CN106705898A - 一种点阵结构光测量平面度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种点阵结构光测量平面度的方法，本发明通过运用点阵结构光与激光三角法的原理，简便快捷的完成平面度的中等精度的测量。首先通过理论计算，可以得到点阵结构光各个光点在理想平面上的世界坐标；再采用图像采集器标定的方法，进行坐标变换，得到相对应的图像坐标；通过摄像头获取图像，来完成各个待测平面上的光点世界坐标到图像坐标的变换；再通过运算，得到各个光点对应的两个图像坐标之间的差值；运用激光三角法的原理，再一次进行坐标变换，得到图像坐标差值对应的物理位移；对各个光点的物理位移进行处理，得到待测面的平面度。

Description

一种点阵结构光测量平面度的方法

技术领域

涉及平面度测量领域，特别是一种点阵结构光测量平面度的方法。

背景技术

平面度测量是指被测实际表面对其理想平面的变动量。平面度误差是将被测实际表面与理想平面进行比较，两者之间的线值距离即为平面度误差值；或通过测量实际表面上若干点的相对高度差，再换算以线值表示的平面度误差值。平面度误差测量的常用方法有如下几种：1、平晶干涉法：用光学平晶的工作面体现理想平面，直接以干涉条纹的弯曲程度确定被测表面的平面度误差值。主要用于测量小平面，如量规的工作面和千分尺测头测量面的平面度误差。2、打表测量法：打表测量法是将被测零件和测微计放在标准平板上，以标准平板作为测量基准面，用测微计沿实际表面逐点或沿几条直线方向进行测量。打表测量法按评定基准面分为三点法和对角线法：三点法是用被测实际表面上相距最远的三点所决定的理想平面作为评定基准面，实测时先将被测实际表面上相距最远的三点调整到与标准平板等高；对角线法实测时先将实际表面上的四个角点按对角线调整到两两等高。然后用测微计进行测量，测微计在整个实际表面上测得的最大变动量即为该实际表面的平面度误差。3、液平面法：液平面法是用液平面作为测量基准面，液平面由“连通罐”内的液面构成，然后用传感器进行测量。此法主要用于测量大平面的平面度误差。4、光束平面法：光束平面法是采用准值望远镜和瞄准靶镜进行测量，选择实际表面上相距最远的三个点形成的光束平面作为平面度误差的测量基准面。5、激光平面度测量仪：激光平面度测量仪用于测量大型平面的平面度误差。6、利用数据采集仪连接百分表测量平面度误差的方法。测量仪器：偏摆仪、百分表、数据采集仪。测量原理：数 据采集仪可从百分表中实时读取数据，并进行平面度误差的计算与分析，平面度误差计算工式已嵌入我们的数据采集仪软件中，完全不需要人工去计算繁琐的数据，可以大大提高测量的准确率。

现有技术还未出现运用点阵结构光与激光三角法结合，简便快捷的完成平面度的中等精度的测量的方法，本发明解决这样的问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种点阵结构光测量平面度的方法，本发明通过运用点阵结构光与激光三角法的原理，简便快捷的完成平面度的中等精度的测量。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种点阵结构光测量平面度的方法，包括：如下步骤：

步骤一：使用棋盘标定板对图像采集器进行标定，得到图像采集器的内参数矩阵，畸变系数和图像采集器相对于待测平面的外参数，即旋转向量和平移向量；

步骤二：理论推导点阵结构光在待测位置上的理想平面上的分布，得到点阵中各点在世界坐标系中的坐标；

步骤三：进行坐标转换，即对理想平面进行投影，将理想平面上点阵结构光中的各点从世界坐标系映射到像素坐标系中，得到点阵中各点在像素坐标系中的坐标1；

步骤四：使用点阵结构光发光器将点阵结构光照射待测平面上，利用已标定的图像采集器采集投影图像，发送到中央处理器对获得的图像进行处理，得到点阵中各点的在像素坐标系中的坐标2；

步骤五：将与点阵结构光中各点逐一对应的坐标1与坐标2做差值，得 到各点的像素偏移量；

步骤六：应用光电三角法测量方法的原理，得到对应点的物理偏移；并进行数据处理，得到待测面的平面度；光电三角法测量方法的原理具体为：激光器激发单点式发射光，经会聚透镜聚焦后，照射在待测物体表面；待测物体表面发生漫反射，接收透镜接收散射光，并成像于CCD的成像面上；当待测物体表面发生变化或移动，入射光点在入射光轴的方向上移动。

前述的一种点阵结构光测量平面度的方法，步骤二：理论推导点阵结构光在待测位置上的理想平面上的分布，得到点阵中各点在世界坐标系中的坐标；点阵结构光通过投影仪做为光源生成的投影图像产生，或通过点激光经正交光栅生成的衍射图像产生。

前述的一种点阵结构光测量平面度的方法，步骤三：进行坐标转换，即对理想平面进行投影，将理想平面上点阵结构光中的各点从世界坐标系映射到像素坐标系中，得到点阵中各点在像素坐标系中的坐标1；坐标转换具体过程为：将理想平面上点阵结构光中的各点的世界坐标转换为摄像机坐标，再将摄像机坐标转换为像平面坐标，进行畸变校正，再将像平面坐标转换为像素坐标。

前述的一种点阵结构光测量平面度的方法，步骤四：使用点阵结构光发光器将点阵结构光照射待测平面上，利用已标定的图像采集器采集投影图像，发送到中央处理器对获得的图像进行处理，得到点阵中各点的在像素坐标系中的坐标2；

图像处理的方法具体为：

1)打开待处理的图片，并校正图片的畸变；

2)生成灰度图像，并进行平滑滤波、开运算、闭运算等预处理；

3)对灰度图像进行阈值化；

4)查找灰度图像的轮廓，采用矩形拟合的方式确定光斑所在的区域；

5)在矩形区域内，运用重心法，即式(1)(2)计算光斑的中心；

式中，S为目标区域，(x₀，y₀)为目标形心，I为像素的灰度值，(i，j)为像素坐标；

6)运用曲线拟合的方法，即式(3)(4)精确定位光斑的中心；式中，(x_sub，y_sub)为目标形心；(x₀，y₀)为重心法得到的形心，灰度值为f_0x或f_0y；f_-1x，f_1x为以(x₀，y₀)这个像素点为基准分别向前、向后获取一个像素点的灰度值；f_-1y，f_1y以(x₀，y₀)这个像素点为基准分别向上、向下获取一个像素点的灰度值；

至此，得到点阵中各点的在像素坐标系中的坐标。

前述的一种点阵结构光测量平面度的方法，步骤六：应用光电三角法测量方法的原理，得到对应点的物理偏移；并进行数据处理，得到待测面的平面度；光电三角法测量方法的原理具体为：激光器激发单点式发射光，经会聚透镜聚焦后，照射在待测物体表面；待测物体表面发生漫反射，接收透镜接收散射光，并成像于CCD的成像面上；当待测物体表面发生变化或移动，入射光点在入射 光轴的方向上移动；光电三角法测量方法的具体计算过程为：设成像透镜的焦距为f，由斯凯普弗拉格条件，即物面、透镜主面、成像面必须相交于同一条直线，得：

由高斯定理可得：

由三角关系结合正弦定理整理可得：

在实际测量中，物像关系一定，因此物距a和像距b可知，也可以确定入射光线和反射光线的夹角θ₁和CCD成像面与成像透镜的夹角θ₂，这样只要知道像点在CCD成像面上的位移x’，就可以求得物点的位移x。

前述的一种点阵结构光测量平面度的方法，步骤六：应用光电三角法测量方法的原理，得到对应点的物理偏移；并进行数据处理，得到待测面的平面度；光电三角法测量方法的原理具体为：激光器激发单点式发射光，经会聚透镜聚焦后，照射在待测物体表面；待测物体表面发生漫反射，接收透镜接收散射光，并成像于CCD的成像面上；当待测物体表面发生变化或移动，入射光点在入射光轴的方向上移动；

数据处理具体步骤为：

首先要建立一个测量参考面，称为测量基面；测量点相对于测量基面的偏移就是测量值；对测量值进行数据处理，得到评定平面度误差的理想平面，这个理想平面称为评定基面；将各测量点的测量值转换为相对于评定基面的距离；各测量点位于评定基面上方时距离取正值，位于评定基面下方时距离取负值， 寻找各测量点距离的最大值和最小值，二者的差值就是平面度误差值；

根据评定基面不同的选取方法，评定平面度误差的方法可分为：对角线平面法，三远点平面法，最小二乘法和最小包容区域法；三远点法选取的评定基面是相距较远的三个点所建立的平面；

假设点阵结构光中各点所对应的偏移量如下述矩阵所示：

选择a₁，e₁，e₅这三个相距较远且不在一条直线上的点，建立评定基面，评定平面度误差；

以a₁和e₁连线为旋转轴进行旋转，旋转量为P，使得e₁和e₅的坐标值相等，变换结果如矩阵(9)所示；

以e₁和e₅连线为旋转轴进行旋转，旋转向量为Q，使得a₁的坐标值与e₁、e₅的坐标值相等，结果如矩阵(10)所示；

利用a₁，e₁，e₅坐标值相等求出旋转量P和Q；将P和Q也代入矩阵(10)，找出坐标值的最大值和最小值；对这两个数据做差值，计算结果就是所要得到的平面度误差值。

前述的一种点阵结构光测量平面度的方法，图像采集器为单目相机。

本发明的有益之处在于：本发明提供一种点阵结构光测量平面度的方法，本发明通过运用点阵结构光与激光三角法的原理，简便快捷的完成平面度的中等精度的测量。首先通过理论计算，可以得到点阵结构光各个光点在理想平面上的世界坐标；再采用图像采集器标定的方法，进行坐标变换，得到相对应的图像坐标；通过摄像头获取图像，来完成各个待测平面上的光点世界坐标到图像坐标的变换；再通过运算，得到各个光点对应的两个图像坐标之间的差值；运用激光三角法的原理，再一次进行坐标变换，得到图像坐标差值对应的物理位移；对各个光点的物理位移进行处理，得到待测面的平面度。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图；

图2是本发明的激光三角法的原理图。

图中附图标记的含义：

a为物距，即待测点到成像透镜的距离；b为像距，即成像点到成像透镜的距离；θ₁为入射光线与反射光线的夹角；θ₂为CCD成像面与成像透镜的夹角；x为待测点移动的距离；x’为待测点对应的成像点在CCD成像面上移动的距离。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一种点阵结构光测量平面度的方法，包括：如下步骤：

步骤一：使用棋盘标定板对图像采集器进行标定，得到图像采集器的内参 数矩阵，畸变系数和图像采集器相对于待测平面的外参数，即旋转向量和平移向量。作为一种优选，图像采集器为单目相机。

步骤二：理论推导点阵结构光在待测位置上的理想平面上的分布，得到点阵中各点在世界坐标系中的坐标；点阵结构光通过投影仪做为光源生成的投影图像产生，或通过点激光经正交光栅生成的衍射图像产生。

步骤三：进行坐标转换，即对理想平面进行投影，将理想平面上点阵结构光中的各点从世界坐标系映射到像素坐标系中，得到点阵中各点在像素坐标系中的坐标1；坐标转换具体过程为：将理想平面上点阵结构光中的各点的世界坐标转换为摄像机坐标，再将摄像机坐标转换为像平面坐标，进行畸变校正，再将像平面坐标转换为像素坐标。

步骤四：使用点阵结构光发光器将点阵结构光照射待测平面上，利用已标定的图像采集器采集投影图像，发送到中央处理器对获得的图像进行处理，得到点阵中各点的在像素坐标系中的坐标2；

图像处理的方法具体为：

1)打开待处理的图片，并校正图片的畸变；

2)生成灰度图像，并进行平滑滤波、开运算、闭运算等预处理；

3)对灰度图像进行阈值化；

4)查找灰度图像的轮廓，采用矩形拟合的方式确定光斑所在的区域；

5)在矩形区域内，运用重心法，即式(1)(2)计算光斑的中心；

式中，S为目标区域，(x₀，y₀)为目标形心，I为像素的灰度值，(i，j)为像素坐标；

6)运用曲线拟合的方法，即式(3)(4)精确定位光斑的中心；式中，(x_sub，y_sub)为目标形心；(x₀，y₀)为重心法得到的形心，灰度值为f_0x或f_0y；f_-1x，f_1x为以(x₀，y₀)这个像素点为基准分别向前、向后获取一个像素点的灰度值；f_-1y，f_1y以(x₀，y₀)这个像素点为基准分别向上、向下获取一个像素点的灰度值；

至此，得到点阵中各点的在像素坐标系中的坐标。

步骤五：将与点阵结构光中各点逐一对应的坐标1与坐标2做差值，得到各点的像素偏移量。

步骤六：应用光电三角法测量方法的原理，得到对应点的物理偏移；并进行数据处理，得到待测面的平面度；光电三角法测量方法的原理具体为：激光器激发单点式发射光，经会聚透镜聚焦后，照射在待测物体表面；待测物体表面发生漫反射，接收透镜接收散射光，并成像于CCD的成像面上；当待测物体表面发生变化或移动，入射光点在入射光轴的方向上移动。

光电三角法测量方法的具体计算过程为：设成像透镜的焦距为f，由斯凯普弗拉格条件，即物面、透镜主面、成像面必须相交于同一条直线，得：

由高斯定理可得：

由三角关系结合正弦定理整理可得：

在实际测量中，物像关系一定，因此物距a和像距b可知，也可以确定入射光线和反射光线的夹角θ₁和CCD成像面与成像透镜的夹角θ₂，这样只要知道像点在CCD成像面上的位移x’，就可以求得物点的位移x。

数据处理具体步骤为：

首先要建立一个测量参考面，称为测量基面；测量点相对于测量基面的偏移就是测量值；对测量值进行数据处理，得到评定平面度误差的理想平面，这个理想平面称为评定基面；将各测量点的测量值转换为相对于评定基面的距离；各测量点位于评定基面上方时距离取正值，位于评定基面下方时距离取负值，寻找各测量点距离的最大值和最小值，二者的差值就是平面度误差值；

根据评定基面不同的选取方法，评定平面度误差的方法可分为：对角线平面法，三远点平面法，最小二乘法和最小包容区域法；三远点法选取的评定基面是相距较远的三个点所建立的平面；

假设点阵结构光中各点所对应的偏移量如下述矩阵所示：

选择a₁，e₁，e₅这三个相距较远且不在一条直线上的点，建立评定基面，评定平面度误差；

以a₁和e₁连线为旋转轴进行旋转，旋转量为P，使得e₁和e₅的坐标值相等， 变换结果如矩阵(9)所示；

以e₁和e₅连线为旋转轴进行旋转，旋转向量为Q，使得a₁的坐标值与e₁、e₅的坐标值相等，结果如矩阵(10)所示；

利用a₁，e₁，e₅坐标值相等求出旋转量P和Q；将P和Q也代入矩阵(10)，找出坐标值的最大值和最小值；对这两个数据做差值，计算结果就是所要得到的平面度误差值。

该方法首先由激光器和点阵光栅或数字投影结构光发生器产生点阵结构光，并将点阵结构光投射到待测平面，使用摄像头获取点阵结构光在待测面上的投影图像，通过理论分析和图像处理得到点阵结构光的待测面上空间分布特性，并经过相机标定得到各光点在虚拟理想平面上的投影图像。比较实际和虚拟投影图像对应点的偏移，采用激光三角法的原理，计算出对应点的高度信息，进而测得平面度。

本发明提供一种点阵结构光测量平面度的方法，本发明通过运用点阵结构光与激光三角法的原理，简便快捷的完成平面度的中等精度的测量。首先通过理论计算，可以得到点阵结构光各个光点在理想平面上的世界坐标；再采用图 像采集器标定的方法，进行坐标变换，得到相对应的图像坐标；通过摄像头获取图像，来完成各个待测平面上的光点世界坐标到图像坐标的变换；再通过运算，得到各个光点对应的两个图像坐标之间的差值；运用激光三角法的原理，再一次进行坐标变换，得到图像坐标差值对应的物理位移；对各个光点的物理位移进行处理，得到待测面的平面度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种点阵结构光测量平面度的方法,其特征在于，包括：如下步骤：

步骤一：使用棋盘标定板对图像采集器进行标定，得到图像采集器的内参数矩阵，畸变系数和图像采集器相对于待测平面的外参数，即旋转向量和平移向量；

步骤二：理论推导点阵结构光在待测位置上的理想平面上的分布，得到点阵中各点在世界坐标系中的坐标；

步骤三：进行坐标转换，即对理想平面进行投影，将理想平面上点阵结构光中的各点从世界坐标系映射到像素坐标系中，得到点阵中各点在像素坐标系中的坐标1；

步骤四：使用点阵结构光发光器将点阵结构光照射待测平面上，利用已标定的图像采集器采集投影图像，发送到中央处理器对获得的图像进行处理，得到点阵中各点的在像素坐标系中的坐标2；

步骤五：将与点阵结构光中各点逐一对应的坐标1与坐标2做差值，得到各点的像素偏移量；

步骤六：应用光电三角法测量方法的原理，得到对应点的物理偏移；并进行数据处理，得到待测面的平面度；光电三角法测量方法的原理具体为：激光器激发单点式发射光，经会聚透镜聚焦后，照射在待测物体表面；待测物体表面发生漫反射，接收透镜接收散射光，并成像于CCD的成像面上；当待测物体表面发生变化或移动，入射光点在入射光轴的方向上移动。

2.根据权利要求1所述的一种点阵结构光测量平面度的方法,其特征在于，步骤二：理论推导点阵结构光在待测位置上的理想平面上的分布，得到点阵中各点在世界坐标系中的坐标；上述点阵结构光通过投影仪做为光源生成的投影 图像产生，或通过点激光经正交光栅生成的衍射图像产生。

3.根据权利要求1所述的一种点阵结构光测量平面度的方法,其特征在于，步骤三：进行坐标转换，即对理想平面进行投影，将理想平面上点阵结构光中的各点从世界坐标系映射到像素坐标系中，得到点阵中各点在像素坐标系中的坐标1；上述坐标转换具体过程为：将理想平面上点阵结构光中的各点的世界坐标转换为摄像机坐标，再将摄像机坐标转换为像平面坐标，进行畸变校正，再将像平面坐标转换为像素坐标。

4.根据权利要求1所述的一种点阵结构光测量平面度的方法,其特征在于，步骤四：使用点阵结构光发光器将点阵结构光照射待测平面上，利用已标定的图像采集器采集投影图像，发送到中央处理器对获得的图像进行处理，得到点阵中各点的在像素坐标系中的坐标2；

上述图像处理的方法具体为：

1)打开待处理的图片，并校正图片的畸变；

2)生成灰度图像，并进行平滑滤波、开运算、闭运算等预处理；

3)对灰度图像进行阈值化；

4)查找灰度图像的轮廓，采用矩形拟合的方式确定光斑所在的区域；

5)在矩形区域内，运用重心法，即式(1)(2)计算光斑的中心；式中，S为目标区域，(x₀，y₀)为目标形心，I为像素的灰度值，(i，j)为像素坐标；

6)运用曲线拟合的方法，即式(3)(4)精确定位光斑的中心；式中，(x_sub，y_sub)为目标形心；(x₀，y₀)为重心法得到的形心，灰度值为f_0x或f_0y；f_-1x，f_1x为以(x₀，y₀)这个像素点为基准分别向前、向后获取一个像素点的灰度值；f_-1y，f_1y以(x₀，y₀)这个像素点为基准分别向上、向下获取一个像素点的灰度值；

至此，得到点阵中各点的在像素坐标系中的坐标。

5.根据权利要求1所述的一种点阵结构光测量平面度的方法,其特征在于，步骤六：应用光电三角法测量方法的原理，得到对应点的物理偏移；并进行数据处理，得到待测面的平面度；光电三角法测量方法的原理具体为：激光器激发单点式发射光，经会聚透镜聚焦后，照射在待测物体表面；待测物体表面发生漫反射，接收透镜接收散射光，并成像于CCD的成像面上；当待测物体表面发生变化或移动，入射光点在入射光轴的方向上移动；上述光电三角法测量方法的具体计算过程为：设成像透镜的焦距为f，由斯凯普弗拉格条件，即物面、透镜主面、成像面必须相交于同一条直线，得：

由高斯定理可得：

由三角关系结合正弦定理整理可得：

在实际测量中，物像关系一定，因此物距a和像距b可知，也可以确定入射光线和反射光线的夹角θ₁和CCD成像面与成像透镜的夹角θ₂，这样只要知道像点在CCD成像面上的位移x’，就可以求得物点的位移x。

6.根据权利要求1所述的一种点阵结构光测量平面度的方法,其特征在于，步骤六：应用光电三角法测量方法的原理，得到对应点的物理偏移；并进行数据处理，得到待测面的平面度；光电三角法测量方法的原理具体为：激光器激发单点式发射光，经会聚透镜聚焦后，照射在待测物体表面；待测物体表面发生漫反射，接收透镜接收散射光，并成像于CCD的成像面上；当待测物体表面发生变化或移动，入射光点在入射光轴的方向上移动；

上述数据处理具体步骤为：

首先要建立一个测量参考面，称为测量基面；测量点相对于测量基面的偏移就是测量值；对测量值进行数据处理，得到评定平面度误差的理想平面，这个理想平面称为评定基面；将各测量点的测量值转换为相对于评定基面的距离；各测量点位于评定基面上方时距离取正值，位于评定基面下方时距离取负值，寻找各测量点距离的最大值和最小值，二者的差值就是平面度误差值；

根据评定基面不同的选取方法，评定平面度误差的方法可分为：对角线平面法，三远点平面法，最小二乘法和最小包容区域法；三远点法选取的评定基面是相距较远的三个点所建立的平面；

假设点阵结构光中各点所对应的偏移量如下述矩阵所示：

选择a₁，e₁，e₅这三个相距较远且不在一条直线上的点，建立评定基面，评定平面度误差；

以a₁和e₁连线为旋转轴进行旋转，旋转量为P，使得e₁和e₅的坐标值相等，变换结果如矩阵(9)所示；

以e₁和e₅连线为旋转轴进行旋转，旋转向量为Q，使得a₁的坐标值与e₁、e₅的坐标值相等，结果如矩阵(10)所示；

利用a₁，e₁，e₅坐标值相等求出旋转量P和Q；将P和Q也代入矩阵(10)，找出坐标值的最大值和最小值；对这两个数据做差值，计算结果就是所要得到的平面度误差值。

7.根据权利要求1所述的一种点阵结构光测量平面度的方法,其特征在于，上述图像采集器为单目相机。