包括工业测量传感器(扫描头+跟踪器)、机器人、控制系统、路径自动规划软件、测量数据后处理软件、机械工装等部分。其工作流程如图 7所示，首先根据被测工件的CAD数据，路径自动规划软件对机器人行走路径进行规划设计[18]，这项工作对于同一批工件只做一次 在具体测量过程中，机器人自动按照规划设计的路径行走，一边行走一边进行扫描测量 扫描结束，数据传给测量数据后处理软件进行处理，包括自动和CAD设计数据进行比对，自动出检测报告等，如果需要还会做出是否为合格品等判断并输出结果 对所有的工件进行扫描测量、后处理等整个自动化测量过程，直到结束。图7 自动化、智能化工业摄影测量系统工作流程2.4市场应用上述技术和设备为工业测量提供了新的方法和成熟的解决方案，通过典型终端客户验证了新技术可以替代传统的测量方式，提高了工业领域决策者的信心。自动化、智能化三维测量装备面向大部分工业制造行业，不仅可以用于在线测量，而且可以实现柔性检测，促进了传统工业测量检测工艺的进步。目前本文研制成果已在汽车白车身、新能源汽车电池盒、发动机、铁路扣件、无砟轨道板、隧道管片等的在线自动化检测方面得到成功应用，通过进一步推广，可极大地提升汽车制造、轨道交通、航空航天等高端智能制造领域的自动化测量与检测水平，每年可为各类型企业创造可观的经济价值。高精度智能在线自动三维测量系统，有助于制造企业转型升级为高标准、高质量、柔性化、数字化的“智慧工厂”建设。3 工业摄影测量的主要应用方向工业摄影测量技术应用于工业设计、加工、检测等各个阶段[19]，应用场景非常广泛、处理对象也千差万别。本文结合技术发展方向和趋势对其最主要的几个应用方向进行归纳介绍，包括逆向工程、质量检测、辅助智能制造。3.1逆向工程逆向工程(reverse engineering，RE)也称为反求工程，是指在缺少设计图纸和文档的情况下对产品进行复制的一种技术[20]。逆向工程作为获取零件设计加工数据最快捷的方式，具有高效率、低费用的特点，能极大缩短工业产品的研发周期[21]。近年来，随着科技的进步，逆向工程技术发展迅速，已广泛应用于汽车、航空航天、医学、文物修复等领域。工业摄影测量技术的快速发展使其成为逆向工程中数据采集的重要手段，下面以燃气轮机为例，介绍工业摄影测量技术在逆向工程中的应用。燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品，也被称为“制造业皇冠上的明珠”[22]，如图 8(a)、图 8(b)所示。作为高科技的载体，燃气轮机代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平，是21世纪的先导技术。燃气轮机主要由压气机、燃烧室、涡轮三部分组成，内部包括叶片等零部件，整体结构复杂，共计47个零件。燃气轮机对逆向精度要求极高，本次要逆向的燃气轮机长约4.5 m，要求单个零件逆向精度在0.1 mm以内，整体逆向精度在0.3 mm以内。逆向后还需进行虚拟装配，保证整体零部件符合设备工作原理。图8 燃气轮机逆向工程采用上一节介绍的工业级三维手持扫描仪对燃气轮机进行逆向。首先，利用工业级三维手持扫描仪获取了燃气轮机模型的三维表面数据，如图 8(c)所示。三维手持扫描仪在采集模型三维数据的同时进行了数据优化、去燥和精简等处理，因此提供的数据质量比较高，可以直接用于模型重建。模型重建在UG软件中完成[23]，利用UG的数字编辑模块和强大的曲面造型功能重建燃气轮机曲面。采用混合曲面造型方式，先对数据进行面轮廓线特征创建，在特征线的基础上，利用UG强大的Though Curve Mesh命令，将调整好的曲线编制成光顺曲面，得到了燃气轮机的重建曲面，并且由于Though Curve Mesh可以控制四周曲面边界的曲率，因而构成的曲面质量更光顺，贴合STL数据精度也更高。曲面重建结果如图 8(d)所示。在完成曲面重建后，对重建曲面的光顺性和精度进行了分析评估，如图 8(e)所示。最后，在重建的燃气轮机模型的光顺性和精度都满足要求的条件下进行了虚拟装配，最终验证了逆向成果的正确性和可靠性，如图 8(f)所示。在该逆向过程中，采用先进的工业摄影测量技术，很好地克服了燃气轮机零件繁多、模型复杂、相互遮挡严重等问题，使得三维测量的效率大大提高，比传统接触式测量的效率提升5倍以上。3.2质量检测产品的几何特征在质量检验中占有重要地位，90%的质量检验都与几何形状参数有关[24]。几何量检测是一项基础性强、应用面广的质量检测类别。在工业生产中，机械产品的质量与零件的加工精度和装配精度有关，而加工和装配的高精度需要通过高精度的工业测量技术得以保证。例如，一辆汽车有数千个零件，由数百家工厂生产，如果没有高精度的工业测量技术作保证，是难以装配成功的。工业摄影测量已经在汽车制造业、零部件质量控制和整机装配等环节的在线检测中得到广泛采用[25-26]。下面以新能源汽车电池盒检测为例进行详细介绍。近年来，新能源汽车受到越来越多消费者的青睐。作为动力电池的主要载体，电池盒是新能源汽车必备的安全结构件，对承载、固定和保护电池组起着关键作用。电池盒的尺寸一般从1.0 m至2.5 m不等，主体结构分为上盖和下壳体，由于装配的需求，其表面分布了几百个圆孔等特征。电池盒的质量检测要求测量所有圆孔圆槽的位置公差、小铸件平面的轮廓误差、部分平面的平面度等，测量精度要求在0.1 mm以内，另外测量检测效率要求能够跟上生产效率，一般是在5~7 min之内。目前测量电池盒外形尺寸及安装孔位主要依靠三坐标接触式测量，效率不理想，难以满足生产需求。由于产量巨大，因此通过自动化在线检测来替代人工操作是基本需求。针对以上要求，以文中介绍的技术成果为基础设计了一套专门针对电池盒的自动在线测量检测系统，如图 9所示。该系统包括扫描测量仪、跟踪器、机器人、滑轨、电控等部件，通过软件实现自动路径规划、自动数据采集、自动数据处理、自动出报告等功能。图9 电池盒自动化检测系统当电池盒进入待检区后，只需按下机柜启动键，机器人即携3D扫描仪按规划路径开始扫描测量，直至测完整个工件，然后自动与CAD设计数据比对并出具PDF格式的检测报告，如图 10所示。整个过程实现了无人化的测量与检测。图10 检测结果报告除了新能源汽车电池盒，相关技术还应用到汽车白车身、高铁轨道板等部件的检测(图 11)、铁路弹条扣件在生产线上的自动化尺寸检测(图 12)等，取得了良好的经济效益和社会效益。图11 汽车白车身与高铁轨道板检测图12 铁路弹条扣件在线自动化检测3.3辅助智能制造在智能制造中，有很多场景需要借助工业摄影测量技术，才能实现自动、智能、柔性制造。比如，对于一些铸件毛坯的自动打磨，需要测量铸件毛坯的表面模型，才能进行打磨机器人路径规划，实现自动打磨 对于焊接，需要提前测量焊缝实际空间位置，才能规划焊接路径 对喷漆和涂胶等应用，也需要对物体首先进行表面测量，才能规划机器人路径实现自动柔性工作等[27]。可以说，工业摄影测量技术在智能制造的过程中能够发挥重要作用。另外，打磨、抛光、喷涂、焊接等工作都是高危险高污染的行业，迫切需要专门设备自动化完成。下面以鞋模打磨为例详细介绍工业摄影测量技术辅助智能制造。在制鞋过程的早期，需要对鞋模进行打磨，适当提升表面粗糙度便于后期涂胶粘贴更加牢固。如图 13所示，是一个工业摄影测量技术辅助鞋模打磨的设备，该设备能够实现机器人自动三维扫描、机器人自动打磨。具体工作流程是，在初期工位首先利用工业摄影测量技术对鞋模进行表面扫描测量，然后根据获取的

随着现代工业的发展和进步，特别是在一些高精度加工产业，传统的检测手段已远远不能满足生产的需要。机器视觉测量技术是一种基于光学成像、数字图像处理、计算机图形学的无接触的测量方式，测量范围更广，测量精度和效率更高，成为先进制造中的宠儿。机器视觉系统核心功能包括识别、测量、定位、检测等，能够自动测量产品的外观尺寸，比如外形轮廓、孔径、高度、面积等尺寸的测量；还可用于外观缺陷检测，例如汽车零部件、新能源动力电池表面缺陷检测等。据了解，全球机器视觉市场规模约122亿美元，国内机器视觉市场规模约164亿元；中国正成为世界机器视觉发展最活跃的地区之一，应用范围几乎涵盖国民经济各个领域，其中工业领域是机器视觉应用比重最大的领域。为帮助广大工业用户了解国内机器视觉检测技术发展与应用现状，仪器信息网将于2022年10月20-21日举办首届“精密测量与先进制造”主题网络研讨会，特邀天津大学精密仪器及光电子工程学院邾继贵院长、合肥工业大学卢荣胜教授分享主题报告。点击图片直达会议页面天津大学精密仪器及光电子工程学院 邾继贵院长《工业视觉技术进展及装备应用》（点击报名）邾继贵，博士，天津大学教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，精密测试技术及仪器国家重点实验室主任。 一直从事计量测试技术及仪器专业的科研教学工作，创新性地研究了基于激光技术、计算机视觉和精密测量理论的新型测量原理、方法及其工程应用，在流水线制造在线测量、大型装备制造现场测量领域研发了高性能测量系统及装备，成功解决了一些重点行业领域内测量新难题。 获得国家技术发明二等奖2项、教育部技术发明一等奖1项、天津市科技进步特等奖1项、天津市技术发明一等奖1项，发表学术论文100余篇。报告摘要：视觉信息作为一种大容量、高冗余的信息类型在工业制造领域发挥着重要作用。视觉检测技术是实现制造过程在线测量的最重要方法，随着制造工艺技术的不断发展，在线测量参数类型愈加丰富，测量精度不断提升，视觉检测技术也在不断演化发展过程中。报告分析了视觉检测新技术方法及趋势，结合汽车制造新工艺需求，展示了最新的工业视觉检测装备及其体系化应用。合肥工业大学 卢荣胜教授《视觉在线测量与检测技术》（点击报名）卢荣胜，博士，合肥工业大学教授，博士生导师，获国务院政府特殊津贴专家称号。现任无锡维度机器视觉产业技术研究院院长、董事长，安徽省计量测试学会理事长。1998年获合肥工业大学精密仪器专业博士学位，1998-2000天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室博士后流动站博士后，三维机器视觉技术研究。2001-2006年在香港城市大学、英国Imperial College London、University of Huddersfield从事机器视觉与光学测量技术研究工作。2006年5月回合肥工业大学任教。主要研究方向：机器视觉与光学精密测量技术。主持国家重大科学仪器应用与开发专项、重点研发计划、国家科技支撑计划、国家863专项、国家自然科学基金等项目10余项。已表发表论文200余篇，专著2本，获发明专利20余项，培养硕士和博士研究生100余人。报告摘要：机器视觉在线测量与检测技术在先进制造领域具有广阔的应用前景。在先进制造过程中，机器视觉技术能够取代人工，快速高效地执行测量、检测、识别、定位与引导等任务，如对产线上的零部件进行视觉定位，实现产品外形轮廓三维测量和表面缺陷检测，字符、条码读取，产品分类和分组，引导机械手进行无序抓取、焊接、装配、码垛和拆垛等。 本报告以先进制造领域产品零部件在线三维测量与缺陷检测为应用背景，系统性地介绍视觉在线测量与检测技术的基本原理、系统组成架构、系统集成中的共性关键技术，如视觉照明、高分辨率成像、分布式并行图像处理等技术。并以外观缺陷在线检测和三维视觉引导机械手无序抓取为例，阐述机器视觉在线测量与检测技术的实现过程。 报告还展示了近十几年来，我们在国家重大科学仪器设备开发与应用专项、国家重点研发计划等项目的资助下的研究与开发成果。此外，摄影测量是一门通过分析记录在胶片或电子载体上的影像来确定被测物体的位置、外形和尺寸的科学，属于测绘学的分支学科。数字摄影测量能在较短时间内获得被测物体关键点的三维信息，从而实现物体的三维数字化建模，尤其适用于大型繁杂工件的三维检测，具有非接触、自动处理等特点，为传统工业测量提供了新方法和新技术，尤其是在智能化、自动化发展的大趋势下，应用前景越来越广阔。本届“精密测量与先进制造”主题网络研讨会特邀武汉大学郑顺义分享《工业摄影测量技术研究及应用》主题报告。武汉大学 郑顺义教授《工业摄影测量技术研究及应用》（点击报名）郑顺义，工学博士，二级教授，博士生导师。任职于武汉大学遥感学院，长期从事数字摄影测量、计算机视觉、虚拟现实等方面研究，成果突出。授权专利100多项，发表论文120多篇，指导博士硕士研究生100多人。先后获得国家测绘科技进步奖一等奖，美国摄影测量与遥感协会戴维森主席奖和波音奖等奖励。报告摘要：在制造业朝着自动化、柔性化、智能化发展的潮流中，传统的工业测量技术难以同时胜任高精度、高效率、高便捷性的要求，本报告提出以工业摄影测量技术为基础的测量系统，其具有实时性、便捷性、自动化和智能化的特点，获取的高质量的三维数据，可用于逆向工程、质量检测、辅助智能制造等典型工业应用场景。同时介绍了该测量系统的技术路线，从硬件设计、算法优化等方面提出了见解。扫码报名抢位指导单位：中国计量测试学会主办单位：仪器信息网协办单位：上海大学会议日程报告时间报告主题报告人单位职务10月20日上午09:30-10:00工业视觉技术进展及装备应用邾继贵天津大学精密仪器及光电子工程学院院长10:00-10:30激光跟踪仪精密测量技术与应用周维虎中国科学院微电子研究所主任/研究员10:30-11:00激光回馈精密测量技术新进展张书练清华大学教授11:00-11:30待定胡鹏程哈尔滨工业大学长聘教授10月20日下午14:00-14:3020年来齿轮测量技术的发展石照耀北京工业大学长江学者特聘教授14:30-15:00基于波长移相技术的光学平行平板轮廓和厚度信息测量技术于瀛洁上海大学机电工程与自动化学院院长15:00-15:30视觉在线测量与检测技术卢荣胜合肥工业大学教授15:30-16:00面向智能制造的全过程、全样本、全场景测量李明上海大学教授10月21日上午09:00-09:30工业摄影测量技术研究及应用郑顺义武汉大学教授09:30-10:00装备空间运动误差被动跟踪测量方法与仪器娄志峰大连理工大学副教授10:00-10:30差分珐珀激光干涉微位移计量及应用研究崔建军中国计量科学研究院课题组长/副研究员10:30-11:00面向先进制造过程的在线计量技术研究赵子越中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所高级工程师

产品名称：几何尺寸测量仪产品品牌：EVM-G系列产品简介：本系列是一款高精度影像测量仪，结合传统光学与影像技术并配备功能完备的2.5D测量软件。可将以往用肉眼在传统显微镜下观察到的影像传输到电脑中作各种量测，并将测量结果存入电脑中以便日后存档或发送电子邮件。其操作简单、性价比高、精确度高、测量方便、功能齐全、稳定可靠。适用于产品检测、工程开发、品质管理。在机械加工、精密电子、模具制造、塑料橡胶、五金零件等行业都有广泛使用。产品参数：u 变焦镜筒：采用光学变焦物镜，光学放大倍率0.7X~4.5X，视频总放大倍率40X~400X连续可调，物方视场：10.6-1.6mm，按客户要求选配不同倍率物镜。u 摄像机：配备低照度SONY机芯1/3′彩色CCD摄像机，图像表面纹理清晰，轮廓层次分明，保证拥有高品质的测量画面。可以升级选配1/2′CMOS130万像素摄像机。u 底座：仪器底座采用高精度天然花岗石，稳定性高，硬度高，不易变形。u 光栅尺：仪器平台带有高精度光栅尺（X,Y,Z三轴），解析度为0.001mm。Z轴通过二次聚焦可实现对沟槽、盲孔的深度进行测量。u 光源：采用长寿命LED环形冷光源（表面光及底光），使工件表面照明均匀，边缘清晰，亮度可调。u 导轨：双层工作平台设计，配备高精度滚动导轨，精度高，移动平稳轻松。u 丝杆：X,Y轴工作台均使用无牙光杆摩擦传动，避免了丝杆传动的间隙，灵敏度大大提高，亦可切换快速移动，提高工作效率。 工作台仪器型号EVM-1510GEVM-2010GEVM-2515GEVM-3020GEVM-4030G金属台尺寸(mm)354×228404×228450×280500×330606×466玻璃台尺寸(mm)210×160260×160306×196350×280450×350运动行程(mm)150×100200×100250×150300×200400×300仪器重量(kg)100110120140240外型尺寸L*W*H756×540×860670×660×950720×950×1020 影像测量仪是建立在CCD数位影像的基础上，依托于计算机屏幕测量技术和空间几何运算的强大软件能力而产生的。计算机在安装上专用控制与图形测量软件后，变成了具有软件灵魂的测量大脑，是整个设备的主体。它能快速读取光学尺的位移数值，通过建立在空间几何基础上的软件模块运算，瞬间得出所要的结果；并在屏幕上产生图形，供操作员进行图影对照，从而能够直观地分辨测量结果可能存在的偏差。影像测量仪是一种由高解析度CCD彩色镜头、连续变倍物镜、彩色显示器、视频十字线显示器、精密光栅尺、多功能数据处理器、数据测量软件与高精密工作台结构组成的高精度光学影像测量仪器。仪器特点采用彩色CCD摄像机；变焦距物镜与十字线发生器作为测量瞄准系统；由二维平面工作台、光栅尺与数据箱组成数字测量及数据处理系统；仪器具有多种数据处理、显示、输入、输出功能，特别是工件摆正功能非常实用；与电脑连接后，采用专门测量软件可对测量图形进行处理。仪器适用于以二维平面测量为目的的一切应用领域。这些领域有：机械、电子、模具、注塑、五金、橡胶、低压电器，磁性材料、精密五金、精密冲压、接插件、连接器、端子、手机、家电、计算机（电脑）、液晶电视(LCD)、印刷电路板（线路板、PCB）、汽车、医疗器械、钟表、螺丝、弹簧、仪器仪表、齿轮、凸轮、螺纹、半径样板、螺纹样板、电线电缆、刀具、轴承、筛网、试验筛、水泥筛、网板（钢网、SMT模板）等。ISO国际标准编辑影响影像测量仪精度的因素主要有精度指示、结构原理、测量方法、日常不注意维护等。 中国1994年实行了国际《坐标测量的验收检测和复检测量》的实施。具体内容如下：第1部分：测量线性尺寸的坐标测量机 第2部分：配置转台轴线为第四轴的坐标测量机 第3部分：扫描测量型坐标测量机 第4部分：多探针探测系统的坐标测量机 第5部分：计算高斯辅助要素的误差评定。 在测量空间的任意7种不同的方位，测量一组5种尺寸的量块，每种量块长度分别测量3次所有测量结果必须在规定的MPEE值范围内。允许探测误差(MPEP)：25点测量精密标准球，探测点分布均匀。允许探测误差MPEP值为所有测量半径的值。ISO 10360-3 (2000) “配置转台轴线为第四轴的坐标测量机” ：对于配备了转台的测量机来说，测量机的测量误差在这部分进行了定义。主要包含三个指标：径向四轴误差(FR)、切向四轴误差(FT)、轴向四轴误差(FA)。ISO 10360-4 (2003) “扫描测量型坐标测量机” ：这个部分适用于具有连续扫描功能的坐标测量机。它描述了在扫描模式下的测量误差。大多数测量机制造商定义了"在THP情况下的空间扫描探测误差"。在THP之外，标准还定义了在THN、TLP和TLN情况下的扫描探测误差。 沿标准球上4条确定的路径进行扫描。允许扫描探测误差MPETHP值为所有扫描半径的差值。THP说明了沿已知路径在密度的点上的扫描特性。注：THP的说明必须包括总的测量时间，例如：THP = 1.5um (扫描时间是72 秒)。ISO 10360-4 进一步说明了以下各项定义：TLP: 沿已知路径，以低密度点的方式扫描。THN: 沿未知路径，以高密度点的方式扫描。TLN: 沿未知路径，以低密度点的方式扫描。几何尺寸测量仪工作原理影像测量仪是基于机器视觉的自动边缘提取、自动理匹、自动对焦、测量合成、影像合成等人工智能技术，具有点哪走哪自动测量、CNC走位自动测量、自动学习批量测量的功能，影像地图目标指引，全视场鹰眼放大等优异的功能。同时，基于机器视觉与微米精确控制下的自动对焦过程，可以满足清晰影像下辅助测量需要，亦可加入触点测头完成坐标测量。支持空间坐标旋转的优异软件性能，可在工件随意放置或使用夹具的情况下进行批量测量与SPC结果分类。全自动影像测量仪编辑全自动影像测量仪，是在数字化影像测量仪(又名CNC影像仪)基础上发展起来的人工智能型现代光学非接触测量仪器。其承续了数字化仪器优异的运动精度与运动操控性能，融合机器视觉软件的设计灵性，属于当今最前沿的光学尺寸检测设备。全自动影像测量仪能够便捷而快速进行三维坐标扫描测量与SPC结果分类，满足现代制造业对尺寸检测日益突出的要求：更高速、更便捷、更的测量需要，解决制造业发展中又一个瓶颈技术。全自动影像测量仪是影像测量技术的高级阶段，具有高度智能化与自动化特点。其优异的软硬件性能让坐标尺寸测量变得便捷而惬意，拥有基于机器视觉与过程控制的自动学习功能，依托数字化仪器高速而的微米级走位，可将测量过程的路径，对焦、选点、功能切换、人工修正、灯光匹配等操作过程自学并记忆。全自动影像测量仪可以轻松学会操作员的所有实操过程，结合其自动对焦和区域搜寻、目标锁定、边缘提取、理匹选点的模糊运算实现人工智能，可自动修正由工件差异和走位差别导致的偏移实现精确选点，具有高精度重复性。从而使操作人员从疲劳的精确目视对位，频繁选点、重复走位、功能切换等单调操作和日益繁重的待测任务中解脱出来，成百倍地提高工件批测效率,满足工业抽检与大批量检测需要。全自动影像测量仪具有人工测量、CNC扫描测量、自动学习测量三种方式，并可将三种方式的模块叠加进行复合测量。可扫描生成鸟瞰影像地图，实现点哪走哪的全屏目标牵引，测量结果生成图形与影像地图图影同步，可点击图形自动回位、全屏鹰眼放大。可对任意被测尺寸通过标件实测修正造影成像误差，并对其进行标定，从而提高关键数据的批测精度。全自动影像测量仪有着友好的人机界面，支持多重选择和学习修正。全自动影像测量仪性能使其在各种精密电子、晶圆科技、刀具、塑胶、弹簧、冲压件、接插件、模具、军工、二维抄数、绘图、工程开发、五金塑胶、PCB板、导电橡胶、粉末冶金、螺丝、钟表零件、手机、医药工业、光纤器件、汽车工程、航天航空、高等院校、科研院所等领域具有广泛运用空间。选购方法编辑有许多客户都在为如何挑选影像测量仪的型号品牌所困扰，其实最担心就是影像测量仪的质量和售后。国内影像测量仪的生产商大部分都集中在广东地区，研发的软件功能大部分相似，客户可以不用担心，挑选一款能够满足需要测量的产品行程就行了。根据需要来选择要不要自动或者手动，手动的就比较便宜，全自动的大概要比手动贵一倍左右。挑选影像测量仪最重要看显像是不是清晰，以及精度是否达标(一般精度选择标准为公差带全距的1/3~1/8)。将所能捕捉到的图象通过数据线传输到电脑的数据采集卡中，之后由软件在电脑显示器上成像，由操作人员用鼠标在电脑上进行快速的测量。有的生产商为了节约成本可能会采用国产的，造价比较低，效果就稍微差点。常见故障及原因编辑故障1)蓝屏；2)主机和光栅尺、数据转换盒接触不良造成无数据显示；3)透射、表面光源不亮；4)二次元打不开；5)全自动影像测量仪开机找不到原点或无法运动。原因由于返厂维修周期长，价格昂贵，最重要的是耽误了客户的正常的工作。造成问题出现的原因很多，但无外乎以下原因：1)操作软件文件丢失或CCD视频线接触不良；2)光栅尺或数据转换盒损坏；3)电源板损坏；4)加密狗损坏或影像测量仪软件操作系统崩溃。以上问题可能是只出现一个，也有可能几个问题一起出现。软件种类编辑二次元测量仪软件在国内市场中种类比较多，从功能上划分主要有以下两种：　　二次元测量仪测量软件与基本影像仪测量软件类似，其功能特点主要以十字线感应取点，功能比较简单，对一般简单的产品二维尺寸测量都可以满足，无需进行像素校正即可直接进行检测，但对使用人员的操作上要求比较高，认为判断误差影响比较大，在早期二次元测量软件中使用广泛。　　2.5D影像测量仪在影像测量领域我们经常可以听到二次元、2.5次元、三次元等各种不同的概念，所谓的二次元即为二维尺寸检测仪器，2.5次元在影像测量领域中是在二维与三维之间的一种测量解决方案，定义是在二次元影像测量仪的基础上多加光学影像和接触探针测量功能，在测量二维平面长宽角度等尺寸外如果需要进行光学辅助测高的话提供了一个比较好的解决方案。仪器优点编辑1、装配2个可调的光源系统，不仅观测到工件轮廓，而且对于不透明的工件的表面形状也可以测量。2、使用冷光源系统，可以避免容易变形的工件在测量是因为热而变形所产生的误差。3、工件可以随意放置。4、仪器操作容易掌握。5、测量方便，只需要用鼠标操作。6、Z轴方向加探针传感器后可以做2.5D的测量。测量功能编辑1、多点测量点、线、圆、孤、椭圆、矩形，提高测量精度；2、组合测量、中心点构造、交点构造，线构造、圆构造、角度构造；3、坐标平移和坐标摆正，提高测量效率；4、聚集指令，同一种工件批量测量更加方便快捷，提高测量效率；5、测量数据直接输入到AutoCAD中，成为完整的工程图；6、测量数据可输入到Excel或Word中，进行统计分析，可割出简单的Xbar-S管制图，求出Ca等各种参数；7、多种语言界面切换；8、记录用户程序、编辑指令、教导执行；9、大地图导航功能、刀模具专用立体旋转灯、3D扫描系统、快速自动对焦、自动变倍镜头；10、可选购接触式探针测量,软件可以自由实现探针/影像相互转换，用于接触式测量不规则的产品,如椭圆、弧度 、平面度等尺寸；也可以直接用探针打点然后导入到逆向工程软件做进一步处理！11、影像测量仪还可以检测圆形物体的圆度、直线度、以及弧度；12、平面度检测：通过激光测头来检测工件平面度；13、针对齿轮的专业测量功能14、针对全国各大计量院所用试验筛的专项测量功能15、图纸与实测数据的比对功能维护保养编辑1、仪器应放在清洁干燥的室内（室温20℃±5℃，湿度低于60%），避免光学零件表面污损、金属零件生锈、尘埃杂物落入运动导轨，影响仪器性能。2、仪器使用完毕，工作面应随时擦干净，再罩上防尘套。3、仪器的传动机构及运动导轨应定期上润滑油，使机构运动顺畅，保持良好的使用状态。4、工作台玻璃及油漆表面脏了，可以用中性清洁剂与清水擦干净。绝不能用有机溶剂擦拭油漆表面，否则，会使油漆表面失去光泽。5、仪器LED光源使用寿命很长，但当有灯泡烧坏时，请通知厂商，由专业人员为您更换。6、仪器精密部件，如影像系统、工作台、光学尺以及Z轴传动机构等均需精密调校，所有调节螺丝与紧固螺丝均已固定，客户请勿自行拆卸，如有问题请通知厂商解决。7、软件已对工作台与光学尺的误差进行了精确补偿，请勿自行更改。否则，会产生错误的测量结果。8、仪器所有电气接插件、一般不要拔下，如已拔掉，则必须按标记正确插回并拧紧螺丝。不正确的接插、轻则影响仪器功能，重则可能损坏系统。测量方式编辑1、物件被测面的垂直测量2、压线相切测量3、高精度大倍率测量4、轮廓影像柔和光测量5、圆及圆弧均匀取点测量精密影像测绘仪测量软件简介：绘图功能：可绘制点、线、圆、弧、样条曲线、垂直线、平行线等，并将图形输入到AutoCAD中，实现逆向工程得到1:1的工程图。自动测绘：可自动测绘如：圆、椭圆、直线、弧等图形。具有自动寻边、自动捕捉、自动成图、自动去毛边等功能，减少了人为误差。测量标注：可测量工件表面的任意几何尺寸，不同高度的角度、宽度、直径、半径、圆心距等尺寸，并可在实时影像中标注尺寸。SPC统计分析软件：提供了一系列的管制图及多种类型的图表表示方法,使品管工作更方便，大大提升了品质管理的效率。报表功能：用户可轻易地将测量结果输出至WORD、EXCEL中去，自动生成检测报告，超差数值自动改变颜色，特别适合批量检测。鸟瞰功能：可察看工件的整体图形及每个尺寸对应的编号，直观的反应出当前的绘图位置，并可任意移动、缩放工件图。实时对比：可把标准的DXF工程图调入测量软件中与工件对比，从而快速检测出工程图和实际工件的差距，适合检测比较复杂的工件。拍照功能：可将当前影像及所标注尺寸同时以JPEG或BMP格式拍照存档，并可调入到测量软件中与实际工件做对比。光学玻璃：光学玻璃为国家计量局检验通过之标准件，可检验X、Y轴向的垂直度，设定比例尺，使测量数据与实际相符合。客户坐标：测量时无需摆正工件或夹具定位，用户可根据自己的需要设置客户坐标（工件坐标），方便、省时提高了工作效率。精密影像测绘仪仪器特点：经济型影像式精密测绘仪VMS系列结合传统光学与数字科技，具有强大的软件功能，可将以往用肉眼在传统显微镜下所观察到的影像将其数字化，并将其储存入计算机中作各式量测、绘图再可将所得之资料储存于计算机中，以便日后存盘或电子邮件的发送。该仪器适用于以二座标测量为目的一切应用领域如：品质检测、工程开发、绘图等用途。在机械、模具、刀具、塑胶、电子、仪表等行业广泛使用。变焦镜筒：采用光学变焦物镜，光学放大倍率0.7X～4.5X，视频总放大倍率：40X～400X，可按客户要求选配不同倍率物镜。摄像机：配备低照度SONY机芯1/3”彩色CCD摄像机，图像表面纹理清晰，轮廓层次分明，保证拥有高品质的测量画面。底座：仪器底座采用高精度天然花岗石，稳定性高，硬度高，不易变形。光栅尺：仪器平台带有高精密光栅尺（X、Y、Z三轴）,解析度为0.001mm。Z轴通过二次聚焦可实现对沟槽、盲孔的深度进行测量。光源：采用长寿命LED环形冷光源（表面光及底光），使工件表面照明均匀，边缘清晰，亮度可调。导轨：双层工作平台设计，配备高精度滚动导轨，精度高、移动平稳轻松。丝杆：X、Y轴工作台均使用无牙光杆磨擦传动，避免了丝杆传动的背隙，灵敏度大大提高，亦可切换快速移动提高工作效率。