CN105352455A - 一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法，其在升降载物台上放置被测物体，在被测物体上放置阵列有实心圆点的标定板；然后采集多幅标定板图像，划定最大矩形区域作为测量参考区域，找出测量参考区域中的每个实心圆点的中心；接着建立三维坐标系；之后得到所有测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点的中心在X轴和Y轴方向的坐标位置及所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在Z轴方向的坐标位置；再得到三维散点；最后得到被测物体沿X轴方向和沿Y轴方向各自的倾斜角；优点是通过获取三维散点的三维坐标，拟合得到空间平面方程，再计算出被测物体的上表面在两个方向的倾斜角，测量过程简单，测量效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种平面倾斜度检测技术，尤其是涉及一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法。
背景技术
平面倾斜度测量是角度测量的重要应用方向。随着生产和科学的不断发展，平面的倾斜度测量越来越广泛地被应用于机械、光学、航空、航天和航海等各个领域。
目前，常用沿两个相互正交方向的倾斜角来定量描述平面倾斜度。然而，由于现有的倾斜仪的一个共同特点是只能测量一个方向的倾斜角，因此需要两两组合才能完整测量平面的倾斜度。由平面倾斜度的定量描述可知，需要在工装上保证两个倾斜仪相互之间正交，才能准确获取平面倾斜度，然而保证两个倾斜仪相互之间正交在精密测量中是非常难做到的。此外，现有的倾斜仪大多采用重力摆结构，这种结构对测量样品姿态有一定的要求，并且摆动结构达到平衡需要一定时间，从而限制了测量速度，在一些自动化实时测量场合这是无法忍受的。
另一种平面倾斜度测量方法是通过重建平面上若干点的三维坐标，使用平面拟合技术，得到空间平面方程，从而通过计算得出平面沿两个方向的倾斜角。光学显微镜是一种常用的三维微测量仪器，其可以用来测量平面上点的三维坐标，但是，光学显微镜具有视场小、离焦现象严重、景深浅等缺点，直接利用光学显微镜不适合用来测量深度差比较大的倾斜平面，从而难以实现平面倾斜度测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法，其能够利用离焦信息获取倾斜平面上的三维散点的信息，能够很好地克服光学显微镜景深浅的缺点，从而能够实现平面倾斜度测量，且其测量过程简单、测量效率高。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法，其特征在于包括以下步骤：
①将上表面和下表面均为平面的被测物体放置于光学显微镜的升降载物台上；然后在被测物体的上表面上放置一块上表面上阵列有实心圆点的标定板作为测量样本，其中，标定板的下表面与被测物体的上表面面接触，实心圆点的直径为d毫米，相邻两个实心圆点的中心之间的间距为e毫米，d<e；
②控制光学显微镜的升降载物台上升和下降，在光学显微镜的目镜观察到的标定板图像最清晰时控制光学显微镜的升降载物台停止升降；然后以Δz微米为步长控制光学显微镜的升降载物台上升M次后停止上升，此时光学显微镜的升降载物台已上升Δz×M微米，其中，M为正整数；接着以Δz微米为步长控制光学显微镜的升降载物台下降N次后停止下降，并在每次下降后采集一幅光学显微镜的目镜观察到的标定板图像，共采集得到N幅标定板图像，其中，N为正整数，N∈[2M-3,2M+3]；
③在每幅标定板图像中划定一个最大矩形区域作为测量参考区域，所有标定板图像中的测量参考区域的尺寸大小相同，所有标定板图像中的测量参考区域中包含的实心圆点的总个数相同，且每幅标定板图像中的测量参考区域中的实心圆点为完整的实心圆点，每幅标定板图像中的测量参考区域的每条边缘与该幅标定板图像对应的图像边界的距离至少为毫米；
④找出每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的中心；
⑤按序叠放所有标定板图像，并使所有标定板图像中的测量参考区域对齐；然后建立三维坐标系，三维坐标系的原点为第一幅标定板图像中的测量参考区域中的左上角的实心圆点的中心，三维坐标系的X轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点相邻的一个实心圆点的中心的方向，三维坐标系的Y轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点相邻的另一个实心圆点的中心的方向，三维坐标系的Z轴的正方向为指向与其他标定板图像垂直的方向，则将采集第k幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的高度位置确定为(k-1)×Δz；
⑥计算N幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点的中心在三维坐标系下的X轴方向的坐标位置和Y轴方向的坐标位置，将N幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点的中心在三维坐标系下的X轴方向的坐标位置和Y轴方向的坐标位置对应记为xi,j和yi,j，xi,j＝(i-1)×e，yi,j＝(j-1)×e，其中，i为正整数，i的初始值为1，1≤i≤W，j为正整数，j的初始值为1，1≤j≤H，W表示每幅标定板图像中的测量参考区域中在宽度方向上包含的实心圆点的总个数，H表示每幅标定板图像中的测量参考区域中在高度方向上包含的实心圆点的总个数，即每幅标定板图像中的测量参考区域中包含的实心圆点的总个数为W×H，W和H均为正整数；
⑦计算N幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置，将N幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置记为zi,j，zi,j的获取过程为：⑦-1、以每幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的实心圆点的中心为圆心，并以r个像素点为半径，划定圆形区域作为模糊度评价区域，其中，r的取值要求使得模糊度评价区域内仅包含该实心圆点；⑦-2、利用Tenengrad函数，计算每幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的实心圆点对应的模糊度评价区域的Tenengrad函数值，N个实心圆点共对应N个Tenengrad函数值，将第k个Tenengrad函数值记为Gk，其中，k为正整数，k的初始值为1，1≤k≤N；⑦-3、将采集每幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的高度位置与对应的Tenengrad函数值组成数据对，将采集第k幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的高度位置与Gk组成的数据对记为((k-1)×Δz,Gk)；然后利用二次多项式曲线拟合函数，对N个数据对进行二次曲线拟合，得到相应的二次曲线；⑦-4、计算相应的二次曲线中的极值点的横坐标；⑦-5、将相应的二次曲线中的极值点的横坐标作为N幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置，而得到的在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置对应的实心圆心即为最清晰实心圆点；
⑧将N幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点的中心在三维坐标系下的X轴方向的坐标位置和Y轴方向的坐标位置及位于同一行同一列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置对应的一个点作为一个三维散点，共得到W×H个三维散点，xi,j、yi,j及zi,j对应的三维散点的三维坐标为(xi,j,yi,j,zi,j)；然后利用平面拟合函数，对得到的W×H个三维散点进行平面拟合，得到相应的空间平面方程z＝b1+b2x+b3y，其中，z表示空间平面上的点在Z轴方向的坐标位置，x表示空间平面上的点在X轴方向的坐标位置，y表示空间平面上的点在Y轴方向的坐标位置，b1、b2和b3均为系数；
⑨计算被测物体的上表面沿三维坐标系下的X轴方向的倾斜角和沿三维坐标系下的Y轴方向的倾斜角，对应记为θ1和θ2，θ1＝tan-1(1/b2)，θ2＝tan-1(1/b3)，其中，tan-1()为求反正切函数。
所述的步骤①中的标定板的上表面上横向阵列有至少100个实心圆点且纵向也阵列有至少100个实心圆点。
所述的步骤①中的d的取值范围为0.02～0.03毫米，e的取值范围为0.08～0.12毫米。
所述的步骤②中的Δz的取值范围为1.8～2.2微米，M∈[50,100]。
所述的步骤②中光学显微镜的目镜观察到的标定板图像的采集采用摄像机，摄像机对准光学显微镜的目镜。
所述的步骤④的具体过程为：④-1、对每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点进行二值化处理，得到每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的二值化图像；④-2、采用连通区域标记算法，提取出每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的二值化图像的中心像素点及其在对应的标定板图像中的坐标位置，并作为相应的实心圆点的中心及其在对应的标定板图像中的坐标位置。
所述的步骤⑤中三维坐标系的X轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点右相邻的实心圆点的中心的方向，三维坐标系的Y轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点下相邻的实心圆点的中心的方向。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明方法为非接触式测量方法，其所使用的测量装置仅需要光学显微镜的升降载物台和目镜及标定板，结构简单，并且对所使用的测量装置中的各个部件之间的位置关系没有严格工装要求，使得本发明方法应用起来十分便捷。
2)本发明方法通过利用离焦信息(即Tenengrad函数值)获取倾斜平面上的三维散点的三维坐标，拟合得到相应的空间平面方程，再计算出被测物体的上表面在两个方向的倾斜角，平面倾斜度的测量过程简单，且测量效率高。
3)本发明方法具有较快的测量速度，能够提高平面倾斜度测量的实时性，适合用于实时自动调平系统。
附图说明
图1为本发明方法的总体实现框图；
图2为测量平面倾斜度的装置的组成示意图；
图3为一幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的二值化图像；
图4为三维坐标系的建立示意图；
图5为模糊度评价区域的示意图；
图6为拟合得到的二次曲线的示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法，其总体实现框图如图1所示，其包括以下步骤：
①如图2所示，将上表面和下表面均为平面的被测物体放置于光学显微镜的升降载物台上；然后在被测物体的上表面上放置一块上表面上阵列有实心圆点的标定板作为测量样本，其中，标定板的下表面与被测物体的上表面面接触，实心圆点的直径为d毫米，相邻两个实心圆点的中心之间的间距为e毫米，d<e。
在此具体实施例中，步骤①中的标定板的上表面上横向阵列有至少100个实心圆点且纵向也阵列有至少100个实心圆点，即标定板的上表面上阵列的实心圆点的总个数至少为100×100个，在限定了实心圆点的总个数、实心圆点的直径、相邻两个实心圆点之间的间距的前提下，也就确定了标定板的最小尺寸。
在此具体实施例中，步骤①中的d的取值范围为0.02～0.03毫米，如可取值为0.025毫米；e的取值范围为0.08～0.12毫米，如可取值为0.1毫米。
②控制光学显微镜的升降载物台上升和下降，在光学显微镜的目镜观察到的标定板图像最清晰时控制光学显微镜的升降载物台停止升降；然后以Δz微米为步长控制光学显微镜的升降载物台上升M次后停止上升，此时光学显微镜的升降载物台已上升Δz×M微米，其中，M为正整数；接着以Δz微米为步长控制光学显微镜的升降载物台下降N次后停止下降，并在每次下降后采集一幅光学显微镜的目镜观察到的标定板图像，共采集得到N幅标定板图像，其中，N为正整数，N∈[2M-3,2M+3]。
在此具体实施例中，步骤②中的Δz的取值范围为1.8～2.2微米，如可取值为2微米；M∈[50,100]，如可取值为71，即光学显微镜的升降载物台共上升2×71＝142微米；N可取值为143，即光学显微镜的升降载物台共下降2×143＝286微米。
在此具体实施例中，步骤②中光学显微镜的目镜观察到的标定板图像的采集采用常见的摄像机，摄像机对准光学显微镜的目镜，如图2所示。
③在每幅标定板图像中划定一个最大矩形区域作为测量参考区域，所有标定板图像中的测量参考区域的尺寸大小相同，所有标定板图像中的测量参考区域中包含的实心圆点的总个数相同，且每幅标定板图像中的测量参考区域中的实心圆点为完整的实心圆点，每幅标定板图像中的测量参考区域的每条边缘与该幅标定板图像对应的图像边界的距离至少为毫米。
④找出每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的中心。
在此具体实施例中，步骤④的具体过程为：④-1、对每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点进行二值化处理，得到每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的二值化图像，图3为一幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的二值化图像；④-2、采用现有的连通区域标记算法，提取出每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的二值化图像的中心像素点及其在对应的标定板图像中的坐标位置，并作为相应的实心圆点的中心及其在对应的标定板图像中的坐标位置。
⑤如图4所示，按序叠放所有标定板图像，并使所有标定板图像中的测量参考区域(图4所示的标定板图像中的测量参考区域包含的实心圆点的总个数为9×7个)对齐；然后建立三维坐标系，三维坐标系的原点为第一幅标定板图像中的测量参考区域中的左上角的实心圆点的中心，三维坐标系的X轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点相邻的一个实心圆点的中心的方向，三维坐标系的Y轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点相邻的另一个实心圆点的中心的方向，三维坐标系的Z轴的正方向为指向与其他标定板图像垂直的方向，则将采集第k幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的高度位置确定为(k-1)×Δz。
在此具体实施例中，步骤⑤中三维坐标系的X轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点右相邻的实心圆点的中心的方向，三维坐标系的Y轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点下相邻的实心圆点的中心的方向。
⑥计算N幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点的中心在三维坐标系下的X轴方向的坐标位置和Y轴方向的坐标位置，将N幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点的中心在三维坐标系下的X轴方向的坐标位置和Y轴方向的坐标位置对应记为xi,j和yi,j，xi,j＝(i-1)×e，yi,j＝(j-1)×e，其中，i为正整数，i的初始值为1，1≤i≤W，j为正整数，j的初始值为1，1≤j≤H，W表示每幅标定板图像中的测量参考区域中在宽度方向上包含的实心圆点的总个数，H表示每幅标定板图像中的测量参考区域中在高度方向上包含的实心圆点的总个数，即每幅标定板图像中的测量参考区域中包含的实心圆点的总个数为W×H，W和H均为正整数。
⑦计算N幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置，将N幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置记为zi,j，zi,j的获取过程为：⑦-1、以每幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的实心圆点的中心为圆心，并以r个像素点为半径，划定圆形区域作为模糊度评价区域，其中，r的取值要求使得模糊度评价区域内仅包含该实心圆点；⑦-2、利用现有的Tenengrad函数，计算每幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的实心圆点对应的模糊度评价区域的Tenengrad函数值，N个实心圆点共对应N个Tenengrad函数值，将第k个Tenengrad函数值记为Gk，其中，k为正整数，k的初始值为1，1≤k≤N；⑦-3、将采集每幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的高度位置与对应的Tenengrad函数值组成数据对，将采集第k幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的高度位置与Gk组成的数据对记为((k-1)×Δz,Gk)；然后利用matlab中的二次多项式曲线拟合函数polyfit，对N个数据对进行二次曲线拟合，得到相应的二次曲线；⑦-4、利用现有技术，计算相应的二次曲线中的极值点的横坐标；⑦-5、将相应的二次曲线中的极值点的横坐标作为N幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置，而得到的在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置对应的实心圆心即为最清晰实心圆点。
⑧将N幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点的中心在三维坐标系下的X轴方向的坐标位置和Y轴方向的坐标位置及位于同一行同一列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置对应的一个点作为一个三维散点，共得到W×H个三维散点，xi,j、yi,j及zi,j对应的三维散点的三维坐标为(xi,j,yi,j,zi,j)；然后利用matlab中的平面拟合函数createSurfaceFit，对得到的W×H个三维散点进行平面拟合，得到相应的空间平面方程z＝b1+b2x+b3y，其中，z表示空间平面上的点在Z轴方向的坐标位置，x表示空间平面上的点在X轴方向的坐标位置，y表示空间平面上的点在Y轴方向的坐标位置，b1、b2和b3均为系数。
⑨计算被测物体的上表面沿三维坐标系下的X轴方向的倾斜角和沿三维坐标系下的Y轴方向的倾斜角，对应记为θ1和θ2，θ1＝tan-1(1/b2)，θ2＝tan-1(1/b3)，其中，tan-1()为求反正切函数。
为进一步说明本发明方法的可行性和有效性，对本发明方法进行试验。
在实验中，取d＝0.025毫米，取e＝0.1毫米，取Δz＝2微米，取M＝71，取N＝143，标定板图像中的测量参考区域包含的实心圆点的总个数为9×7个。
按照步骤④找出所有标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点的中心在标定板图像坐标系下的X轴方向的像素坐标位置和Y轴方向的像素坐标位置，如下所列，单位为像素：第1行：(98.00,45.54)(169.44,48.56)(240.73,51.67)(311.97,54.62)(383.15,57.49)(454.39,60.56)(525.35,63.57)(596.34,66.50)(667.41,69.44)；第2行：(95.07,117.63)(166.29,120.56)(237.50,123.46)(308.91,126.43)(380.07,129.47)(451.36,132.40)(522.35,135.49)(593.31,138.25)(664.31,141.22)；第3行：(91.87,189.34)(163.34,192.39)(234.73,195.76)(305.93,198.37)(377.01,201.20)(448.25,204.14)(519.15,207.18)(590.18,210.02)(661.16,212.87)；第4行：(88.72,261.15)(159.97,264.08)(231.40,267.13)(302.63,270.13)(373.91,273.03)(445.04,275.99)(516.00,278.99)(586.84,281.81)(657.88,284.68)；第5行：(85.39,333.02)(156.92,336.02)(228.30,339.12)(299.56,342.06)(370.67,344.92)(441.84,347.82)(512.86,350.59)(583.92,353.39)(654.83,356.34)；第6行：(82.21,404.94)(153.66,407.99)(225.09,410.81)(296.24,413.76)(367.31,416.59)(438.60,419.53)(509.64,422.33)(580.72,425.24)(651.68,428.16)；第7行：(78.80,476.76)(150.39,479.69)(221.73,482.54)(292.84,485.54)(364.12,488.42)(435.18,491.24)(506.39,494.04)(577.50,496.94)(648.85,499.84)。
按照步骤⑦-1，以r＝30个像素点为半径划定圆形区域作为模糊度评价区域，如图5中所示的圆圈。按照步骤⑦-2计算每幅标定板图像中的测量参考区域中位于第1行第1列的实心圆点对应的模糊度评价区域的Tenengrad函数值，143个实心圆点共143个Tenengrad函数值，分别为：93450.72,93115.28,94089.29,94616.77,94283.19,94545.86,94483.52,95384.08,95087.16,95580.98,95507.30,95884.94,96456.07,96192.19,96536.04,97186.45,97147.29,96836.86,97184.35,96839.27,97795.71,97766.85,97539.12,97781.66,97947.62,97915.06,98386.94,98268.28,98156.14,98362.73,98969.11,98859.34,99070.84,99317.70,99355.90,99089.34,99259.00,99598.24,99978.97,100171.88,100016.20,99693.84,100390.25,100082.20,100387.85,100385.84,99773.07,99943.12,99986.90,100014.65,99839.61,99880.10,99651.82,100390.97,99843.98,100125.44,100278.82,99966.91,100176.58,100193.83,99896.42,100465.98,99663.62,99283.49,99539.78,99694.29,99415.57,99346.78,99687.85,99298.27,99169.60,99255.38,99454.89,98580.70,98328.51,98637.04,97906.54,97831.74,98095.93,97598.20,97402.63,97402.67,97541.64,97505.31,96773.65,96392.86,97014.88,96737.88,96472.01,96334.85,96009.19,94998.72,95342.41,94900.13,94361.92,94110.28,93784.07,93904.00,93169.64,93366.42,92223.65,92431.10,91921.90,91412.57,92046.86,90976.67,91204.00,90483.66,90096.33,89491.90,89289.24,89060.30,89025.38,88497.96,88268.02,87844.43,86013.18,86716.80,86454.71,86235.12,85692.95,85372.91,85009.84,84723.69,83879.38,83336.00,83160.41,83445.78,82561.24,82352.34,81618.47,80866.74,81215.66,80936.16,79925.88,79611.96,79395.77,79139.08,78580.79,78118.51,77792.17,77016.59,76166.74。按照步骤⑦-3获取二次曲线，如图6所示。按照步骤⑦-4计算图6所示的二次曲线中的极值点的横坐标为99.06微米。
按照步骤⑧，9×7个三维散点的三维坐标如下所列，单位为微米：第1行：(0,0,99.06)(100,0,100.95)(200,0,112.49)(300,0,120.86)(400,0,128.27)(500,0,135.51)(600,0,142.65)(700,0,148.40)(800,0,156.48)；第2行：(0,100,99.03)(100,100,109.46)(200,100,114.90)(300,100,120.49)(400,100,129.10)(500,100,137.73)(600,100,149.43)(700,100,150.57)(800,100,159.47)；第3行：(0,200,106.05)(100,200,109.72)(200,200,118.86)(300,200,123.86)(400,200,130.98)(500,200,139.47)(600,200,146.52)(700,200,152.61)(800,200,161.10)；第4行：(0,300,104.57)(100,300,113.25)(200,300,117.31)(300,300,125.96)(400,300,137.81)(500,300,141.89)(600,300,149.74)(700,300,152.72)(800,300,163.67)；第5行：(0,400,105.43)(100,400,114.98)(200,400,119.94)(300,400,127.22)(400,400,132.93)(500,400,143.68)(600,400,146.36)(700,400,156.53)(800,400,165.75)；第6行：(0,500,105.32)(100,500,114.59)(200,500,121.78)(300,500,128.55)(400,500,136.18)(500,500,143.27)(600,500,150.31)(700,500,155.49)(800,500,167.30)；第7行：(0,600,104.56)(100,600,114.29)(200,600,121.51)(300,600,128.34)(400,600,134.16)(500,600,144.06)(600,600,151.97)(700,600,160.28)(800,600,168.00)。并得到b1＝98.9140，b2＝0.0738，b3＝0.0149。
按照步骤⑨计算得到θ1＝85.7792°，θ2＝89.1464°。
Claims (7)
1.一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法，其特征在于包括以下步骤：
①将上表面和下表面均为平面的被测物体放置于光学显微镜的升降载物台上；然后在被测物体的上表面上放置一块上表面上阵列有实心圆点的标定板作为测量样本，其中，标定板的下表面与被测物体的上表面面接触，实心圆点的直径为d毫米，相邻两个实心圆点的中心之间的间距为e毫米，d<e；
②控制光学显微镜的升降载物台上升和下降，在光学显微镜的目镜观察到的标定板图像最清晰时控制光学显微镜的升降载物台停止升降；然后以Δz微米为步长控制光学显微镜的升降载物台上升M次后停止上升，此时光学显微镜的升降载物台已上升Δz×M微米，其中，M为正整数；接着以Δz微米为步长控制光学显微镜的升降载物台下降N次后停止下降，并在每次下降后采集一幅光学显微镜的目镜观察到的标定板图像，共采集得到N幅标定板图像，其中，N为正整数，N∈[2M-3,2M+3]；
③在每幅标定板图像中划定一个最大矩形区域作为测量参考区域，所有标定板图像中的测量参考区域的尺寸大小相同，所有标定板图像中的测量参考区域中包含的实心圆点的总个数相同，且每幅标定板图像中的测量参考区域中的实心圆点为完整的实心圆点，每幅标定板图像中的测量参考区域的每条边缘与该幅标定板图像对应的图像边界的距离至少为毫米；
④找出每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的中心；
⑤按序叠放所有标定板图像，并使所有标定板图像中的测量参考区域对齐；然后建立三维坐标系，三维坐标系的原点为第一幅标定板图像中的测量参考区域中的左上角的实心圆点的中心，三维坐标系的X轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点相邻的一个实心圆点的中心的方向，三维坐标系的Y轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点相邻的另一个实心圆点的中心的方向，三维坐标系的Z轴的正方向为指向与其他标定板图像垂直的方向，则将采集第k幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的高度位置确定为(k-1)×Δz；
⑥计算N幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点的中心在三维坐标系下的X轴方向的坐标位置和Y轴方向的坐标位置，将N幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点的中心在三维坐标系下的X轴方向的坐标位置和Y轴方向的坐标位置对应记为xi,j和yi,j，xi,j＝(i-1)×e，yi,j＝(j-1)×e，其中，i为正整数，i的初始值为1，1≤i≤W，j为正整数，j的初始值为1，1≤j≤H，W表示每幅标定板图像中的测量参考区域中在宽度方向上包含的实心圆点的总个数，H表示每幅标定板图像中的测量参考区域中在高度方向上包含的实心圆点的总个数，即每幅标定板图像中的测量参考区域中包含的实心圆点的总个数为W×H，W和H均为正整数；
⑦计算N幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置，将N幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置记为zi,j，zi,j的获取过程为：⑦-1、以每幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的实心圆点的中心为圆心，并以r个像素点为半径，划定圆形区域作为模糊度评价区域，其中，r的取值要求使得模糊度评价区域内仅包含该实心圆点；⑦-2、利用Tenengrad函数，计算每幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的实心圆点对应的模糊度评价区域的Tenengrad函数值，N个实心圆点共对应N个Tenengrad函数值，将第k个Tenengrad函数值记为Gk，其中，k为正整数，k的初始值为1，1≤k≤N；⑦-3、将采集每幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的高度位置与对应的Tenengrad函数值组成数据对，将采集第k幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的高度位置与Gk组成的数据对记为((k-1)×Δz,Gk)；然后利用二次多项式曲线拟合函数，对N个数据对进行二次曲线拟合，得到相应的二次曲线；⑦-4、计算相应的二次曲线中的极值点的横坐标；⑦-5、将相应的二次曲线中的极值点的横坐标作为N幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置，而得到的在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置对应的实心圆心即为最清晰实心圆点；
⑧将N幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点的中心在三维坐标系下的X轴方向的坐标位置和Y轴方向的坐标位置及位于同一行同一列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置对应的一个点作为一个三维散点，共得到W×H个三维散点，xi,j、yi,j及zi,j对应的三维散点的三维坐标为(xi,j,yi,j,zi,j)；然后利用平面拟合函数，对得到的W×H个三维散点进行平面拟合，得到相应的空间平面方程z＝b1+b2x+b3y，其中，z表示空间平面上的点在Z轴方向的坐标位置，x表示空间平面上的点在X轴方向的坐标位置，y表示空间平面上的点在Y轴方向的坐标位置，b1、b2和b3均为系数；
⑨计算被测物体的上表面沿三维坐标系下的X轴方向的倾斜角和沿三维坐标系下的Y轴方向的倾斜角，对应记为θ1和θ2，θ1＝tan-1(1/b2)，θ2＝tan-1(1/b3)，其中，tan-1()为求反正切函数。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法，其特征在于所述的步骤①中的标定板的上表面上横向阵列有至少100个实心圆点且纵向也阵列有至少100个实心圆点。
3.根据权利要求1所述的一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法，其特征在于所述的步骤①中的d的取值范围为0.02～0.03毫米，e的取值范围为0.08～0.12毫米。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法，其特征在于所述的步骤②中的Δz的取值范围为1.8～2.2微米，M∈[50,100]。
5.根据权利要求1所述的一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法，其特征在于所述的步骤②中光学显微镜的目镜观察到的标定板图像的采集采用摄像机，摄像机对准光学显微镜的目镜。
6.根据权利要求1所述的一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法，其特征在于所述的步骤④的具体过程为：④-1、对每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点进行二值化处理，得到每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的二值化图像；④-2、采用连通区域标记算法，提取出每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的二值化图像的中心像素点及其在对应的标定板图像中的坐标位置，并作为相应的实心圆点的中心及其在对应的标定板图像中的坐标位置。
7.根据权利要求1所述的一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法，其特征在于所述的步骤⑤中三维坐标系的X轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点右相邻的实心圆点的中心的方向，三维坐标系的Y轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点下相邻的实心圆点的中心的方向。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |