測量技術(shù)的不斷發(fā)展往往伴隨著科技水平的不斷進(jìn)步以及探索范圍的不斷擴展，宏觀至浩渺星河、微觀至原子夸克都是探索的前沿方向。從大尺度的地形學(xué)測量、空間場景的激光三維重建，再到常規(guī)尺度的結(jié)構(gòu)光三維測量、激光三維掃描以及攝影測量多視圖重建，然后小至微觀級別的顯微測量技術(shù)，不同尺度的測量方式幾乎涵蓋了不同領(lǐng)域的各個層次。現(xiàn)代科技也總是朝著不同尺度發(fā)展，從多個尺度上準(zhǔn)確地認(rèn)識和感知這個世界是測量技術(shù)不斷發(fā)展的根源動力。

在機械加工、航空航天、刀具制備等領(lǐng)域中，眾多零件都具有多尺度形貌檢測的需求。以航空發(fā)動機為例，發(fā)動機葉片整體葉型、局部微小氣膜孔等關(guān)鍵區(qū)域的質(zhì)量對發(fā)動機的性能具有重要影響，進(jìn)而對這些區(qū)域的測量提出了更高的要求。然而，單一的測量方式無法滿足葉片關(guān)鍵區(qū)域的測量需求，目前多尺度組合的測量方式是解決發(fā)動機葉片測量的一種有效途徑，與單一尺度測量數(shù)據(jù)不同，多尺度測量數(shù)據(jù)間的尺度、分辨率、精度等方面存在較大差異，導(dǎo)致配準(zhǔn)難度大。因此，多尺度測量數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)是關(guān)鍵。

針對這一應(yīng)用需求，近期南京航空航天大學(xué)的高凱元與崔海華等在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，《儀器儀表領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》和《光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》“T1級”期刊）上發(fā)表了題為“基于小波變換的精密測量點云多尺度分解”的封面文章。

▍宏微組合式測量

宏微組合式測量模型如圖1所示，利用結(jié)構(gòu)光測量方式獲取整體的形面，利用顯微測量方式獲取零件表面局部更高精度的細(xì)節(jié)，實現(xiàn)多尺度數(shù)據(jù)的獲取，但是未實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)歸一化，即未實現(xiàn)全方位一體化檢測。

圖1：宏微組合式多尺度測量模型

▍面向精密測量點云多尺度分解技術(shù)

基于所建立的測量模型獲取測量數(shù)據(jù)，作者對小波變換的理論進(jìn)行了分析推導(dǎo)，并將該理論應(yīng)用到精密測量點云中，實現(xiàn)了小尺度點云尺度與數(shù)據(jù)量同時向大尺度的有機過渡，并基于分形理論，通過計算兩種維數(shù)與一些經(jīng)典的濾波采樣方法進(jìn)行了對比，驗證了作者所提方法的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對小尺度點云的多尺度分解，同時還能保持與原始數(shù)據(jù)具有高度的相似性。以某航空發(fā)動機氣膜孔的顯微測量數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行多尺度分解，如圖2所示，不同分解方式的兩種相似維數(shù)差異如圖3所示。

圖2：氣膜孔測量點云多尺度分解

圖3：分解相似性對比

▍基于近似尺度約束的點云配準(zhǔn)方法研究

由于不同尺度的檢測設(shè)備本身存在分辨率與精度的差異，獲取到的點云數(shù)據(jù)存在尺度與數(shù)據(jù)量的差異，作者通過多尺度分解方法進(jìn)行預(yù)處理，利用經(jīng)過尺度分解后得到的近似尺度點云與原始結(jié)構(gòu)光點云進(jìn)行配準(zhǔn)，并將配準(zhǔn)的矩陣變換關(guān)系應(yīng)用到原始點云，配準(zhǔn)效率與精度得到了大幅度提升。將存在尺度與數(shù)據(jù)量較大的兩片點云進(jìn)行配準(zhǔn)，結(jié)果如圖4所示，配準(zhǔn)時間大幅度減少，配準(zhǔn)精度提升了61.36%。

圖4：跨尺度點云配準(zhǔn)實驗結(jié)果

▍工程應(yīng)用前景

該研究通過組合不同尺度的測量設(shè)備，集合單一尺度測量設(shè)備的優(yōu)勢，拓寬了測量設(shè)備的測量范圍；該測量方法與數(shù)據(jù)處理算法能夠?qū)崿F(xiàn)對多尺度零件的一體化測量，為后續(xù)復(fù)雜零件、智能結(jié)構(gòu)的檢測提供一種全新的思路與方法。

| 團隊負(fù)責(zé)人簡介 |

崔海華，教授，博士生導(dǎo)師，南京航空航天機電學(xué)院航空宇航制造工程系教師，中國計量測試學(xué)會-計量儀器專業(yè)委員會委員，中國工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會-幾何設(shè)計與計算專委會委員，中國圖像圖形學(xué)會-視覺檢測專委會委員。長期從事面向航空航天智能制造的數(shù)字化三維視覺測量、檢測和定位技術(shù)研究，包括計算光學(xué)成像、數(shù)字化精密三維測量和圖像處理等。以第一作者和通訊作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，其中SCI收錄35篇，受邀參與著書2部，授權(quán)發(fā)明專利和軟件著作權(quán)20項。主持國家重點研發(fā)計劃子課題、國家高檔數(shù)控機床04專項子項目、國家自然科學(xué)基金、國防基礎(chǔ)加強技術(shù)領(lǐng)域基金、航空基金、江蘇省自然科學(xué)基金（優(yōu)秀結(jié)題）、江蘇省成果轉(zhuǎn)化子課題、中國博士后科學(xué)基金等三十余項。指導(dǎo)學(xué)生獲得第五屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎和其他國家、省、市比賽一等獎10余項。入選江蘇省“雙創(chuàng)計劃”科技副總，獲江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎和二等獎各1項。

| 團隊介紹 |

南京航空航天大學(xué)視覺三維成像與精密測量實驗室崔海華教授團隊，針對航空航天智能制造的數(shù)字化三維視覺測量中的問題進(jìn)行了研究，主要包括面向機器人裝配的組合式跨尺度視覺測量技術(shù)、深度學(xué)習(xí)增強的智能化識別檢測技術(shù)、面向航空航天特征的線結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)、基于視覺的機器人制孔基準(zhǔn)測量技術(shù)、基于對焦顯微的三維形貌高精度測量技術(shù)，面向航空航天制造的三維面形測量技術(shù)等，承擔(dān)過多項國家重點研發(fā)計劃、國防基礎(chǔ)科研計劃,以及基礎(chǔ)加強計劃技術(shù)領(lǐng)域基金項目等。

團隊合照

| 論文信息 |

高凱元,劉雷,崔海華等.基于小波變換的精密測量點云多尺度分解[J].光學(xué)精密工程,2023,31(03):340-351. 

https://ope.lightpublishing.cn/thesis/65/33677498/zh/

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