CN105928463B - 基于特征点匹配的自动测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特征点匹配的自动测量系统及其测量方法，其中，该测量系统主要包括用于驱动镜片模具移动的双轴电控平台、刻有规则图案的掩膜板、显微镜、图像传感器、用于图像采集、处理及控制模具位移的控制系统、升降支座、以及底座。测量方法包括如下步骤：根据镜片模具的尺寸以及注塑孔的数量来选择合适的步进拍照方案；将标定板放到电控平台上，对图像采集模块进行标定；取走标定板，将模具和掩膜板固定在电控平台上，控制模块驱动电控平台对模具进行步进拍照；测量处理模块抓取图像数据中的特征点，对不同图像中的特征点进行匹配和处理，得到模具中注塑孔的孔径信息。本发明的结构简单、成本低、使用方便、测量精度高，处理效率高。

Description

基于特征点匹配的自动测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及镜片模具测量领域，尤其涉及一种利用特征点匹配技术来测量手机镜头中塑料镜片模具上的注塑孔尺寸和相对位置的测量系统和测量方法。

背景技术

目前，手机镜头大多采用塑料镜片，镜片在注塑前需要测量镜片模具中的注塑孔的孔径大小和相对位置，以便注塑头能够准确地将熔融塑料注入模具当中。由于镜片模具中包含上百个注塑孔，利用常规的图像拼接方法难以获得高精度的孔径尺寸，常规图像拼接方法适用于单孔径模具的测量，在测量多孔径模具(手机镜片模具)时，计算机图像系统所要处理的图像信息量非常大，处理时间长、效率低，导致测量的尺寸和位置精度都不理想，难以满足现代工业的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种既能够减少图像数据的处理量，同时提高测量精度的自动测量系统。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述自动测量系统的测量方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于特征点匹配的自动测量系统，包括用于驱动镜片模具移动的双轴电控平台、刻有规则图案的掩膜板、显微镜、图像传感器、用于图像采集、处理及控制模具位移的控制系统、升降支座、以及底座。其中，显微镜和图像传感器同轴安装，其光轴垂直于双轴电控平台。

具体的，将镜片模具固定在所述双轴电控平台上，所述掩膜板设置在模具上方，所述双轴电控平台、模具和掩膜板三者相对固定，在移动过程中不会产生相对位移，双轴电控平台在控制系统的驱动下步进拍照并通过抓取图像中的特征点来测出模具的尺寸信息。所述显微镜位于掩膜板的上方，与升降支座的一端固定连接，所述图像传感器设置在显微镜上，通过显微镜采集模具的图像信息并传送给控制系统，所述升降支座的另一端设置在底座上，通过调节显微镜的高度来提高图像传感器的成像质量。

所述控制系统包括图像采集模块、控制模块和测量处理模块。所述图像采集模块与图像传感器连接，通过图像传感器将采集到的图像信息转化为可处理的图像数据。所述控制模块与双轴电控平台连接，控制模具和掩膜板在平台上的步进距离。所述测量处理模块抓取并匹配图像采集模块生成的图像数据中的特征点来计算出模具上的孔径信息。

所述自动测量系统还包括测量前用于标定图像中单位尺寸对应的实际尺寸的标定板。在正式测量前，利用所述标定板对图像采集和处理系统进行标定，确定准确的放大倍率，所述标定板设置在双轴电控平台上，标定板上设有规则图案，通过图像传感器进行采集，对图像进行标定，操作简单方便，可以明显提高系统的测量的精度。

作为本发明的优选方案，所述掩膜板为玻璃材质，采用激光工艺在表面上雕刻用于增加图像特征点数量的规则图案。该图案的线宽约为模具孔径圆环线宽的十分之一，方便后期图像处理中采用腐蚀膨胀算法将模具孔径圆环和掩膜板图案顺利分割。

作为本发明的优选方案，所述双轴电控平台为X轴和Y轴电控平台。所述掩膜板采用激光工艺来雕刻，有助于很好地控制线宽，雕刻精度高、效果好，而且在雕刻的同时不会伤及工件表面或引起工件变形。所述显微镜采用可变焦远心测微显微镜，可根据模具尺寸选择不同的放大倍率和工作距离，而且成像质量高。所述显微镜上设有用于调节焦距的调节环，所述调节环用于调整显微镜的成像焦距，使图像传感器采集的图像清晰可见。

一种基于特征点匹配的自动测量系统的测量方法，包括如下步骤：

步骤S1:根据镜片模具的尺寸以及注塑孔的数量来选择合适的步进拍照方案。其中，所述步骤S1中还包括如下步骤：

步骤S11:将模具固定在测量平台上，使模具平面与图像传感器和显微镜的测量光轴保持垂直；

步骤S12:调节显微镜放大倍率，在满足精度要求下使得像素容许误差大于4个像素，用于降低后期圆形拟合产生的误差；

步骤S13:调节显微镜的调节环进行对焦，并选择合适的工作距离，使图像传感器采集的图像清晰，成像质量好；

步骤S14:根据模具上的孔径大小和间距，为测量平台选择合适的步进间隔、步进量和步进路线，步进间隔小于图像宽度的二分之一，使得相邻两幅图像的重叠区域较大，确保后期图像处理中采用模板匹配算法进行特征点匹配的准确度，步进量和步进路线按照步进间隔连续环绕模具孔径一周。

步骤S2:将标定板放到电控平台上，对图像采集模块进行标定。其中，所述步骤S2中还包括如下步骤：

步骤S21:将标定板水平放置于测量平台上，通过图像采集模块对标定板进行图像采集；

步骤S22:对所拍摄的标定板图像进行标定点像素坐标提取，在测量处理模块中进行摄像头系统标定，得出准确的放大倍率。

步骤S3:取走标定板，将模具和掩膜板固定在电控平台上，控制模块驱动电控平台对模具进行步进拍照。其中，所述步骤S3中还包括如下步骤：

步骤S31:根据模具大小选择激光光刻掩膜板的尺寸大小，使掩膜板可完全覆盖模具；

步骤S32:根据模具上的孔径在测微显微镜放大下的圆环线宽来决定激光光刻掩膜板规则图案的线宽，掩膜板规则图案的线宽为手机镜片模具孔径圆环线宽的十分之一；

步骤S33:根据图像采集模块的视场大小，绘制激光光刻掩膜板的图案，确保掩膜板图案在两个视场大小内无重复图样，且图样间距适中，不可过密，线条间距大于十倍线宽，防止掩膜板图案过密而掩盖下方模具的孔径；

步骤S34:激光光刻掩膜板的图案线条为反射率较低的非透明材质，该材质的线条在成像中较为明显，有助于特征点的筛选和匹配，可以明显提高图像的处理效率，降低工作量；

步骤S35:将激光光刻掩膜板刻有规则图案的一面贴紧模具表面，并保持掩膜板、手机镜片模具和电控平移台载物台三者相对固定，在步进拍照时不会产生相对位移，提高系统的测量精度。

步骤S4:测量处理模块抓取图像数据中的特征点，对不同图像中的特征点进行匹配和处理，得到模具中注塑孔的孔径信息。其中，所述步骤S4中还包括如下步骤：

步骤S41:设一个空点集D；

步骤S42:对相邻两幅图像进行特征点检测和匹配，获得两幅图像的相对坐标变换矩阵T；

步骤S43:对步骤S41中的两幅图像进行分割处理，获取模具孔径圆环的亚像素轮廓边缘点集，其中模板图的轮廓点集为A，待匹配图的轮廓点集为B，并将点集A合并到点集D＝[D,A]；

步骤S44:变换矩阵T作用于点集D，得到点集C；

步骤S45:将点集B与点集C合并，得到点集D＝[B,C]；

步骤S46:重复步骤S42至步骤S46，直至处理完所有图像；

步骤S47:利用最小二乘法对点集D进行圆拟合，得到多孔径的直径和相对距离。

本发明的工作过程和原理是：本发明首先通过标定板对测量系统的图像采集和处理模块进行标定，得出精确的放大倍率；然后将模具和掩膜板一起放到测量平台上，选择合适的步进拍照方案和步进线路并开始拍照测量；最后通过图像采集模块生成带有特征点的图像数据，通过图像处理模块对生成的图像数据进行特征点匹配和拟合，计算出模具上的多孔径尺寸和相对位置。本发明的结构简单、成本低、使用方便，利用带有规则图案的掩膜板增加图像特征点数量并结合基于特征点匹配的测量方案，可以明显提高测量系统的精度，同时显著降低图像处理的工作量；另外，本发明在不升级原有平台的基础上将测量精度提高一个数量级(从10um提高到1um)，不仅节省了成本，而且还缩短了处理时间，提高了工作效率。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)与传统的人工光电图像测量系统相比，本发明使用10um精度的双轴电控平移台实现自动化控制。

(2)本发明利用特征点匹配的方法获得多张图像的亚像素边缘轮廓点的相对坐标，与利用图像拼接法获得图像相对坐标相比，本方法可大大降低数据处理量，明显提高处理效率。

(3)本发明通过掩膜板和特征点匹配技术的配合使用，获得高精度的孔径尺寸，与采用昂贵的1um精度双轴电控平台方案相比，具有极低的成本优势，大大节省了设备的一次性投入。

(4)本发明采用图像特征点匹配技术代替传统的图像拼接技术，可以明显减少图像的处理量，降低技术机的工作负荷，提高图像的处理速度和效率，获得更高精度的孔径尺寸。

附图说明

图1是本发明所提供的自动测量系统的结构示意图。

图2是本发明所提供的基于特征点匹配的测量方法的流程图。

图3是本发明所提供的带有规则图案的掩膜板。

图4是本发明所提供的规则图案的局部放大图。

上述附图中的标号说明：1-掩膜板，3-显微镜，4-图像传感器，5-升降支座，6-底座。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本发明公开了一种基于特征点匹配的手机镜片模具微米级自动测量系统，该系统主要包括：双轴电控平移台(图中未示出)、激光光刻掩膜板1、标定板(图中未示出)、显微镜3、图像传感器4、升降支座5、底座6、图像采集系统(图中未示出)、计算机控制及测量处理系统(图中未示出)。

其中，10um精度的双轴电控平移台由双轴平移台和数字控制箱组成，用于水平放置手机镜片模具，可实现X轴和Y轴的单步或多步平移控制，实现测量自动化。

其中，如图3和图4所示，激光光刻掩膜板1刻有自定义规则图案，覆盖于镜片模具表面，增加图像特征点，可显著提高后期图像特征点匹配精度。

其中，图像采集系统由图像传感器4和可变焦远心测微显微镜3组成，图像采集系统光轴线与双轴电控平移台互相垂直，可变焦远心测微显微镜3设有调节环(图中未示出)，可微调工作距达到对焦的效果，也可实现不同的倍率和工作距。

其中，计算机控制及测量处理系统可进行双轴电控平移台控制、摄像头系统标定、图像特征点检测与匹配运算、亚像素边缘轮廓提取与圆的拟合测量运算。

如图1和图2所示，本发明还公开了一种基于特征点匹配的手机镜片模具微米级自动测量方法，主要包括如下步骤：

S1：根据测量精度要求选择合适的放大倍率，根据手机镜片模具尺寸选择合适的平移台步进方案；

S2：图像采集系统的标定；

S3：结合激光光刻掩膜板1采集图像；

S4：在计算机测量处理系统里对图像进行处理和特征点匹配，测量出多孔径直径和相对距离。

作为优选方案，对于步骤S1，根据测量精度要求选择合适的放大倍率，根据手机镜片模具尺寸选择合适的平移台步进方案包括如下步骤：

S1-1：将手机镜片模具固定于双轴电控平移台载物台，与图像传感器4和可变焦远心测微显微镜3组保持垂直；

S1-2：调节测微显微镜3放大倍率，在满足精度要求下使得像素容许误差大于4个像素；

S1-3：调节可变焦远心测微显微镜3调节环进行对焦，选择合适工作距离；

S1-4：根据手机镜片模具孔径大小和间距，选择合适的电控平移台步进间隔、步进量和步进路线，步进间隔应小于图像宽度的二分之一，步进量和步进路线应确保按照步进间隔连续环绕手机镜片模具孔径一周。

作为优选方案，对于步骤S2，图像采集系统的标定包括如下步骤：

S2-1：将标定板水平放置于电控平移台，用图像采集系统进行标定板图像采集；

S2-2：对所拍摄的标定板图像进行标定点像素坐标提取，在计算机测量处理系统中进行摄像头系统标定，得出准确放大倍率。

作为优选方案，对于步骤S3，结合激光光刻掩膜板采集图像包括如下步骤：

S3-1：根据手机镜片模具大小选择激光光刻掩膜板1大小，使掩膜板1可完全覆盖手机镜片模具；

S3-2：根据手机镜片模具孔径在测微显微镜3放大下的圆环线宽来决定激光光刻掩膜板1图案线宽，掩膜板1图案线宽约为手机镜片模具孔径圆环线宽的十分之一；

S3-3：根据图像采集系统视场大小，绘制激光光刻掩膜板1图案，要求掩膜1板图案在两个视场大小内无重复图样，且图样不可过密，线条间距应大于十倍线宽；

S3-4：激光光刻掩膜板1图案线条应为反射率较低的非透明材质；

S3-5：将激光光刻掩膜板1刻有自定义规则图案的一面贴紧手机镜片模具表面，保持掩膜板1、手机镜片模具和电控平移台载物台无相对位移。

作为优选方案，对于步骤S4，在计算机测量处理系统里对图像进行处理和特征点匹配，测量出多孔径直径和相对距离包括如下步骤：

S4-1：设一个空点集D；

S4-2：对相邻两幅图像进行特征点检测和匹配，获得两幅图像的相对坐标变换矩阵T；

S4-3：对S4-1步骤中的两幅图像进行分割处理，获取手机模具孔径圆环的亚像素轮廓边缘点集，其中模板图的轮廓点集为A，待匹配图的轮廓点集为B，并将点集A合并到点集D＝[D,A]；

S4-4：变换矩阵T作用于点集D，得到点集C；

S4-5：将点集B与点集C合并，得到点集D＝[B,C]；

S4-6：重复步骤S4-2到S4-6，直至处理完所有图像；

S4-7：利用最小二乘法对点集D进行圆拟合，得到多孔径的直径和相对距离。

本发明的工作过程和原理是：本发明首先通过标定板对测量系统的图像采集和处理模块进行标定，得出精确的放大倍率；然后将模具和掩膜板1一起放到测量平台上，选择合适的步进拍照方案和步进线路并开始拍照测量；最后通过图像采集模块生成带有特征点的图像数据，通过图像处理模块对生成的图像数据进行特征点匹配和拟合，计算出模具上的多孔径尺寸和相对位置。本发明的结构简单、成本低、使用方便，利用带有规则图案的掩膜板1作为标尺并结合基于特征点匹配的测量方案，可以明显提高测量系统的精度，同时显著降低图像处理的工作量；另外，本发明在不升级原有平台的基础上将测量精度提高一个数量级(从10um提高到1um)，不仅节省了成本，而且还缩短了处理时间，提高了工作效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于特征点匹配的自动测量系统，其特征在于，包括用于驱动镜片模具移动的双轴电控平台，刻有规则图案的掩膜板，显微镜，图像传感器，用于图像采集，处理及控制镜片模具位移的控制系统，升降支座，以及底座；

镜片模具固定在所述双轴电控平台上，所述掩膜板设置在镜片模具上方，所述双轴电控平台、镜片模具和掩膜板三者相对固定，在控制系统的驱动下步进拍照并通过抓取图像中的特征点来测出镜片模具的尺寸信息；所述显微镜位于掩膜板的上方，与升降支座的一端固定连接，所述图像传感器设置在显微镜上，通过显微镜采集镜片模具的图像信息并传送给控制系统，所述升降支座的另一端设置在底座上，通过调节显微镜的高度来提高图像传感器的成像质量；

所述基于特征点匹配的自动测量系统通过下述步骤测量：

步骤S1:根据镜片模具的尺寸以及注塑孔的数量来选择合适的步进拍照方案；

步骤S2:将标定板放到电控平台上，对图像采集模块进行标定；

步骤S3:取走标定板，将镜片模具和掩膜板固定在电控平台上，控制模块驱动电控平台对镜片模具进行步进拍照；

步骤S4:测量处理模块抓取图像数据中的特征点，对不同图像中的特征点进行匹配和处理，得到镜片模具中注塑孔的孔径信息；

所述步骤S3中还包括如下步骤：

步骤S31:根据镜片模具大小选择激光光刻掩膜板的尺寸大小，使掩膜板可完全覆盖镜片模具；

步骤S32:根据镜片模具上的孔径在测微显微镜放大下的圆环线宽来决定激光光刻掩膜板规则图案的线宽，掩膜板规则图案的线宽为镜片模具孔径圆环线宽的十分之一；

步骤S33:根据图像采集模块的视场大小，绘制激光光刻掩膜板的图案，确保掩膜板图案在两个视场大小内无重复图样，且图样间距适中，线条间距大于十倍掩膜板规则图案线宽；

步骤S34:激光光刻掩膜板的图案线条为反射率较低的非透明材质；

步骤S35:将激光光刻掩膜板刻有规则图案的一面贴紧镜片模具表面，并保持掩膜板、镜片模具和电控平移台载物台无相对位移。

2.根据权利要求1所述的基于特征点匹配的自动测量系统，其特征在于，所述控制系统包括图像采集模块、控制模块和测量处理模块；所述图像采集模块与图像传感器连接，通过图像传感器将采集到的图像信息转化为可处理的图像数据；所述控制模块与双轴电控平台连接，控制镜片模具和掩膜板在平台上的步进距离；所述测量处理模块抓取并匹配图像采集模块生成的图像数据中的特征点来计算出镜片模具上的孔径信息。

3.根据权利要求2所述的基于特征点匹配的自动测量系统，其特征在于，所述自动测量系统还包括测量前用于标定图像中单位尺寸对应的实际尺寸的标定板；所述标定板设置在双轴电控平台上。

4.根据权利要求2所述的基于特征点匹配的自动测量系统，其特征在于，所述掩膜板为玻璃材质，采用激光工艺在表面上雕刻用于度量的规则图案。

5.根据权利要求1所述的基于特征点匹配的自动测量系统，其特征在于，所述步骤S1中还包括如下步骤：

步骤S11:将镜片模具固定在测量平台上，与图像传感器和显微镜保持垂直；

步骤S12:调节显微镜放大倍率，在满足精度要求下使得像素容许误差大于4个像素；

步骤S13:调节显微镜的调节环进行对焦，选择合适工作距离；

步骤S14:根据镜片模具上的孔径大小和间距，为测量平台选择合适的步进间隔、步进量和步进路线，步进间隔小于图像宽度的二分之一，步进量和步进路线按照步进间隔连续环绕镜片模具孔径一周。

6.根据权利要求1所述的基于特征点匹配的自动测量系统，其特征在于，所述步骤S2中还包括如下步骤：

步骤S21:将标定板水平放置于测量平台上，通过图像采集模块对标定板进行图像采集；

步骤S22:对所拍摄的标定板图像进行标定点像素坐标提取，在测量处理模块中进行摄像头系统标定，得出准确的放大倍率。

7.根据权利要求1所述的基于特征点匹配的自动测量系统，其特征在于，所述步骤S4中还包括如下步骤：

步骤S41:设一个点集D，该点集D为空点集；

步骤S42:对相邻两幅图像进行特征点检测和匹配，获得两幅图像的相对坐标变换矩阵T；

步骤S43:对步骤S41中的两幅图像进行分割处理，获取镜片模具孔径圆环的亚像素轮廓边缘点集，其中模板图的轮廓点集为A，待匹配图的轮廓点集为B，并将点集A合并到点集D，构成新的点集D；

步骤S44:变换矩阵T作用于新的点集D，得到点集C；

步骤S45:将点集B与点集C合并，得到合并后的点集D；

步骤S46:重复步骤S42至步骤S46，直至处理完所有图像；

步骤S47:利用最小二乘法对合并后的点集D进行圆拟合，得到多孔径的直径和相对距离。