V-STARS系統

V-STARS系統是美國GSI公司研製的工業數字近景攝影三坐標測量系統。該系統主要具有三維測量精度高（相對精度可達1/20萬）、測量速度快和自動化程度高和能在惡劣環境中工作（如熱真空）等優點，是目前國際上最成熟的商業化工業數字攝影測量產品。

一、V-STARS系統概況

V-STARS（Video-Simultaneous Triangulation and Resection System）系統是美國GSI公司研製的工業數字近景攝影三坐標測

V-STARS系統組成

量系統。該系統主要具有三維測量精度高（相對精度可達1/20萬）、測量速度快和自動化程度高和能在惡劣環境中工作（如熱真空）等優點，是目前國際上最成熟的商業化工業數字攝影測量產品。
V-STARS系統可採用脫機和在線上二種測量方式，即單相機系統和雙（多）相機系統，如圖1。根據採用不同的相機又可以分為V-STARS/S（智慧型單相機系統）、V-STARS/E（經濟型單相機系統）和V-STARS/M（智慧型多相機系統。

二、系統組成

2.1智慧型單相機系統V-STARS/S

INCA3智慧型相機

智慧型單相機系統目前的最新型號為V-STARS/S8，主要包括1台測量型數位相機INCA3、1台筆記本電腦（含系統軟體）、1套基準尺、1根定向棒、1組人工特徵標誌點（定向反游標志。
INCA（INteligent CAmera）是GSI公司自主研製的測量型智慧型相機，它採用高分辨的CCD晶片獲取圖像，內置單片機可以實時對所拍攝的像片進行無損壓縮、標誌點識別等處理工作，穩固的整體機身專為工業現場而設計，表1是最新型號INCA3a的主要技術參數。

解析度	8 MPixel（3500×2300）
CCD尺寸	35mm×23mm
像素大小	10mm
焦距	21mm
視場角	77°×56°
處理器	Intel 500 MHz Pentium II CPU
記憶體	512Mb
像片壓縮比	>10:1
重量	<2kg（包括鏡頭、電池和閃光燈）
接口	有線、無線數據傳輸；離線存儲卡
閃光燈	環形、全自動
電源	6~15V，標準Sony攝像機電池
外形尺寸（長、寬、高）	125 mm×210 mm×135mm

該系統主要用於對靜態物體的高精度三維坐標測量，測量時只需要手持相機距離被測物體一定距離從多個位置和角度拍攝一定數量的數字像片，然後由計算機軟體自動處理（標誌點圖像中心自動定位、自動匹配、自動拼接和自動平差計算）得到特徵標誌點的X、Y、Z坐標。
V-STARS/S8系統的典型測量精度（1倍sigma）由原來的5微米＋5微米/米（採用INCA3相機）已提高到4微米＋4微米/米（採用INCA3a相機），即10m範圍的測量精度達到0.044mm。
2.2智慧型多相機系統V-STARS/M

智慧型多相機系統目前的最新型號為V-STARS/M8，它可以採用2台或2台以上的INCA相機，其最為常用的是雙相機系統，主要包括：2台測量型數位相機INCA3、1台筆記本電腦（含系統軟體）、1套基準尺、1根定向工棒、1套輔助測棒、1組人工特徵標誌點和1套在線上附屬檔案（相機腳架、電纜線和控制器）。

雙相機測量系統

雙相機測量時通過軟體控制相機拍攝像片，可以同時測量被測物體上的特徵標誌點集、也可以通過輔助測量棒實現單點測量，尤其適合隱藏點測量。由於是通過控制器控制相機同步曝光，故該系統尤其適合動態物體的測量，包括變形測量。另外，採用了整體光線束法平差技術，當相機腳架處於不穩定環境（如振動）中時也可以實現高精度測量。
V-STARS/M8（雙相機）系統的典型測量精度為10微米＋10微米/米。

三、測量過程

3.1單相機攝影測量過程

(1) 方案設計：整體測量方案設計，包括相機選型、攝影距離、像片數量等；
(2) 貼上標誌：在待測工件上貼上攝影反游標志；
(3) 拍攝照片：用手持相機，從不同位置和角度對工件表面的標誌點進行攝影，圖7；
(4) 圖像處理：標誌點圖像特徵的自動提取與標誌中心的自動定位；
(5) 坐標計算：對像點進行自動匹配、自動拼接和光束法平差計算，解算相機位置、姿態以及標誌點的3維坐標；
(6) 幾何分析：利用特徵標誌點的3維坐標進行一系列幾何分析與計算。

3.2雙相機測量過程

雙相機有兩種測量模式：對待測物體上特徵標誌點同時攝影實現多點同時測量；通過輔助測棒實現逐點測量。
(1) 方案設計：整體測量方案設計，包括相機擺放、攝影距離、測量方式等；
(2) 系統定向：也稱系統外部參數標定，通過對一定數量的空間標誌點和基準尺攝影與數據處理，解算出兩台相機間的位置和姿態關係；
(3) 拍攝照片：軟體控制雙相機同步拍攝被測物或測棒上的標誌點的像片（圖8）；
(4) 圖像處理：標誌點圖像特徵的自動提取與標誌中心的自動定位；
(5) 坐標解算：通過前方交會解算出標誌點的3維坐標，如果使用測棒，則進一步計算出測頭的坐標；如果場地不穩定，還可以進行整體平差計算進一步最佳化相機位置、姿態以及標誌點的坐標；
幾何分析：利用特徵標誌點的3維坐標進行一系列幾何分析與計算。

四、V-STARS系統技術特點

(1) 非接觸式測量方式：光學攝影，測量時不需要接觸被測對象；
(2) 測量對象大小不受限制：採用自動拼接與整體平差解算技術，最低限度減弱拼接帶來的誤差累積，測量對象從0.2m~100m，幾乎不受限制；
(3) 測量點數不受限制：一張像片上的所有點均同時測量，測量100個點與10000個點的時間幾乎一樣；
(4) 對測量環境要求低：
（a）對現場攝影的空間要求極低（最小只需0.2m），只要能拍照的地方就可以進行測量；
（b）現場攝影時間很短，幾乎不受溫度等變化的影響；
（c）對於雙（多）相機系統，場地不穩定（如振動）或被測物不穩定（抖動、變形）均可以進行測量。

五、套用

在國外，自1978年以來，V-STARS系統已在航空製造、航天產品研發、重大裝備產品生產中得到廣泛點套用，如航空製造業（波音、空客）、航天產品研發（火箭、太空梭）、天線製造（通訊天線、雷達反射器）、汽車製造和重工業等。
自2005年被引進中國大陸以來，V-STARS系統已在航天、航空、通訊等領域迅速套用並發揮了巨大優勢。如本文作者等利用該系統對某精密模具點檢測、大型地面通訊天線、行載柔性天線型面以及大飛機外形的測量。

國內相關代理

V-STRAS系統由鄭州辰維科技有限公司代理，負責產品推廣與銷售。該系統是基於數字攝影的大尺寸三坐標測量系統，也稱為工業攝影測量系統、數字近景攝影測量系統、數字近景攝影視覺測量系統、數字攝影三維測量系統、三維光學圖像測量系統。