CN108489423B - 一种产品表面水平倾斜角度的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种产品表面水平倾斜角度的测量方法及系统，该方法包括：沿产品待测表面的第一方向和第二方向分别选取至少两个测试点，并分别沿第一方向和第二方向获取测试点之间的实际距离，第一方向垂直于第二方向；在已知CCD相机成像清晰度的成像系统中对产品的待测表面成像，并分别计算沿第一方向和第二方向的相应测试点之间的成像距离；分别根据第一方向和第二方向的相应测试点的成像距离和实际距离计算产品待测表面的倾斜角度。本发明测量精度高且测量效率高。

Description

一种产品表面水平倾斜角度的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及产品测量测试技术领域。更具体地，涉及一种产品表面水平倾斜角度的测量方法及系统。

背景技术

目前，测量例如手机等电子设备的显示屏的倾斜角度、水平距离的方式主要是使用激光三角法测量。但是这种方式在没有激光器条件、或者测试空间无法安装激光器的环境下存在很大不便。

除了上述激光三角法测量的方式外，使用机械或者电子测量仪器的平面测量存在两方面问题：第一、测量精度低；第二、测量效率低，不能做到水平面X轴和Y轴方向的同时区别测量，其中，如果重复多次机械测量则需要耗费较多的时间和人力成本。

因此，需要提供一种高精度、高效率的产品表面水平倾斜角度的测量方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度、高效率的产品表面水平倾斜角度的测量方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供了一种产品表面水平倾斜角度的测量方法，该方法包括：

沿产品待测表面的第一方向和第二方向分别选取至少两个测试点，并分别沿第一方向和第二方向获取测试点之间的实际距离，所述第一方向垂直于第二方向；

在已知CCD相机成像清晰度的成像系统中对所述产品的待测表面成像，并分别计算沿第一方向和第二方向的相应测试点之间的成像距离；以及

分别根据第一方向和第二方向的相应测试点的成像距离和实际距离计算产品待测表面的倾斜角度。

优选地，所述在已知CCD相机成像清晰度的成像系统中对所述产品的待测表面成像，并分别计算沿第一方向和第二方向的相应测试点之间的成像距离，进一步包括：

对产品待测表面进行成像，确定清晰度；

获取CCD成像测试点之间的像素个数；

根据已知的清晰度与CCD成像单位像素长度的对应关系，计算测试点之间的成像距离。

优选地，沿产品待测表面的第一方向和第二方向分别选取多个测试点，并分别沿第一方向和第二方向获取多组任意两个测试点之间的实际距离；

分别计算沿第一方向和第二方向的对应多组任意两个测试点之间的成像距离；以及

分别根据第一方向和第二方向的对应多组任意两个测试点的成像距离和实际距离，计算产品待测表面的平均倾斜角度。

优选地，沿产品待测表面的第一方向和第二方向分别选取多个测试点，并分别沿第一方向和第二方向获取多组相邻两个测试点之间的实际距离；

分别计算沿第一方向和第二方向的对应多组相邻两个测试点之间的成像距离；以及

分别根据第一方向和第二方向的对应多组相邻两个测试点的成像距离和实际距离，计算产品待测表面的平均倾斜角度。

优选地，所述产品待测表面为长方形，所述第一方向平行于长方形的长边，所述第二方向平行于长方形的短边。

优选地，该方法进一步包括：

判断第一方向相邻测试点的图像清晰度是否相同，若不同则在第一方向相邻测试点间增加测试点，并分别获取增加测试点后相邻测试点之间的实际距离和成像距离；

判断第二方向相邻测试点的图像清晰度是否相同，若不同则在第二方向相邻测试点间增加测试点，并分别获取增加测试点后相邻测试点之间的实际距离和成像距离。

优选地，该方法还包括：判断CCD相机对产品成像后的图像中产品是否存在水平面角度旋转，若存在则根据旋转的角度分别对第一方向和第二方向测试点之间的实际距离进行修正。

优选地，采用标准图像对产品待测表面选取测试点。

本发明第二方面提供了一种产品表面水平倾斜角度的测量系统，该系统包括：

测量平台；

CCD相机，用于对产品待测表面进行成像；

数据处理单元，根据产品待测表面分别沿第一方向和第二方向的两个测试点测量得到的成像距离和实际距离，计算产品待测表面的倾斜角度。

优选地，所述测量系统进一步包括存储单元，用于存储已知的清晰度与CCD成像单位像素长度的对应关系，所述数据处理单元根据CCD相机得到的测试点之间的像素个数，计算测试点之间的成像距离。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案，在经过标定已知CCD相机与待测表面之间距离条件下不同清晰度与单位像素长度关系的情况下，采用标准图像模板获得测试点和测试点之间之际距离，通过一次成像并获得测试点之间的像素个数，可同时得到产品的水平面分别沿X轴和Y轴方向的倾斜角度。本发明的方法测量精度高且测量效率高，特别适用于对平面度有较高要求的产品的大规模测试流水线，例如对手机等电子设备的显示屏的大规模测试流水线等。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明实施例提供的产品表面水平倾斜角度的测量方法的流程图。

图2示出本发明实施例提供的产品表面水平倾斜角度的测量系统的示意图。

图3示出CCD相机空间成像关系理想模型的示意图。

图4示出CCD相机光学成像的示意图。

图5示出不同图像清晰度的图像的示意图。

图6示出产品存在水平面角度旋转的示意图。

图7示出标定过程及结果的界面截图。

图8示出测量结果的界面截图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种产品表面水平倾斜角度的测量方法，该方法包括：

沿产品待测表面的X轴和Y轴方向分别选取至少两个测试点，并分别沿X轴和Y轴方向获取两个测试点之间的实际距离；

在已知CCD相机成像清晰度的成像系统中对产品的待测表面成像，并分别计算沿X轴和Y轴方向的两个测试点之间的成像距离；以及

分别根据X轴和Y轴方向的两个测试点的成像距离和实际距离计算产品待测表面的倾斜角度。

在具体实施时，在已知CCD相机成像清晰度的成像系统中对产品的待测表面成像，并分别计算沿X轴和Y轴方向的两个测试点之间的成像距离，进一步包括：

已知CCD相机距测量平台或样品待测表面的距离情况下，对产品待测表面成像，确定各测试点清晰度；

获取CCD成像沿X轴和Y轴方向的两个测试点之间的像素个数；

根据已知的清晰度与CCD成像单位像素长度的对应关系，计算沿X轴和Y轴方向的两个测试点之间的成像距离。

本发明中，清晰度与CCD成像单位像素长度的对应关系的获取方法，也称为CCD相机单位像素长度的标定方法，为：

在水平面倾角值接近理想值的样品上选取两个标定点，改变并记录CCD相机的焦距或CCD相机距测量平台或样品待测表面的距离，对样品待测表面进行成像，根据CCD相机对样品成像后标定点的大小分别计算对应不同焦距的图像清晰度；

根据两个标定点之间的实际物理距离及对应不同图像清晰度的图像中两个标定点之间的像素个数计算不同图像清晰度对应的CCD成像单位像素长度。

本实施例中，CCD成像测试点之间的像素个数可基于视觉测量得到，具体为基于单目视觉测量得到，也可基于CCD相机的像素计数功能得到。

本实施例中，根据已知的清晰度与CCD成像单位像素长度的对应关系，计算测试点之间的成像距离进一步包括：

针对已知的成像焦距，分别根据X轴和Y轴方向的两个测试点的图像清晰度的平均值获取X轴和Y轴方向的两个测试点的CCD成像平均单位像素长度，分别根据X轴和Y轴方向的两个测试点的CCD成像平均单位像素长度及两个测试点之间的像素个数计算X轴和Y轴方向的两个测试点的成像距离。

在具体实施时，一种方式是，本实施例提供的产品表面水平倾斜角度的测量方法进一步包括：

沿产品待测表面的X轴和Y轴方向分别选取多个测试点，并分别沿X轴和Y轴方向获取多组任意两个测试点之间的实际距离；

分别计算沿X轴和Y轴方向的对应多组任意两个测试点之间的成像距离；以及

分别根据X轴和Y轴方向的对应多组任意两个测试点的成像距离和实际距离，计算产品待测表面的平均倾斜角度。

在具体实施时，另一种方式是，本实施例提供的产品表面水平倾斜角度的测量方法进一步包括：

沿产品待测表面的X轴方向和Y轴方向分别选取多个测试点，并分别沿X轴方向和Y轴方向获取多组相邻两个测试点之间的实际距离；

分别计算沿X轴方向和Y轴方向的对应多组相邻两个测试点之间的成像距离；以及

分别根据X轴方向和Y轴方向的对应多组相邻两个测试点的成像距离和实际距离，计算产品待测表面的平均倾斜角度。

进一步，该方法还包括：

判断X轴方向相邻测试点的图像清晰度是否相同，若不同则在X轴方向相邻测试点间增加测试点，并分别获取增加测试点后相邻测试点之间的实际距离和成像距离；

判断Y轴方向相邻测试点的图像清晰度是否相同，若不同则在Y轴方向相邻测试点间增加测试点，并分别获取增加测试点后相邻测试点之间的实际距离和成像距离。

本实施例中，产品待测表面为长方形，X轴方向平行于长方形的长边，Y轴方向平行于长方形的短边。

在具体实施时，本实施例提供的产品表面水平倾斜角度的测量方法还包括：判断CCD相机对产品成像后的图像中产品是否存在水平面角度旋转，若存在则根据旋转的角度分别对X轴和Y轴方向测试点之间的实际距离进行修正。

在具体实施时，本实施例提供的产品表面水平倾斜角度的测量方法采用标准图像对产品待测表面选取测试点。

如图2所示，本发明的另一个实施例提供了一种产品表面水平倾斜角度的测量系统，该系统包括：测量平台、CCD相机和数据处理单元(图2中未示出)，数据处理设备用于：

CCD相机，用于对产品待测表面进行成像；

数据处理单元，根据产品待测表面分别沿X轴和Y轴方向的两个测试点测量得到的成像距离和实际距离，计算产品待测表面的倾斜角度。

在本实施例中，数据处理单元可为计算机等。

在具体实施时，本实施例提供的产品表面水平倾斜角度的测量系统还包括存储单元，用于存储已知的清晰度与CCD成像单位像素长度的对应关系作为已知CCD相机成像清晰度的成像系统使用，数据处理单元根据CCD相机得到的测试点之间的像素个数，计算测试点之间的成像距离。CCD相机在不同焦距下成像清晰度与CCD相机单位像素长度之间关系的标定方法将在下面具体说明。

下面通过一个具体实例对本实施例提供的产品表面水平倾斜角度的测量系统的测量原理和工作过程作进一步地说明。

本实例中CCD相机空间成像及水平倾斜角度的计算原理如下：

在同一个CCD相机的成像系统中，图3中圆点为测试点，由于存在倾斜角度，每个测试点到CCD相机镜头的距离(物距)不等，结合图3和图4所示，AB和BC到CCD相机镜头的投影距离分别为A’B’和B’C’。

在图3中，AH的距离即相邻测试点在CCD上成像距离，根据视觉测量得到的像素个数和已知的单位像素长度可以计算出，单位像素长度的单位mm，而AB的距离是计算倾斜角度的前提条件，为物理距离，单位为mm，可通过对选定测试点的测量得到或采用规定测试点的标准成像模板已知。由此，在计算出各测试点的之间CCD成像距离AH且已知对应的物理距离AB的情况下，得出样品待测表面的水平倾斜角度θ：

θ＝acos(AH/AB)，

AH＝p*n，其中p为单位像素长度，n为测试点之间的像素个数。

但是在图4所示的光学成像示意图中可以看出，在视野范围内相同物理距离但不同位置的点间距在CCD相机上的成像距离是不相同的，也就是AB、BC的实际成像距离A’B’<>B’C’，并且成像的遵循近大远小规则，近距离成像点A’B’>B’C’。

而在算式θ＝acos(AH/AB)中，AB为测试点之间实际距离为已知值，单位像素长度p和相应的测量值AH在不同的焦距和对焦程度或清晰度下取值不同。如果在测试环境为与标定环境同样的对焦程度，则可以使用标定环境下计算出来的单位像素长度进行角度测量。

由此，本实例的标定工作过程如下：

量化计算图像的清晰度：

在图像算法应用中有较多的清晰度评价算法，在图像空间域中，通过考察图像的领域灰度对比度，也就是相邻的像素之间灰度特征的梯度差为主要方法。

本实例中实现图像测量对焦检测功能，并得出量化数据，检测算法通过Sobel算子计算图像水平和垂直方向的梯度差，在同一画面下的均值作为量化条件，梯度值越高，图像越清晰，除Sobel算子外也可采用拉普拉斯算法等，本实例中不做赘述。

Sobel算子核心卷积算子：

图像中的每一个像素横向和纵向梯度近似值用如下公式进行计算并获取梯度值：G＝sqrt(Gx*Gx+Gy*Gy)。在本实例中得到的图像数据如图5所示。

标定系统，用于计算单位像素长度：

标定的主要目的是计算在一个或多个标准对焦程度下的单位像素长度，并且获取到标定环境下的对焦量化数值，用于在测试中进行对焦量化比对。

本实例的标定环境中，假设样品未达到各个角度面完全水平，也就是说各个ROI区域的清晰度不会完全一致。在此前提下，为了保证计算到的像素长度最精确，标定开始时首先将指定图像即标准图像模板的各个区域进行分别计算梯度值，选择在图像中距离最远的，并且清晰度最接近的MARK圆点作为计算对象。

设A、B两点为选择参考对象，AB两点的实际物理距离已知为L，AB之间的像素个数为m，则此图像清晰度对应的单位像素长度为p＝L/m；

在相同的视觉系统下，越多的标定不同的清晰度环境下的单位像素长度，也就是越细化标定不同的对焦程度值，后续的测量结果越精确。

测量表面旋转纠正：

使用标准图像进行测量时，需要考虑到产品放置存在角度旋转的问题，这样会导致测试AH值存在偏差，如图6所示。

如果在图像不存在水平角度旋转，那么AB值即为点物理间距。如果存在角度旋转，本实例修正实际物理横向距离为|B.x–A.x|，之后再用于后续的测量。

如图7所示，本实例中的标定过程中，在计算机上对目标圆点进行ROI区域选择，同时可以对多个点阵进行测量，分别得到在各个ROI区域中的梯度值，图7中，设点1与2的连线方向为水平面X轴方向(即横向为水平面X轴方向)，点1与3的连线方向为水平面Y轴方向(即纵向为水平面Y轴方向)。

可以看出，图7中ROI1和ROI2的梯度值较为接近，也就是说在这个图像中，产品呈现上下倾斜状态，选择上面的两个点(点1和2)进行计算，假设ROI1对应的点为A，ROI2对应的点为B，通过手动计算可以获取到AB的实际物理距离为209.999mm。通过视觉测量AB点之间的像素个数为2683pixels，那么则可以获取到在梯度值为4.6～4.9的范围内，单位像素长度为0.0782mm。

与之类似，本实例在不同的对焦程度下进行多次标定，将对焦程度细化以获取不同焦距对应的单位像素长度(即不同清晰度对应的单位像素长度)，并将其记录在测量系统的存储单元中。

最终，将产品放置到经标定的已知CCD相机成像清晰度的成像系统中，待系统稳定后即可开始进行测量，测量结果如图8所示。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种产品表面水平倾斜角度的测量方法，其特征在于，该方法包括：

沿产品待测表面的第一方向和第二方向分别选取至少两个测试点，并分别沿第一方向和第二方向获取测试点之间的实际距离，所述第一方向垂直于第二方向；

在已知CCD相机成像清晰度的成像系统中对所述产品的待测表面成像，并分别计算沿第一方向和第二方向的相应测试点之间的成像距离；以及

分别根据第一方向和第二方向的相应测试点的成像距离和实际距离计算产品待测表面的倾斜角度；

所述在已知CCD相机成像清晰度的成像系统中对所述产品的待测表面成像，并分别计算沿第一方向和第二方向的相应测试点之间的成像距离，进一步包括：

对产品待测表面进行成像，确定清晰度；

获取CCD成像测试点之间的像素个数；

根据已知的清晰度与CCD成像单位像素长度的对应关系，计算测试点之间的成像距离。

2.根据权利要求1所述的产品表面水平倾斜角度的测量方法，其特征在于，沿产品待测表面的第一方向和第二方向分别选取多个测试点，并分别沿第一方向和第二方向获取多组任意两个测试点之间的实际距离；

分别计算沿第一方向和第二方向的对应多组任意两个测试点之间的成像距离；以及

分别根据第一方向和第二方向的对应多组任意两个测试点的成像距离和实际距离，计算产品待测表面的平均倾斜角度。

3.根据权利要求1所述的产品表面水平倾斜角度的测量方法，其特征在于，沿产品待测表面的第一方向和第二方向分别选取多个测试点，并分别沿第一方向和第二方向获取多组相邻两个测试点之间的实际距离；

分别计算沿第一方向和第二方向的对应多组相邻两个测试点之间的成像距离；以及

分别根据第一方向和第二方向的对应多组相邻两个测试点的成像距离和实际距离，计算产品待测表面的平均倾斜角度。

4.根据权利要求1所述的产品表面水平倾斜角度的测量方法，其特征在于，所述产品待测表面为长方形，所述第一方向平行于长方形的长边，所述第二方向平行于长方形的短边。

5.根据权利要求3所述的产品表面水平倾斜角度的测量方法，其特征在于，该方法进一步包括：

判断第一方向相邻测试点的图像清晰度是否相同，若不同则在第一方向相邻测试点间增加测试点，并分别获取增加测试点后相邻测试点之间的实际距离和成像距离；

判断第二方向相邻测试点的图像清晰度是否相同，若不同则在第二方向相邻测试点间增加测试点，并分别获取增加测试点后相邻测试点之间的实际距离和成像距离。

6.根据权利要求1所述的产品表面水平倾斜角度的测量方法，其特征在于，该方法还包括：判断CCD相机对产品成像后的图像中产品是否存在水平面角度旋转，若存在则根据旋转的角度分别对第一方向和第二方向测试点之间的实际距离进行修正。

7.根据权利要求1所述的产品表面水平倾斜角度的测量方法，其特征在于，采用标准图像对产品待测表面选取测试点。

8.一种产品表面水平倾斜角度的测量系统，其特征在于，该系统包括：

测量平台；

CCD相机，用于对产品待测表面进行成像；

数据处理单元，根据产品待测表面分别沿第一方向和第二方向的两个测试点测量得到的成像距离和实际距离，计算产品待测表面的倾斜角度；

存储单元，用于存储已知的清晰度与CCD成像单位像素长度的对应关系，所述数据处理单元根据CCD相机得到的测试点之间的像素个数，计算测试点之间的成像距离。

Images