CN106768891B - 一种基于反射图像方法检测物体表面法线误差的专用设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射图像方法检测物体表面法线误差的专用设备，在被测物体前方放置图像采集设备及图像显示设备；工控机与图像采集器采用有线的USB、Gige、Camera link或无线的方式连接，与图像显示设备采用HDMI、VGA、DSI接口连接；其中图像采集设备放置在被测物体的正前方，镜头正对待检部件用于采集拍摄的被测物体图像；图像显示设备放置在被测物体前端下侧与图像采集设备距离相同位置，并且图像采集设备中心与被测物体中心的连接线和被测物体中心与图像显示设备中心的连接线围绕被测物体中心法线对称。

Description

一种基于反射图像方法检测物体表面法线误差的专用设备

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种基于反射图像方法检测物体表面法线误差的专用设备。

背景技术

在光学物体表面面型测量领域，表面法线作为影响光线反射的直接因素，通常需要重点进行检测。如在太阳能光热领域的微弧曲面镜的检测，其表面法线直接影响聚光效果，降低产品的使用效率，并影响到产品的稳定性，从而影响产品的使用。

目前使用的检测方式主要有2种，即激光检测与立体扫描，所采用的设备分别是：激光反射式检测设备与立体扫描检测设备。

激光反射式检测设备采用岀射激光并检测返回光线角度的方法，可以达到比较高的精度。但是激光反射式检测有其缺点：(1)成本高，单台仪器成本在数千元；(2)受成本和安装位置影响，无法检测更多的点，通常只能数十个点的检测，无法得出更多的表面法线情况。

立体扫描检测设备通过扫描整个镜片曲面的点云图，并在3D软件中将点云图拟合成曲面，从而得出表面情况，并在可在光学软件中拟合聚光效果。立体扫描相比于激光式检测，可以实现更多点的测量，但该设备也有明显缺点：扫描的立体曲面为点云图构成，尽管这种点云图可以很好的体现曲面的变化，但相对于法线的检测，该方式是一种间接的检测方式，法线是利用相邻点间直线的垂线计算得出，这对点云图的精度提高了非常高的要求，即使检测精度在0.1mm，相对于1mm距离的两个点，最大角度也可以相差到：

atan((0.1*2)/1)＝11.3°；对于法线检测来讲是相当大的误差。

而基于反射图像计算方法，可以克服上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是，针对基于反射图像计算方法提供一种基于反射图像方法检测物体表面法线误差的专用设备，用于获取基于反射图像计算方法的输入数据。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于反射图像方法检测物体表面法线误差的专用设备，在被测物体前方放置图像采集设备及图像显示设备；工控机与图像采集器采用有线的USB、Gige、Camera link或无线的方式连接，与图像显示设备采用HDMI、VGA、DSI接口连接；其中图像采集设备放置在被测物体的正前方，镜头正对待检部件用于采集拍摄的被测物体图像；图像显示设备放置在被测物体前端下侧与图像采集设备距离相同位置，并且图像采集设备中心与被测物体中心的连接线和被测物体中心与图像显示设备中心的连接线围绕被测物体中心法线对称。

优选的，图像采集设备放置在被测物体的正前方0.5米至30米处。

优选的，所述图像采集设备包括：设置在图像采集器前端的光学镜头，设置在后端的图像采集芯片，所述采集芯片为CCD或CMOS芯片；后端通过数据线与工控机连接。

有益效果：本发明的设备成本低、其结果可直接输入到算法模块，然后得出检测物体表面法线，用于实现多点数高精度的光学检测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于反射图像计算方法检测物体表面法线误差的专用设备结构图。

图2为本发明实施例提供的基于反射图像计算方法检测物体表面法线误差的专用设备的图像采集器结构图。

图3是CCD芯片上采集图像的点分布图。

图4是平板电视上图像的点分布图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

请参照图1，本实施例是在被测物体1前方放置图像采集设备2及图像显示设备3；工控机4与图像采集器2可以采用有线的USB、Gige、Camera link或无线的方式连接，与图像显示设备采用HDMI、VGA、DSI等接口连接。

其中图像采集设备放置在被测物体1的正前方数米处，光学镜头正对待检部件用于采集拍摄的被测物体1图像。

平板电视作为图像显示设备2放置在被测物体1的前方，通过图像采集设备3观测被测物体1时，可以从被测物体1的反射图像中观测到图像显示设备2显示的图像。

工控机4连接图像采集设备及显示设备，一方面可用于控制显示设备显示设备的图像，另一方面控制采集设备进行图像的采集，同时对图像数据进行处理与分析。

请参照图2，所述图像采集器2的具体结构是：图像采集器前端为光学镜头5，后端为图像采集芯片6，芯片为普通的CCD或CMOS芯片。后端通过数据线9与工控机4连接。其中：5为图像采集器的镜头、6为采集芯(CCD或CMOS图像采集芯片)、7为任意方向的会聚光线、8为外壳、9为数据连接线。

图像采集器主要作用为采集镜头前端图像，并将图像通过镜头汇聚到采集采集芯片6上，通过信号转换传递给工控机4进行显示与处理。

本例中以普通200万像素，1/1.8英寸的CCD采集芯片为例，分辨率为1600*1200，单采集点尺寸为4.4微米，采集到的图像横向为1600个点，纵向为1200个点。

请参照图3，CCD芯片上采集图像的点分布图，以采集到1个点为例，CCD的横向为1600个点，纵向为1200个点(未全画出)，采集到横向第5个纵向第5个点为白色。

请参照图4，平板电视上图像的点分布图，以普通42寸高清平板电视为例，分辨率为1920*1080，横向为1920个点，纵向为1080个点，单点大小为0.48mm，当前显示横向第7个，纵向第5个点为白色。

本实施例的被测物体1是平板镜片、图像采集设备2由普通的工业相机和镜头组成，3为平板电视，平板镜片竖直向右放置，在平板镜片前方上侧放置工业相机，并正对被测平板镜片，平板电视放置在前端下侧与工业相机距离相同位置，并且工业相机中心与平板镜片中心的连接线和平板镜片中心与平板电视中心的连接线围绕平板镜片中心法线对称，以保证用工业相机观测平板镜片时，可以观测到镜片中平板电视的像。工业相机与平板电视均连接工控机。

在按照上述内容安装完成后，实际使用时，主要分为如下步骤：

(1)图像采集，工控机控制平板电视显示多组不同图案的条纹图像或其他特征图像，并控制工业相机进行一幅幅的采集。

(2)图像分析，将采集的图像利用条纹相移法或其他对比方法，计算各个像素位置所对应的在反射镜片及显示器上的位置。

(3)通过计算得到的反射镜片位置、显示器上反射位置以及相机中心，可得入射光线、反射光线的方程，并计算实际的反射法线。

(4)可以直接利用该法线结果，也可以通过计算理论法线并做差得到实际的误差分布。

在此介绍本发明的主要的计算方法：

我们把从相机出发到达P点的观测线称为入射光线，将从P点到平板电视的线路称为反射光学，采用的办法是首先计算出入射光线与反射光线，进而计算出该点法线的方式。

设备按要求摆放好后，我们可以得到以下的尺寸数据：图像采集器的芯片参数(像素为1600*1200，单点大小为4.4微米)、中心Pc点为(Xc，Yc，Zc)、镜头焦距f；可以得到电视的中心尺寸位置Pt(Xt，Yt，Zt)、电视尺寸大小(42寸，单点大小为0.48mm)和分辨率(1920*1080)；镜片与图像采集器中心的Z向距离为d1，镜片与平板电视的距离为d2，以检测样片上任意点点为例，详细讲述法线的计算过程。

首先使用工控机生成1副1920*1080的图像，将该图像指定位置的像素置成白色，其他全为黑色并以全尺寸显示在显示器上，此处以左侧第7个点，上侧第5个点为白色为例。

由于已知电视中心Pt和电视尺寸及分辨率参数，可以计算出Ptv点的数值：

Xtv＝Xt-1920/2*0.48+7*0.48；

Ytv＝Yt-1080/2*0.48+5*0.48；

Ztv＝Zt；

通过相机观测前端镜片，由于看到的是反射平板电视的图像，正常来讲CCD上采集的图片也是黑色，但因为平板电视上的Ptv为白色，因此我们也可以在黑色图像上找到一个对应的白色图像点，设该点在CCD上位置为Pccd。

可以通过图像处理，寻找白色像素的方式找到Pccd在图像上的位置，该位置与在CCD芯片上的位置存在一一对应关系，假设通过寻找确定CCD上横向第5个纵向第5个像素为白色，根据公式同样可以得出该点的空间位置：

Xccd＝Xc-1600/2*0.0044+5(横向)*0.0044；

Yccd＝Yc-1200/2*0.0044+5(纵向)*0.0044；

Zccd＝Zc；

过该空间位置点的入射光线同时通过相机中心Pc，由两点可确定该入射光线方程。

由于被测的平板镜片竖直放置在相机与平板电视的对面，可得出该平板镜片的面方程为：

Z＝Zc-d1；或Z＝Zt-d2；

计算直线与面的交点得到点P的位置坐标(X，Y，Z)。

由于已知反射光线上的点Ptv，同时反射光线必过交点P，通过两点可得出反射光线方程。

最后根据入射光线与反射光线方程求容易求得P点的法线向量。

由于工控机处理数据都在ms级，尽管描述起来计算过程较多，实际的数据处理时速度很快。通过工控机不断重复该过程，即可实现快速的处理和检测。

采用本设备，可以在几秒内对相机采集的数十万至数百万的像素供给计算分析模块进行计算，而利用平板电视作为灵活多变的显示屏幕，可以通过这种点图方式或条纹相移法可以快速的得出采集图片上各个变化图案点对应的实际位置。

通过入射光线与反射光线的方程，计算法线的方式，直接检测出了法线的分布，并且实现了多点高效率的测量，可以拟合出符合实际情况的法线分布，用于检测、分析与优化。

特殊说明：

装置中所涉及的图像采集器可以为工业相机、摄像头或其他的采集装置。

图像显示设备可以为平板电视、LED灯珠、投影设备、或其他使用实际的图片来替代显示设备的方式。

所测量物体可以包括反射镜片：如平板反射镜，各种曲率曲面反射镜等，也可以为光学用镜片、聚光镜片、玻璃制品、陶瓷制品的检测；也可以为一些反射率较高的样片，如金属曲面的检测、手机屏幕、高精模具、曲面电视等的检测。

同时针对一些特殊表面，如红外反射，可采用红外相机及对应的显示装备，来进行采集与测量，都应包含在本发明之内。

同时一些通过光学镜片反射，以达到采集器在测量样件的非前端位置或图像设备在其他位置的间接使用本方案的设备，都应包含在本发明之内。

本发明主要保护的为使用了该种测量原理的测量装置，任何利用了间接的使用了该种测量原理的设备，都应包含在本发明之内。

本发明的技术关键点在于使用视觉方式，通过在测量物体前端放置图像采集器及显示设备，通过采集测量样片上的反射图像，来计算入射光线、反射光线，进而得出实际法线的装置。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种基于反射图像方法检测物体表面法线误差的专用设备，其特征在于，在被测物体（1）前方放置图像采集设备（2）及图像显示设备（3）；工控机（4）与图像采集器（2）采用有线的USB、Gige、Camera link或无线的方式连接，与图像显示设备（3）采用HDMI、VGA、DSI接口连接；

其中图像采集设备（2）放置在被测物体（1）的正前方，镜头（6）正对待检部件用于采集拍摄的被测物体（1）图像；

图像显示设备（3）放置在被测物体（1）前端下侧与图像采集设备（2）距离相同位置，并且图像采集设备（2）中心与被测物体（1）中心的连接线和被测物体（1）中心与图像显示设备（3）中心的连接线围绕被测物体（1）中心法线对称；

所述基于反射图像方法检测物体表面法线误差的专用设备，在使用时分为如下步骤：

步骤1，图像采集，工控机控制平板电视显示多组不同图案的条纹图像或其他特征图像，并控制工业相机进行一幅幅的采集；

步骤2，图像分析，将采集的图像利用条纹相移法或其他对比方法，计算各个像素位置所对应的在反射镜片及显示器上的位置；

步骤3，通过计算得到的反射镜片位置、显示器上反射位置以及相机中心，可得入射光线、反射光线的方程，并计算实际的反射法线；

步骤4，可以直接利用该法线结果，也可以通过计算理论法线并做差得到实际的误差分布。

2.根据权利要求1所述的基于反射图像方法检测物体表面法线误差的专用设备，其特征在于，所述图像采集设备（2）放置在被测物体（1）的正前方0.5米至30米处。

3.根据权利要求1所述的基于反射图像方法检测物体表面法线误差的专用设备，其特征在于，所述图像采集设备（2）包括：设置在图像采集器前端的光学镜头（5），设置在后端的图像采集芯片（6），所述采集芯片（6）为CCD或CMOS芯片；后端通过数据线（9）与工控机（4）连接。

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