CN105758339A - 基于几何误差修正技术的光轴与物面垂直度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于几何误差修正技术的光轴与物面垂直度检测方法，包括以下步骤：使相机与XY平面相对运动，令相机从零点沿任一坐标轴到达第一成像点；在此点处改变物距、采集图像、选择清晰度评价函数计算图像清晰度函数值，直到图像清晰度函数出现最大值；调整相机位置使其回到零点；使相机与XY平面相对运动，使相机沿同一运动轴从零点到达第二成像点；在此点处改变物距、采集图像，选择清晰度评价函数计算图像清晰度函数值，直到图像清晰度函数出现最大值；计算光轴与物面的垂直度偏差。本发明依据不同成像点的位置关系、各成像点处图像清晰度函数值达到最大时的物距差以及几何误差修正技术实现测量系统光轴与物面垂直度偏差的检测。

Description

基于几何误差修正技术的光轴与物面垂直度检测方法

技术领域

本发明涉及视觉测量领域，特别是涉及一种基于几何误差修正技术和图像清晰度的光轴与物面垂直度检测方法。

背景技术

在利用CCD成像原理的影像测量系统中，相机光轴与测量面的垂直度偏差会造成一定的测量误差，在高精度的测量系统中，微小的偏差角都可能会对最终测量结果产生严重的影响。因此，必须准确测得光轴与物面的垂直度偏差角，再进行调整或者误差补偿，即可保证测量结果的正确度。

目前检测垂直度的方法大致有以下几种：1.利用直角尺配合塞尺测量镜筒与物面的垂直程度。但由于无法保证镜筒轴线与光轴的平行度和测量过程中的人员误差，故本方法难以保证测量准确度。2.直接拍摄标准件，利用标准件的实际物理尺寸与视觉测量所得结果进行比较，或者利用标准件自身物理量间的比较实现光轴与物面的垂直度偏差角测量。前者可以采集标准量块的图像，比较视觉测量所得结果与量块真值，由于所得图像变形为二次误差，故检测精度较低。后者可以采集标准圆的图像，通过比较图像中相互垂直的两直径长度检测光轴与物面的垂直度偏差角，由于涉及曲线拟合且拟合精度无法评估，故此方法检测精度也难以得到保证。3.利用自准直仪测量光轴与物面的垂直度偏差角，此法无法保证自准直仪发出的光线与光轴的平行度，故难以保证检测精度。4.利用自准直原理，测量由镜头发出的光经物面反射后所得反射光的偏移量，此法要求镜头能产生出射光线并捕获反射光的偏移量，并且要求物面为反光材料。限制较多，难以实施。5.利用图像清晰度测量光轴与物面垂直度，即分别计算一张图像中不同区域的清晰度，利用不同区域达到清晰度函数最大值时的Z向高度差以及同一图片中不同区域的距离得出光轴与物面垂直度偏差。但在大行程、小视场的视觉测量系统中，视场大小限制了此法的检测精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种利用图像清晰度变化规律以及几何误差修正技术的光轴与物面垂直度检测方法。

本发明所采用的技术方案是：

A.使相机与XY平面相对运动，令相机沿任一运动轴从零点到达第一成像点。

B.在第一成像点以固定步长调节物距、采集图像、选择清晰度评价函数计算图像清晰度函数值，同时记录物距值和清晰度函数值，直到清晰度函数出现最大值。

C.调整相机位置使其回到零点。

D.使相机与XY平面相对运动，令相机沿同一运动轴从零点到达第二成像点。

E.在第二成像点以固定步长调节物距、采集图像，选择清晰度评价函数计算图像清晰度函数值，同时记录物距值和清晰度函数值，直到清晰度函数出现最大值。

F.计算光轴与物面在此运动轴方向的垂直度偏差角。

清晰度评价函数最好选用梯度类函数中的修正梯度平方函数1。

本发明的有益效果是：依据不同成像点的位置关系、各成像点处图像清晰度函数值达到最大时的物距差以及几何误差修正技术实现测量系统光轴与物面垂直度偏差的检测。本发明无需其他仪器辅助，可有效提升光轴与物面垂直度的检测精度，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是光轴与物面不垂直引起的测量误差示意图。

图2是清晰成像原理示意图。

图3是图像清晰度函数值随物距变化示意图。

图4是三轴运动机构几何误差示意图；

图5是光轴与物面垂直度检测流程图。

具体实施方式

图1是光轴与物面不垂直引起的测量误差示意图。其中O是相机光心；OA是相机光轴；EG所在直线表示相机感光面；AC'所在直线表示垂直于光轴的物面；AC所在直线表示法线和光轴倾角为的物面；当光轴与物面严格垂直时，AC'所成像的长度为EG，当物面从AC'位置偏转角度到AC位置时，AC所成像的长度为EF，此时垂直度偏差引起的测量误差为FG。

图2是清晰成像原理示意图。当置于物面上的被测物体动态经过相机的完全对焦面时，若光轴与物面存在垂直度偏差，则不同成像点到达完全对焦面的时刻不同，即图像清晰时对应相机的位置有所不同。如图2所示，A₁A₂是完全对焦面，M是CCD相机感光面，完全对焦面上的点成像应在M上，且成像清晰。因此，C₂点和D₁点均在M上成清晰像。C₁点所成的清晰像在M₁面上，D₂点所成的清晰像在M₂面上，两者在M面所成的像均为模糊的弥散圆，清晰度较低。故当物面由C₁C₂运动到D₁D₂时，物面上某一固定点所成的像其清晰度值变化趋势如图3所示。随着物距的改变，只有物面和完全对焦面重合的点能在M面成清晰的像，即只有和相机保持特定距离的物面上的点可以在感光面上清晰成像。假设物距一定，则在不同成像点清晰成像的条件是成像点和相机间的距离等于相机完全对焦面和相机镜头之间的距离，所以当光轴和物面存在垂直度偏差时，物面不同成像点清晰成像时对应的相机位置不同。

图4是三轴运动机构直线运动部件误差示意图。三轴运动机构每个运动轴均有三项角摆误差，包括俯仰角误差、偏摆角误差、滚转角误差、两项直线度误差、一项位置度误差以及存在于三轴中任意两轴间的垂直度误差，共21项误差。现做如下定义：

△_x(x)、△_y(y)、△_z(z)——分别为沿X、Y、Z轴运动的位置度误差函数；

δ_y(x)、δ_z(x)——为沿X轴运动的直线度误差函数；

α(x)、——分别为沿X轴运动的滚转、俯仰、偏摆误差函数；

δ_x(y)、δ_z(y)——为沿Y轴运动的直线度误差函数；

α(y)、——分别为沿Y轴运动的滚转、俯仰、偏摆误差函数；

δ_x(z)、δ_y(z)——为沿Z轴运动的直线度误差函数；

α(z)、——分别为沿Z轴运动的滚转、俯仰、偏摆误差函数；

——3轴相互之间存在3个垂直度误差；

由于本方法涉及到直线机构的运动，而直线机构的几何误差势必会影响测量结果的正确度，所以必须利用几何误差修正技术保证垂直度偏差测量的正确度。设(x,y,z)为初始位置坐标，(x′，y′，z′)为任一几何变换之后的坐标，由几何变换及齐次坐标的知识可知：

若空间平移量为(t_x,t_y,t_z)，则平移变换为

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x+t_x\\ y^{\′}=y+t_y\\ z^{\′}=z+t_z\end{array}\right.$

即

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& t_x\\ 0& 1& 0& t_y\\ 0& 0& 1& t_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]$

其中，平移变换矩阵为

$Trans(t_x,t_y,t_z)=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& t_x\\ 0& 1& 0& t_y\\ 0& 0& 1& t_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

若绕X轴旋转α角，则绕X轴的旋转变换为

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x\\ y^{\′}=ycos\mathrm{\α}-zsin\mathrm{\α}\\ z^{\′}=ysin\mathrm{\α}+z\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

即

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& cos\mathrm{\α}& -sin\mathrm{\α}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]$

其中，绕X轴旋转变换矩阵为

$Rot(x,\mathrm{\α})=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& cos\mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}& 0\\ 0& sin\mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

若绕Y轴旋转β角，则绕Y轴的旋转变换为

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=zsin\mathrm{\β}+xcos\mathrm{\β}\\ y^{\′}=y\\ z^{\′}=z\cos \mathrm{\β}-xsin\mathrm{\β}\end{array}\right.$

即

$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}cos\mathrm{\β}& 0& sin\mathrm{\β}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\β}& 0& cos\mathrm{\β}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]$

其中，绕Y轴旋转变换矩阵为

$Rot(y,\mathrm{\β})=\left[\begin{array}{cccc}cos\mathrm{\β}& 0& sin\mathrm{\β}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -sin\mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

如果某个变换过程包括平移变换和旋转变换，则最终的变换矩阵为各个独立变换矩阵相乘。由于位置度误差、角摆误差、直线度误差都是坐标的函数且垂直度误差是恒值，故可利用平移变换矩阵补偿运动轴的位置度误差、直线度误差及垂直度误差，利用旋转变换矩阵补偿运动轴的角摆误差。

图5是光轴与物面垂直度偏差角检测流程图。现根据前面所述的原理对系统光轴与物面垂直度偏差角进行检测。

A.使相机与XY平面相对运动，沿X轴从零点平移t₁到达第一成像点，由于位置度误差Δ_x(x)、直线度误差δ_y(x)和δ_z(x)、滚转角α(x)、俯仰角β(x)及偏摆角γ(x)的存在，平移之后相机的坐标(x₁,y₁,z₁)为

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\\ 1\end{array}\right]=T_{x1}\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{x1}=Trans(x+{\mathrm{\Δ}}_x(x),{\mathrm{\δ}}_y(x),{\mathrm{\δ}}_z(x\left)\right)\×Rot(x,\mathrm{\α})\×Rot(x,\mathrm{\β})\×Rot(x,\mathrm{\γ})\\ x=t_1\end{array}\right.$

B.在第一成像点以固定步长调节物距、采集图像、选择清晰度评价函数计算图像清晰度函数值，同时记录物距值和清晰度函数值，直到找到清晰度最大值。相机在调节物距的过程中，由于位置度误差Δ_z(z)、直线度误差δ_x(z)、垂直度误差θ_xz以及俯仰角β(z)的存在，导致在调节物距过程中拍摄到的点偏离(x₁,y₁)，相机实际拍摄到的点的坐标为(x′₁,y′₁)，则

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1^{\′}=x_1+{\mathrm{\δ}}_x\left(z\right)+\mathrm{\β}\left(z\right)\×z+{\mathrm{\θ}}_{xz}\×z\\ z=z_{cam1}^{\′}\end{array}\right.$

其中z′_cam1为图像清晰度值最大时的物距真值，其值为：

$\left\{\begin{array}{c}{z}_{cam1}^{\′}=z+{\mathrm{\Δ}}_z\left(z\right)\\ z=z_{cam1}\end{array}\right.$

其中z_cam1为实验所得的物距值。

C.调节相机位置使其回到零点；

D.使相机与XY平面相对运动，沿X轴从零点平移t₂以到达第二成像点(x₂,y₂,z₂)，则

$\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\\ z_2\\ 1\end{array}\right]=T_{x2}\×\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{x2}=Trans(t_2+{\mathrm{\Δ}}_x(x),{\mathrm{\δ}}_y(x),{\mathrm{\δ}}_z(x\left)\right)\×Rot(x,\mathrm{\α})\×Rot(x,\mathrm{\β})\×Rot(x,\mathrm{\γ})\\ x=t_2\end{array}\right.$

E.在第二成像点以固定步长调节物距、采集图像，选择清晰度评价函数计算图像清晰度函数值，同时记录物距值和清晰度函数值，直到找到清晰度最大值。相机在调节物距的过程中，由于位置度误差Δ_z(z)、直线度误差δ_x(z)、垂直度误差θ_xz以及俯仰角β(z)的存在，

实际拍摄到的点x′₂的坐标为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2^{\′}=x_2+{\mathrm{\δ}}_x\left(z\right)+\mathrm{\β}\left(z\right)\×z+{\mathrm{\θ}}_{xz}\×z\\ z=z_{cam2}^{\′}\end{array}\right.$

其中z′_cam2为第二次调焦过程中图像清晰度值最大时的物距真值，其值为：

$\left\{\begin{array}{c}{z}_{cam2}^{\′}=z+{\mathrm{\Δ}}_z\left(z\right)\\ z=z_{cam2}\end{array}\right.$

其中z_cam2为实验所得的物距值。

F.计算光轴与物面的垂直度偏差角。

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{z_{cam2}^{\′}-z_{cam1}^{\′}}{x_2^{\′}-x_1^{\′}}$

同理，若使相机沿着Y轴移动，即可用上述方法检测光轴与物面Y向的垂直度偏差角。

值得指出的是，只要是根据本发明的基本技术构思，本领域普通技术人员无须经过创造性劳动即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于几何误差修正技术的光轴与物面垂直度检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

A.使相机与XY平面相对运动，令相机沿任一运动轴从零点到达第一成像点；

B.在第一成像点以固定步长调节物距、采集图像、选择清晰度评价函数计算图像清晰度函数值，同时记录物距值和清晰度函数值，直到清晰度函数出现最大值；

C.调整相机位置使其回到零点；

D.使相机与XY平面相对运动，令相机沿同一运动轴从零点到达第二成像点；

E.在第二成像点以固定步长调节物距、采集图像，选择清晰度评价函数计算图像清晰度函数值，同时记录物距值和清晰度函数值，直到清晰度函数出现最大值；

F.计算光轴与物面在此运动轴方向的垂直度偏差角。

2.根据权利要求1所述的基于几何误差修正技术的光轴与物面垂直度检测方法，其特征在于：清晰度评价函数选用梯度类函数中的修正梯度平方函数1。