CN114112025B - 一种基于图像识别的积分球光路校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像识别的积分球光路校准方法，属于积分球光学设备技术领域，解决了其积分球内部机械动作部件由于存在各种误差，导致配合精度降低，进而导致积分球组件光路发生变化的问题。本发明的校准方法包括：步骤S1：对所述拍摄部分和积分球组件进行位置固定；步骤S2：所述拍摄部分对所述目标组件进行拍摄，并通过图像处理软件识别所述目标组件的投影面积；步骤S3：通过运动机构调节目标组件的位置，重复所述步骤S2直至所述目标组件归位。本发明实现了对积分球内部目标组件的位置判定和校准，保障积分球的使用精度。

Description

一种基于图像识别的积分球光路校准方法

技术领域

本发明涉及积分球光学设备技术领域，尤其涉及一种基于图像识别的积分球光路校准方法。

背景技术

为了满足市场应用的需要，设备都朝着微型化，便携化方向发展，设备功能就必须通过各种微型部件的相互配合来实现，微型部件的配合需要设备各部件具有较高的装配精度。

但是，部件加工时容易出现加工误差，各部件的加工误差装配后后形成装配误差，组件装配误差会导致设备运行时的系统误差，随着误差的累积，会导致设备精度差，不能满足使用需求的现象。

积分球光学设备需要较高的精度才能实现信号的采集，各部件的加工精度会影响设备精度，随着设备运行产生的磨损也会影响设备精度。如何才能实现可动积分球设备，实现机械部件的反复运动使其能够复位初始位置，保证设备精度，成为需要迫切需要解决的问题。

目前，大多方案为限位开关配合驱动器补偿实现位置的校准，因此需要位置检测传感器配合控制单元实现，而微型化积分球内部是光学部件的核心采集部分，多余的传感元件极大地干扰了光信号采集，加剧了设备采集信号误差使后续信号处理极为复杂。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于图像识别的积分球光路校准方法，用以解决现有积分球由于加工误差或使用磨损而导致的光学元件不能复位以及使用精度差的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于图像识别的积分球光路校准方法，包括以下步骤：

步骤S1：对所述拍摄部分和积分球组件进行位置固定；

步骤S2：所述拍摄部分对所述目标组件进行拍摄，并通过图像处理软件识别所述目标组件的投影面积；

步骤S3：通过运动机构调节目标组件的位置，重复所述步骤S2直至所述目标组件归位。

进一步地，所述步骤S1中，所述拍摄部分的成像镜头与积分球上的样品探测口同轴。

进一步地，所述步骤S1中，所述拍摄部分与所述积分球组件之间通过拍摄辅助部分进行位置固定。

进一步地，所述步骤S2中，通过比较标准状态下目标组件的拍摄影像的投影面积与校准时拍摄部分实际拍摄的目标组件的投影面积；判断目标组件是否校准完成。

进一步地，若目标组件拍摄影像的投影面积与标准投影的面积相同，则目标组件复位，校准完成；若二者不同，则目标组件的位置存在偏差，则进行步骤S3继续校准。

进一步地，所述步骤S2中，利用图像处理软件，测量目标组件的拍摄影像的椭圆部分的长轴和短轴，求解计算校准过程实际拍摄的目标组件的投影面积。

进一步地，所述步骤S3中，所述运动机构包括：舵机固定支架、舵机、舵机臂、目标连接杆和连接杆滑套。

进一步地，所述舵机臂通过所述舵机带动旋转；所述舵机臂的一端与目标连接杆的一端转动连接，所述目标连接杆的另一端固定安装所述目标组件；所述目标连接杆滑动套设于所述连接杆滑套中；所述连接杆滑套铰接设置在所述舵机固定支架上。

进一步地，所述步骤S3中，运动机构对目标组件的位置调节过程为：

步骤S31：舵机输出转矩，带动舵机臂转动；

步骤S32：舵机臂带动目标连接杆的一端旋转，目标连接杆的一端以转点即舵机的旋转轴为转动中心旋转；

步骤S33：连接杆滑套同步目标连接杆转动，且目标连接杆相对于连接杆滑套滑移；目标连接杆另一端的目标组件同时发生直线位移和角度旋转，实现对目标组件的位置和角度调整。

进一步地，通过拍摄辅助部分调整拍摄部分和积分球的间距；将拍摄部分获取的目标组件的投影图像与对应间距下目标组件的标准投影进行比对，多次比对均符合复位标准时，确定校准完成。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

本发明为了解决积分球部分运动机构准确复位，设计了运动机构带动目标组件即积分球内部的光学元件进行位移和角度调整，实现元件复位，在保证探测精度的前提下，能够省时省力的对积分球进行校准，且能节约成本。

本发明的基于图像识别的积分球光路校准方法，主要应用于微型积分球设备机械结构动作后，对检测目标指示物的复位校准。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的积分球组件的结构示意图-局部剖视；

图2为本发明的积分球组件的仰视图；

图3为本发明的积分球组件的运动机构；

图4为目标组件；

图5为积分球第一半部；

图6为积分球第二半部；

图7为舵机固定支架；

图8为目标连接杆；

图9为舵机；

图10为连接杆滑套；

图11为舵机臂；

图12为本发明的积分球光路校准装置；

图13为本发明的积分球光路校准装置的原理图。

附图标记：

1-目标组件；2-积分球第一半部；3-积分球第二半部；4-舵机固定支架；5-目标连接杆；6-舵机；7-连接杆滑套；8-舵机臂；9-样品探测口；10-长轴；11-短轴；12-第一转点；13-第二转点；14-第三转点；15-拍摄辅助部分；16-拍摄部分。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种基于图像识别的积分球光路校准方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过拍摄辅助部分对所述拍摄部分16和积分球组件进行位置固定；

步骤S2：所述拍摄部分16对所述目标组件1进行拍摄，并通过图像处理软件识别所述目标组件1的投影面积；

步骤S3：通过运动机构调节目标组件1的位置，重复所述步骤S2直至所述目标组件1归位。

本发明的一种具体实施方式中，所述步骤S1中，所述拍摄部分16和积分球组件的探测口17对齐；即拍摄部分16的成像镜头与积分球第一半部2的样品探测口9同轴。

并且，拍摄部分16对积分球组件的拍摄位置固定，即拍摄部分16和积分球组件的间距固定；且拍摄部分16使用固定焦距。避免由于拍摄位置和焦距的不同导致的校准不准确的现象发生。

本发明的一种具体实施方式中，所述步骤S2中，通过比较标准状态下目标组件1的拍摄影像的投影面积与校准时拍摄部分16实际拍摄的目标组件的投影面积，判断目标组件1是否处于标准位置，即目标组件1是否复位准确；若二者相同，则目标组件1复位，校准完成；若二者不同，则目标组件1的位置存在偏差，则进行步骤S3继续校准。

进一步地，所述投影面积实际为目标组件1的侧面视图，拍摄完成后为平面椭圆形状。

进一步地，所述步骤S2中，利用图像处理软件，测量目标组件1的拍摄影像的椭圆部分的长轴10和短轴11，求解计算实际拍摄面积，然后根据计算结果与标准状态下目标组件1的投影面积进行比较，进行校准。

具体地，所述拍摄部分包含拍摄部件、电脑、图像处理软件，拍摄部件(摄像机)拍摄完成后，将拍摄图片传输于电脑终端，然后通过图像处理软件测量拍摄的目标组件1的侧面视图的长轴10与短轴11，计算椭圆面积，判断是否校准完成。

本发明的一种具体实施方式中，所述步骤S3中，运动机构对目标组件1的位置调节过程为：

步骤S31：舵机6输出转矩，带动舵机臂8转动；

步骤S32：舵机臂8带动目标连接杆5的一端旋转，目标连接杆5的一端以转点14即舵机6的旋转轴为转动中心旋转；

步骤S33：连接杆滑套7同步目标连接杆5转动，且目标连接杆5相对于连接杆滑套7滑移；目标连接杆5另一端的目标组件1同时发生直线位移和角度旋转，实现对目标组件1的位置和角度调整。

进一步地，目标组件1的标准工作位置为一个或者多个；通过对目标组件1的实际拍摄图像与标准工作位置的拍摄图像进行比对，并通过运动机构对目标组件1进行位置调节，能够实现对积分球内的目标组件1的位置校准以及多个工作位置的切换。

进一步地，调整拍摄部分16和积分球组件的相对间距，与对应间距时目标组件的标准位置进行比对，多次验证保证校准精确度。

具体地，固定拍摄部分16和积分球组件的间距为10cm，对目标组件1进行拍照，并将目标组件1的拍摄图像进行面积计算，求解是否复位；

进一步地，调整固定拍摄部分16和积分球组件的间距为6cm、15cm、或20cm，对目标组件1进行拍照，将拍摄图像的面积与对应间距下目标组件1的标准图像进行比较，求解是否复位；

进一步地。不同间距下均显示目标组件1复位状态时，确认校准完成。

本发明的基于图像识别的积分球光路校准方法，实现了低成本、方便快捷的快速校准积分球内部目标组件，利用拍摄部分对目标组件进行拍照取材，然后利用拍摄的目标组件的标准位置的照片为参考，用软件测量目标组件1的侧面视图的椭圆参数，然后通过计算椭圆部分面积与标准状态进行比较来衡量目标是否归位，可以在积分球的球体内部没有精密传感器的情况下实现对目标组件1的准确定位和位置校准的问题。主要应用在积分球设备长期使用后，运动副发生松动，方便校准积分球内部因为松动引发的无法复位的目标组件；以及实现目标组件1的多种工作位置的调整。

实施例2

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于图像识别的积分球光路校准装置，用于实现实施例1的校准方法，如图1-13所示，包括：拍摄部分16和积分球组件；所述积分球组件包括：积分球、目标组件1和运动机构；所述目标组件1设置在积分球内部，所述运动机构能够带动目标组件1在积分球内部进行位置和角度的调整；所述拍摄部分16用于拍摄目标组件1，获取目标组件1的位置信息。

如图1所示为本发明的积分球组件，运动机构带动目标组件1运动进行位置调整实现目标组件的复位，进而实现对积分球精度的校准。

本发明的一种具体实施方式中，运动机构设置在积分球的外部，目标组件1设置在积分球的内部，且目标组件1安装在运动机构的目标连接杆5上，能够在运动机构的带动下调整位置。

进一步的，所述拍摄部分16为市面上可以传输至电脑终端的摄像设备，可以获取清晰照片，并能够传递至电脑进行处理。具体地，拍摄部分16为后期图像处理提供素材；所述拍摄部分16可以为市面上具有拍照功能的设备，包括手机、相机、摄像仪、还可以是热像仪等专业设备。

具体地，拍摄辅助部分可以是对应的设备支架和拍摄专用云台，保证其拍摄时尽可能实现积分球组件内部目标组件1的可视性，方便图形软件的测量处理。

示例性地，拍摄辅助部分为设备支架，设备支架上设置摄像机固定座和积分球固定座；进一步地，设备支架安装在轨道；设备支架包括：摄像机固定座和积分球固定座。摄像机固定座和积分球固定座滑动安装在轨道上。进一步地，所述摄像机固定座和积分球固定座的侧面均设置紧固销进行定位，所述紧固销安装在设备支架的侧面螺纹孔中，通过旋转紧固销使其卡紧或松开，使紧固销卡紧在轨道上，调节摄像机固定座和积分球固定座的位置，实现对射像部分19和积分球组件的位置固定和间距调节，进而实现对拍摄部分16或积分球的固定或放松。

具体地，所述目标组件1为积分球内部可动的发光部件；示例性地，目标组件1为红外光源发生器、MEMS薄膜光源、或者各类型可安装在运动部分连接杆处的探测器。

进一步地，如图12所示，所述拍摄部分16与所述积分球组件之间通过拍摄辅助部分15进行位置固定。拍摄部分16和积分球组件在使用时，通过拍摄辅助部分进行二者位置距离的固定，通过拍摄部分16拍摄积分球组件内部的目标组件1的实景图，利用图形软件测量所拍摄照片与标准位置时目标组件1的标准投影进行比较，进而通过运动机构修正目标组件1的位置和角度，解决长期使用后目标组件1位置出现偏差无法复位问题。

本发明的一种具体实施方式中，所述积分球包括：积分球第一半部2和积分球第二半部3；积分球第一半部2和积分球第二半部(3)为半球形。进一步地，所述积分球的内壁面为球面，所述积分球第一半部2上设置样品探测口9。

具体地，如图5、图6所示，所述积分球第一半部2和积分球第二半部3，为对半开合的带连接孔和定位孔的铝合金球体，积分球第一半部2(前半部分)和积分球第二半部3(后半部分)通过螺丝连接固定，球体合并后内壁为完整球面。

进一步地，所述积分球的内壁面镀金处理。为了增大球体内部反射信号增强，积分球的内壁采用镀金100nm厚度以上处理。

本发明的一种具体实施方式中，如图1所示，所述积分球组件包括：积分球第一半部2、积分球第二半部3、目标组件1和运动机构，通过运动机构带动目标组件1往复运动，最后目标组件1回到指定位置。积分球与运动机构的连接定位结合处均有螺丝连接，保证运动时整体部分的刚性增加设备的使用寿命。积分球的第一半部和第二半部既充当了运动机构的支架，还起到了定位整个运动部分的作用。

本发明的一种具体实施方式中，如图3-11所示，所述运动机构包括：舵机固定支架4、舵机6、舵机臂8、目标连接杆5和连接杆滑套7。

进一步地，所述舵机固定支架4与所述积分球第二半部3固定连接；所述舵机6固定安装在所述舵机固定支架4上。

具体地，舵机固定支架4通过螺丝连接到积分球的预留螺纹孔上，实现舵机固定支架4与积分球的固定连接，既保证了运动机构与积分球具有确定的安装位置，还为连接杆滑套7的转动提供了固定的支点。

本发明的一种具体实施方式中，所述舵机臂8与舵机6的旋转轴固定连接；即所述舵机臂8通过所述舵机6带动旋转。所述舵机臂8的一端与目标连接杆5的一端转动连接，所述目标连接杆5的另一端固定安装所述目标组件1；所述目标连接杆5滑动套设于所述连接杆滑套7中；所述连接杆滑套7铰接设置在所述舵机固定支架4上。

具体地，如图4所示，目标组件1为积分球内部安装在目标连接杆5的红外发生器，红外发生器为圆柱形，采用焊锡焊接至目标连接杆5的末端，并使目标组件1的轴线与目标连接杆5长度方向共线。

进一步地，连接杆滑套7铰接安装在舵机固定支架4的中部，连接杆滑套7与舵机固定支架4的铰接点为转点12，即连接杆滑套7能够绕转点12转动。目标连接杆5与舵机臂8之间的铰接点为转点13，即目标连接杆5相对于舵机臂8转动的转动中心为转点13；舵机臂8与舵机6的舵机轴之间的固定点为转点14，即舵机臂8以转点14为中心转动。也就是说，转点14为舵机6输出轴的轴心，转点13为舵机臂8与目标连接杆5的铰接点，转点12为连接杆滑套7与舵机固定支架4的铰接点。

具体地，在转点12利用螺丝将舵机臂8固定到舵机6的转轴上；在转点13采用微型轴承连接目标连接杆5与舵机臂8；在转点14将连接杆滑套7插入舵机固定支架4预留的转轴孔使二者相对转动。

对目标组件1的位置调整方式为：

运动机构的舵机6带动舵机臂8绕着舵机轴即转点14转动，然后舵机臂8带动目标连接杆5绕着转点13转动，由于转点12有舵机固定支架4的限制作用，连接杆滑套7只能绕着转点12发生转动，又因为目标连接杆5与连接杆滑套7为滑动配合，所以目标连接杆5即发生滑动又发生转动。

具体地，连接杆滑套7转动安装在舵机固定支架4上构成转动副，所述目标连接杆5与连接杆滑套7之间滑动配合构成滑动副，舵机6带动舵机臂8转动时，连接杆滑套7相对于舵机固定支架4转动同时目标连接杆5相对于连接杆滑套7滑移，实现直线往复运动的同时还在舵机固定支架4提供的转点处发生转动；最终实现对目标连接杆5末端的目标组件1的位置调整，完成校准。

实施时：

本发明主要适用于积分球内部目标组件1运动机构的复位调整，采用拍照进行位置判断辅助运动机构进行目标组件的位置校准。因为积分球内部空间有限，且现有设备的校准方式采用过多的传感设备影响积分球信号采集精度，所以本发明采取图形处理的方法结合部分图形软件处理，实现了对积分球光路校准。

本发明包括拍摄部分16、拍摄辅助部分15和积分球组件。其中，积分球组件设置有运动机构，运动机构是通过舵机6进行运动控制的，复位也是，舵机6可以实现0～360°内任意角度控制。舵机6带动舵机臂8旋转，进而使目标连接杆5发生转动同时沿连接杆滑套7滑移，实现对目标组件1的位置调整。拍摄时保证摄影部分16的镜头与积分球的样品探测口9同轴，保障摄影部分16能够对积分球内部的目标组件1进行拍摄，且保证拍摄部件拍摄模式统一，拍摄图像格式统一，方便图像处理软件识别。拍摄部分16拍摄得到所述目标组件1的侧面视图，拍摄完成后目标组件1的投影形状为平面椭圆形状。根据目标组件1侧视椭圆图像的长轴和短轴，计算其椭圆面积；然后根据计算结果调整运动机构的动作，改变目标组件1的位置，校准光路。

与现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有如下有益效果之一：

1.本发明的拍摄部分和积分球组件可以快速搭建，并进行拍照定位和校准，只要保证积分球工作部分与拍摄部分空间位置在拍摄时处于固定即可，记录校准标准位置可以快速对比现有位置从而发现目标部分1位置偏差。

2.本发明的基于图像识别的积分球光路校准装置，积分球整体尺寸小于50mm，且积分球主体的材质为金属，能够屏蔽一定电磁信号，避免电磁干扰；在不设置位移传感器的前提下，精确实现目标部分1的精确位置测量，本发明在鉴别积分球内有目标可动机构位置变化方面较为突出，且能够在保证积分球不用拆解的前提下完成。

3.本发明利用外置拍摄部分16拍照导入计算机，利用外部辅助设备可以极大地简化积分球内部传感装置，避免了光信号的干扰。图形软件可以识别图像的像素点，然后根据目标位置侧视图椭圆的长轴与短轴11实现面积计算，快速便捷的得知位置变化，提高了采集精度；确保了校准的准确度，节省了时间和人力成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于图像识别的积分球光路校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：对拍摄部分(16)和积分球组件进行位置固定；

所述拍摄部分(16)位于所述积分球组件的外部；

所述步骤S1中，所述拍摄部分(16)的成像镜头与积分球组件上的样品探测口(9)同轴；

所述步骤S1中，所述拍摄部分(16)与所述积分球组件之间通过拍摄辅助部分(15)进行位置固定；

运动机构设置在积分球的外部，目标组件(1)设置在积分球的内部，且目标组件(1)安装在运动机构的目标连接杆(5)上，能够在运动机构的带动下调整位置；

步骤S2：所述拍摄部分(16)对所述目标组件(1)进行拍摄，并通过图像处理软件识别所述目标组件(1)的投影面积；

所述步骤S2中，通过比较标准状态下目标组件(1)的拍摄影像的投影面积与校准时拍摄部分(16)实际拍摄的目标组件(1)的投影面积；判断目标组件(1)是否校准完成；

步骤S3：通过运动机构调节目标组件(1)的位置，重复所述步骤S2直至所述目标组件(1)归位；

若目标组件(1)拍摄影像的投影面积与标准投影的面积相同，则目标组件(1)复位，校准完成；若二者不同，则目标组件(1)的位置存在偏差，则进行步骤S3继续校准。

2.根据权利要求1所述的基于图像识别的积分球光路校准方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用图像处理软件，测量目标组件(1)的拍摄影像的椭圆部分的长轴(10)和短轴(11)，求解计算校准过程实际拍摄的目标组件(1)的投影面积。

3.根据权利要求2所述的基于图像识别的积分球光路校准方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述运动机构包括：舵机固定支架(4)、舵机(6)、舵机臂(8)、目标连接杆(5)和连接杆滑套(7)。

4.根据权利要求3所述的基于图像识别的积分球光路校准方法，其特征在于，所述舵机臂(8)通过所述舵机(6)带动旋转；所述舵机臂(8)的一端与目标连接杆(5)的一端转动连接，所述目标连接杆(5)的另一端固定安装所述目标组件(1)；所述目标连接杆(5)滑动套设于所述连接杆滑套(7)中；所述连接杆滑套(7)铰接设置在所述舵机固定支架(4)上。

5.根据权利要求4所述的基于图像识别的积分球光路校准方法，其特征在于，所述步骤S3中，运动机构对目标组件(1)的位置调节过程为：

步骤S31：舵机(6)输出转矩，带动舵机臂(8)转动；

步骤S32：舵机臂(8)带动目标连接杆(5)的一端旋转，目标连接杆(5)的一端以转点(14)即舵机(6)的旋转轴为转动中心旋转；

步骤S33：连接杆滑套(7)同步目标连接杆(5)转动，且目标连接杆(5)相对于连接杆滑套(7)滑移；目标连接杆(5)另一端的目标组件(1)同时发生直线位移和角度旋转，实现对目标组件(1)的位置和角度调整。

6.根据权利要求1所述的基于图像识别的积分球光路校准方法，其特征在于，通过拍摄辅助部分(15)调整拍摄部分(16)和积分球的间距；将拍摄部分(16)获取的目标组件(1)的投影图像与对应间距下目标组件(1)的标准投影进行比对，多次比对均符合复位标准时，确定校准完成。