CN111536873B - 一种采用辅助相机对单目偏折测量工件进行测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密测量技术领域，具体为一种采用辅助相机对单目偏折测量工件进行测量的方法。本发明的实施步骤为：在偏折测量系统中采用两个相机，保证其测量视场有一定重合；基于双目偏折测量技术对重合视场的面形进行测量，然后将该数据点集与工件的设计面形进行配准，将设计方程移动到实际测量数据的配准位置处；保持测量数据的位置不动，采用单目偏折测量迭代得到被测元件的面形。本方法结合了单目测量和双目测量两种测量方法的优势，采用双目方法确定被测元件的位置，消除单目偏折测量的高度‑斜率歧义性，然后采用单个相机进行测量，克服双目测量视场较小的缺点，本发明方法对于大尺寸元件的精密测量具有重要的应用价值。

Description

一种采用辅助相机对单目偏折测量工件进行测量的方法

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，具体为一种采用辅助相机对单目偏折测量工件进行测量的方法。

背景技术

在现代精密测量中，相位测量偏折术是一种非常重要的复杂镜面测量技术。由于其系统结构简单，动态范围大，抗干扰能力强，可用于复杂曲面的测量，近年来得到广泛关注。其原理是在显示器上产生规则条纹，经被测表面反射后条纹发生变形，采用CCD相机拍摄变形图样，根据屏幕像素和相机像素的相位建立对应配准关系，计算被测面形的表面梯度分布，再通过积分得到面形高度。

在测量之前待测表面各点的高度未知，因此连接相机各像素与光心得到反射光线后，与被测表面的交点，也即待测表面上的反射点位置不能准确获知。而反射点和对应屏幕像素相连，得到的入射光线与反射光线之间的角平分线也不唯一。根据反射定律，该角平分线就是待测表面反射点处的法向。也就是说，因为待测表面的位置不确定，导致所计算的各点法向也不唯一，这就是偏折测量的“高度-斜率歧义性”问题。为此，研究人员提出在工件上帖标志点，并利用激光追踪仪等仪器探测被测表面的中心点等特征点，来确定工件的位置。但是这样需要额外的传感器，提高了测量成本，而且复杂曲面很难确定中心点等特征。还可采用双目偏折术，也就是利用两个相机成像，根据其成像之间的约束关系确定被测表面各点的法向。虽然这样可以解决“高度-斜率歧义性”问题，但是要求两个相机同时获得测量点对屏幕图样的反射图像，也就是只能测量两个相机视场的公共部分。因此对于大尺寸的元件，或者面形非常复杂的元件，两个相机成像的公共部分较小，严重限制了测量范围。因此，需要克服两种测量方法的缺点，实现光学镜面的大视场确定性测量。

发明内容

针对以上不足，本发明提供了一种采用辅助相机对单目偏折测量工件进行定位和测量的方法，克服了双目测量视场较小的缺点，对于大尺寸元件的精密测量具有重要的应用价值。

本发明的技术方案为：

一种采用辅助相机对单目偏折测量工件进行定位的方法，包括以下步骤：

S1：搭建离轴单目偏折测量系统，所述测量系统包括被测元件、屏幕和主相机；

S2：在测量系统中加入一个辅助相机，构成双目视觉系统，且保证两个相机的测量视场有足够的重合部分；

S3：设重合视场在主相机中对应的像素为U＝{u_1i},i＝1,2,3,...,N，采用双目偏折测量方法得到重合视场部分的面形数据P＝{x_i,y_i,z_i},i＝1,2,3,…,N；

S4：被测元件的设计面形为z＝f(x,y)，将方程平移向量m＝(T_x,T_y,T_z)，使得测量数据P与设计方程的对应局部区域达到最佳配准。

所述步骤S4具体为：定义目标函数

为度量数据P与设计方程之间的配准程度，其中各个点的配准残差为r_i＝z_i+T_z-f(x_i-T_x,y_i-T_y)，利用高斯牛顿法迭代求解该最小二乘优化问题，公式为：m←m-(J^TJ)^-1Jr，其中r＝[r₁,r₂,…,r_N]^T为残差向量，

为雅各比矩阵，平移向量迭代更替直至收敛，所得的z＝f(x_i-T_x,y_i-T_y)+T_z即为新的设计方程。

一种采用辅助相机对单目偏折测量工件进行测量的方法，包括以下步骤：

S01：搭建离轴单目偏折测量系统，所述测量系统包括被测元件、屏幕和主相机；

S02：在测量系统中加入一个辅助相机，构成双目视觉系统，且保证两个相机的测量视场有足够的重合部分；

S03：设重合视场在主相机中对应的像素为U＝{u_1i},i＝1,2,3,...,N，采用双目偏折测量方法得到重合视场部分的面形数据P＝{x_i,y_i,z_i},i＝1,2,3,…,N；

S04：被测元件的设计面形为z＝f(x,y)，将方程平移向量m＝(T_x,T_y,T_z)，使得测量数据P与设计方程的对应局部区域达到最佳配准；

S1：将所得到的设计面形作为初始值，利用主相机进行单目偏折测量；

S2：连接主相机中重合视场各像素U与主相机的光心O1，和当前面形相交，得到的数据点集为Q＝{x’_i,y’_i,z’_i},i＝1,2,3,…,N；

S3：利用主相机所有像素与屏幕对应像素得到测量视场内所有点的角平分线，积分重构得到二次面形；

S4：对于二次面形重新计算像素U对应的交点数据集Q’，计算Q重心与Q’重心之差Δ，

S10：将二次面形平移Δ，即在测量过程中保持交点数据集Q’的重心不变，迭代该测量过程直至收敛。

本发明的定位和测量方法较好地结合了单目测量和双目测量两种测量方法的优势，采用双目测量方法确定被测元件的位置，消除单目偏折测量的高度-斜率歧义性，然后采用单个相机进行测量，克服双目测量视场较小的缺点，本发明方法对于大尺寸元件的精密测量具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明的测量方法流程图；

图2为本发明构建的双目偏折测量系统示意图1；

图3为本发明构建的双目偏折测量系统示意图2；

图4为本发明的局部数据与设计方程的配准前的配准图；

图5为本发明的局部数据与设计方程的配准后的配准图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明的一种采用辅助相机对单目偏折测量工件进行定位和测量的方法，包括以下步骤：

搭建离轴单目偏折测量系统，测量系统包括被测元件、屏幕和主相机。在测量系统中加入一个辅助相机，构成双目视觉系统，且保证两个相机的测量视场有足够的重合部分；设重合视场在主相机中对应的像素为U＝{u_1i},i＝1,2,3,...,N，采用双目偏折测量方法得到重合视场部分的面形数据P＝{x_i,y_i,z_i},i＝1,2,3,…,N；被测元件的设计面形为z＝f(x,y)，将方程平移向量m＝(T_x,T_y,T_z)，使得测量数据P与设计方程的对应局部区域达到最佳配准。

具体方法为：定义目标函数

为度量数据P与设计方程之间的配准程度，其中各个点的配准残差为r_i＝z_i+T_z-f(x_i-T_x,y_i-T_y)，利用高斯牛顿法迭代求解该最小二乘优化问题，公式为：m←m-(J^TJ)^-1Jr，其中r＝[r₁,r₂,…,r_N]^T为残差向量，

为雅各比矩阵，平移向量迭代更替直至收敛，所得的z＝f(x_i-T_x,y_i-T_y)+T_z即为新的设计方程。

将所得到的设计面形作为初始值，利用主相机进行单目偏折测量。连接主相机中重合视场各像素U与主相机的光心O₁，和当前面形相交，得到的数据点集为Q＝{x’_i,y’_i,z’_i},i＝1,2,3,…,N，利用主相机所有像素与屏幕对应像素得到测量视场内所有点的角平分线，积分重构得到二次面形，对于二次面形重新计算像素U对应的交点数据集Q’，计算Q重心与Q’重心之差Δ，

将二次面形平移Δ，即在测量过程中保持交点数据集Q’的重心不变，迭代该测量过程直至收敛。

本发明的实施流程如图1所示。首先在单目偏折测量系统中加入一个辅助相机，构成双目测量系统，如图2和图3所示。保证两个相机保证有充分的重合视场，因为其对同一数据点的测量法向n相同，根据此约束关系可以得到重合视场内所有数据点的高度和法向，经过重构得到该区域的面形数据P。将该点集P与被测表面的设计方程进行配准，采用最小二乘法得到设计面形的平移向量Δ，如图4和图5所示。配准前的目标函数E为1.4×10⁵，拟合得到的平移向量为Δ＝[17.8,20.6,19.5]^T，配准后的目标函数下降为9.42。再以当前的名义面形开始单目偏折测量，此时的视场为主相机的单目测量视场，远远大于两个相机的重合视场P。

以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种采用辅助相机对单目偏折测量工件进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：搭建离轴单目偏折测量系统，所述测量系统包括被测元件、屏幕和主相机；

S02：在测量系统中加入一个辅助相机，构成双目视觉系统，且保证两个相机的测量视场有足够的重合部分；

S03：设重合视场在主相机中对应的像素为U＝{u_1i},i＝1,2,3,...,N，采用双目偏折测量方法得到重合视场部分的面形数据P＝{x_i,y_i,z_i},i＝1,2,3,…,N；

S04：被测元件的设计面形为z＝f(x,y)，将方程平移向量m＝(T_x,T_y,T_z)，使得测量数据P与设计方程的对应局部区域达到最佳配准；

S1：将所得到的设计面形作为初始值，利用主相机进行单目偏折测量；

S2：连接主相机中重合视场各像素U与主相机的光心O₁，和当前面形相交，得到的数据点集为Q＝{x’_i,y’_i,z’_i},i＝1,2,3,…,N；

S3：利用主相机所有像素与屏幕对应像素得到测量视场内所有点的角平分线，积分重构得到二次面形；

S4：对于二次面形重新计算像素U对应的交点数据集Q’，计算Q重心与Q’重心之差Δ，

S10：将二次面形平移Δ，即在测量过程中保持交点数据集Q’的重心不变，迭代该测量过程直至收敛。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S04具体为：定义目标函数

为度量数据P与设计方程之间的配准程度，其中各个点的配准残差为r_i＝z_i+T_z-f(x_i-T_x,y_i-T_y)，利用高斯牛顿法迭代求解该最小二乘优化问题，公式为：m←m-(J^TJ)^-1Jr，其中r＝[r₁,r₂,…,r_N]^T为残差向量，

为雅各比矩阵，平移向量迭代更替直至收敛，所得的z＝f(x_i-T_x,y_i-T_y)+T_z即为新的设计方程。

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