測(cè)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(kuò)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(cè)量、空間場(chǎng)景的激光三維重建，再到常規(guī)尺度的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量、激光三維掃描以及攝影測(cè)量多視圖重建，然后小至微觀級(jí)別的顯微測(cè)量技術(shù)，不同尺度的測(cè)量方式幾乎涵蓋了不同領(lǐng)域的各個(gè)層次?，F(xiàn)代科技也總是朝著不同尺度發(fā)展，從多個(gè)尺度上準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)和感知這個(gè)世界是測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展的根源動(dòng)力。

在機(jī)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(cè)的需求。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有重要影響，進(jìn)而對(duì)這些區(qū)域的測(cè)量提出了更高的要求。然而，單一的測(cè)量方式無法滿足葉片關(guān)鍵區(qū)域的測(cè)量需求，目前多尺度組合的測(cè)量方式是解決發(fā)動(dòng)機(jī)葉片測(cè)量的一種有效途徑，與單一尺度測(cè)量數(shù)據(jù)不同，多尺度測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)是關(guān)鍵。

針對(duì)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(jí)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(jí)目錄》“T1級(jí)”期刊）上發(fā)表了題為“基于小波變換的精密測(cè)量點(diǎn)云多尺度分解”的封面文章。

▍宏微組合式測(cè)量

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

圖1：宏微組合式多尺度測(cè)量模型

▍面向精密測(cè)量點(diǎn)云多尺度分解技術(shù)

基于所建立的測(cè)量模型獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，作者對(duì)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(cè)量點(diǎn)云中，實(shí)現(xiàn)了小尺度點(diǎn)云尺度與數(shù)據(jù)量同時(shí)向大尺度的有機(jī)過渡，并基于分形理論，通過計(jì)算兩種維數(shù)與一些經(jīng)典的濾波采樣方法進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了作者所提方法的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)小尺度點(diǎn)云的多尺度分解，同時(shí)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(dòng)機(jī)氣膜孔的顯微測(cè)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(cè)量點(diǎn)云多尺度分解

圖3：分解相似性對(duì)比

▍基于近似尺度約束的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法研究

由于不同尺度的檢測(cè)設(shè)備本身存在分辨率與精度的差異，獲取到的點(diǎn)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(diǎn)云與原始結(jié)構(gòu)光點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，結(jié)果如圖4所示，配準(zhǔn)時(shí)間大幅度減少，配準(zhǔn)精度提升了61.36%。

圖4：跨尺度點(diǎn)云配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

▍工程應(yīng)用前景

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

| 團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人簡(jiǎn)介 |

崔海華，教授，博士生導(dǎo)師，南京航空航天機(jī)電學(xué)院航空宇航制造工程系教師，中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)-計(jì)量?jī)x器專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)工業(yè)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)-幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算專委會(huì)委員，中國(guó)圖像圖形學(xué)會(huì)-視覺檢測(cè)專委會(huì)委員。長(zhǎng)期從事面向航空航天智能制造的數(shù)字化三維視覺測(cè)量、檢測(cè)和定位技術(shù)研究，包括計(jì)算光學(xué)成像、數(shù)字化精密三維測(cè)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(xiàng)。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、國(guó)家高檔數(shù)控機(jī)床04專項(xiàng)子項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)防基礎(chǔ)加強(qiáng)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(guó)博士后科學(xué)基金等三十余項(xiàng)。指導(dǎo)學(xué)生獲得第五屆中國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎(jiǎng)和其他國(guó)家、省、市比賽一等獎(jiǎng)10余項(xiàng)。入選江蘇省“雙創(chuàng)計(jì)劃”科技副總，獲江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。

| 團(tuán)隊(duì)介紹 |

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

團(tuán)隊(duì)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(cè)量點(diǎn)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/

參考文獻(xiàn)

1. JIANG T, CUI H H, CHENG X S, et al. A measurement method for robot peg-in-hole prealignment based on combined two-level visual sensors[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2021, 70: 1-12. 

2. JIANG T, CUI H H, CHENG X S. Accurate calibration for large-scale tracking-based visual measurement system[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2021, 70: 1-11. 

3. 韋號(hào), 崔海華, 程筱勝, 等. 一種用于評(píng)價(jià)聚焦形貌恢復(fù)算法的圖像離焦仿真技術(shù)[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 39(11): 140-148.

4. 崔海華, 徐振龍, 楊亞鵬, 等. 一種基于深度學(xué)習(xí)圖像超分的環(huán)形靶標(biāo)穩(wěn)定檢測(cè)方法[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2021, 32(23): 2861-2867.

5. 翟鵬, 崔海華, 胡廣露, 等. 面向線結(jié)構(gòu)光測(cè)量的直線空間變換光平面標(biāo)定方法[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2021, 58(2): 264-270.

6. 崔海華, 漏華鋮, 田威, 等. 軌道式爬行機(jī)器人制孔基準(zhǔn)的視覺高精度定位[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 41(9): 179-188.

7. 靳宇婷, 張益華, 崔海華, 等. 一種基于輪廓特征約束的飛機(jī)蒙皮配準(zhǔn)方法[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 41(3): 99-107.

閱讀原文