CN115371577A - 一种透明件表面发光点提取方法及面形测量方法 - Google Patents

一种透明件表面发光点提取方法及面形测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及透明表面测量技术领域，公开了一种透明件表面发光点提取方法及面形测量方法，包括如下步骤：多点获取透明件上表面的反射图像并处理得到发光点的重心坐标；依据提取算法提取出透明件上表面的发光点的重心坐标依据重心坐标计算出射光线和透明件的交点；依据上表面的发光点的重心坐标计算出射光线以及出射光线与透明件的交点；计算入射光线方向，并依据入射关系和出射光线求出待测反光面法矢；该方法由相机拍摄透明件表面发光图像，得到多个发光点的反射图像，并去除下表面反射点的干扰，对透明件表面面形非常敏感，然后基于反射定律进行计算得到发光点的法矢，依据法矢计算多次迭代构建透明件面形，面形恢复度好，测量精度高。

Description

一种透明件表面发光点提取方法及面形测量方法
技术领域
本发明涉及透明表面测量技术领域，具体涉及一种透明件表面发光点提取方法及面形测量方法。
背景技术
透明件被广泛应用于军事，航空航天，和工业生产生活中的各个领域，如机车玻璃，飞机玻璃，建筑材料，光学透镜等，这些器件都需要保证一定的面形精度以避免在使用过程中出现质量问题，如汽车和飞机玻璃如果面形质量较差将会给后期安装造成很大的困扰，且容易产生严重的质量隐患，建筑用玻璃如果面形质量较差将会使得外界景物产生畸变，透光度下降，影响住户的居住体验，光学透镜需要满足很高的面形精度要求，以保证光学性能。
一般的，仅通过制造精度无法满足大尺寸透明件表面的精度需求，因此在这类结构投入使用之前都需要进行测量以避免不合格品投入使用。对于透明件来说，透明件的透光率较高，透明件的上下表面同时存在反射特性，在光学测量时容易产生镜面反射造成的强光干扰，因此传统光学测量手段，由于依赖于表面的散射光进行测量，上下两个反射面会对测量造成影响，使得测量结果不准确，测量误差大。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种透明件表面发光点提取方法及面形测量方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种透明件表面发光点提取方法，包括如下步骤：
S1：多点获取透明件上表面的反射图像并处理得到发光点的重心坐标；
S2：依据提取算法提取出透明件上表面的发光点的重心坐标。
在本发明中，优选的，在步骤S2中，提取算法主要采用距离公式：
Figure BDA0003077850020000021
其中Cx和Cy为计算得到的重心坐标，dm为距离阈值，符合上述公式的两个发光点即是离散高亮特征点在上下表面分别反射后的点，通过相机和发光点的位置关系确定上表面的发光点的位置，去掉下表面的偏差点。
一种透明件表面面形测量方法，优选的，包括如下步骤：
S11：依据上表面的发光点的重心坐标计算出射光线以及出射光线与透明件的交点；
S12：计算入射光线方向，并依据入射关系和出射光线求出待测反光面法矢；
S13：根据法矢重建待测反光面面形。
在本发明中，优选的，在步骤S1前，需搭建测量系统，将离散高亮点与相机阵列安装在待测的透明件同侧，并通过计算确定相机的摆放位置、离散高亮特征点位置分布以及离散高亮特征点的亮起顺序。
在本发明中，优选的，搭建系统具体包括以下步骤：
S01：将离散高亮特征点与相机安装在待测的透明件同侧，使得相机可以通过透明件拍摄得到离散高亮特征点；
S02：构建仿真光路，依据相机检测精度需求控制相机阵列视野范围，并基于相机成像矩阵计算相机阵列摆放位置；
S03：通过相机位置计算透明件上表面理想采样点对应的相机光线方向，基于反射定律确定入射光线方向，即可控发光方向；
S04：计算入射光线和离散高亮特征点阵列所在近似平面的交点，从而确定离散高亮特征点阵列的参考分布位置，并进行离散高亮特征点排布；
S05：基于光线追迹确定离散高亮点的亮起顺序。
在本发明中，优选的，在步骤S05中，基于相机成像矩阵和光线追迹原理计算离散高量点经过下表面反射后在相机中的下映射点(x1,y1,z1)，以及上表面反射后在相机中的上映射点(x2,y2,z2)，并使得上映射点与下映射点满足公式：
Figure BDA0003077850020000031
式中dm为上表面反射后映射到相机上的所有点之间最小距离。
在本发明中，优选的，在步骤S1中，控制离散高亮点按顺序亮起，相机进行拍摄，得到图像后通过二值化算法与连通域算法计算可控发光点光源阵列所在位置区域，基于该位置区域，计算图像对应的发光点的重心坐标。
在本发明中，优选的，在步骤S11中，将重心坐标基于相机阵列成像矩阵映射得到空间直线方程，即出射光线，出射光线与透明件表面面形方程计算得到交点。
在本发明中，优选的，在步骤S12中，将交点与发光点连线从而得到入射光线方向，根据反射定律得到法线方向向量。
在本发明中，优选的，在步骤S13后，还进行步骤S14：将重建后的反光面表面模型数据带入步骤S11中重新进行若干次迭代计算，增加重建面形精度，得到最终的测试结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的方法由相机拍摄透明件表面发光图像，得到多个发光点的反射图像，并去除下表面反射点的干扰，对透明件表面面形非常敏感，然后基于反射定律进行计算得到发光点的法矢，依据法矢计算多次迭代构建透明件面形，面形恢复度好，测量精度高。
附图说明
图1为本发明所述的一种透明件表面面形测量方法的流程示意图。
图2为本发明所述的一种透明件表面面形测量方法的所搭建系统的结构示意图。
图3为透明件反射光路原理图。
图4为相机拍摄的发光点示意图。
图5为基于光线追迹计算表面法矢原理图。
图6为本发明所述的一种透明件表面面形测量方法的透明件表面法矢恢复面形原理示意图。
附图中：1-透明件、2-离散高亮特征点、3-相机、4-上表面反射的离散高亮特征点镜像、5-下表面反射的离散高亮特征点镜像、6-相机拍摄到的上表面反射的离散高亮特征点、7-相机拍摄到的下表面反射的离散高亮特征点、8-离散高亮特征点在相机像素中的位置、9-相机关心、10-初始设定的理想待测透明件、11-反射点、12-出射光线、13-入射光线、14-表面法矢、15-透明件面形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参见图1，本发明一较佳实施方式提供一种透明件表面发光点提取方法，主要用于解决在透明件表面面形测试时，下表面的反射对透明件面形的测试结果产生的误差，主要进行如下步骤：S1：多点获取透明件上表面的反射图像并处理得到发光点的重心坐标；S2：依据提取算法提取出透明件上表面的发光点的重心坐标。
如图3和图4所示，具体的，在步骤S2中，提取算法主要采用距离公式：
Figure BDA0003077850020000051
其中Cx和Cy为计算得到的图像中的发光点重心坐标，dm为距离阈值，dm为所有透明件上表面的理想采样点之间的最小距离，符合该公式的两个发光点即是离散高亮特征点在上下表面分别反射后的点，通过相机和发光点的位置关系以及反射定律，相机与发光点分别在左侧和右侧，靠近发光点一侧的点为上表面的发光点位置，去掉靠近相机一侧的下表面偏差点，从而保证最后的发光点均为上表面的发光点，保证了后续计算的精度。
本发明另一较佳实施方式提供一种透明件表面面形测量方法，包括如下步骤：S11：依据步骤S2得到的上表面的发光点的重心坐标计算出射光线以及出射光线与透明件的交点；S12：计算入射光线方向，并依据入射关系和出射光线求出待测反光面法矢；S13：根据法矢重建待测反光面面形。
如图2所示，在本实施方式中，在步骤S1前，需搭建测量系统，将离散高亮点与相机阵列安装在待测的透明件同侧，并通过计算确定相机的摆放位置、离散高亮特征点位置分布以及离散高亮特征点的亮起顺序。
具体的，搭建系统具体包括以下步骤：
S01：将离散高亮特征点与相机安装在待测透明件同侧，使得相机可以通过透明件拍摄得到离散高亮特征点，离散高亮特征点可以使用屏幕，通过屏幕显示离散点的形式产生，也可以直接使用LED点光源产生；
S02：构建仿真光路，依据相机检测精度需求控制相机阵列视野范围，并基于相机成像矩阵计算相机阵列摆放位置，相机阵列3成像矩阵的表达式为：
Figure BDA0003077850020000061
其中xc,yc,zc为相机阵列3坐标系下的物点坐标，xu,yu为物点所对应像点在相机阵列3像平面坐标系下的坐标，f为相机阵列3光心和CCD(电荷耦合器)之间的距离。
S03：通过相机位置计算透明件上表面理想采样点(x0，y0，z0)对应的相机光线方向，基于反射定律确定入射光线方向，即可控发光方向，计算方式为：
R＝I-2(N·I)N，
其中R为入射光单位向量，I为反射光单位向量，N为大尺寸反光表面1上对应反射点法向量。
S04：用平面代替离散高亮特征点阵列所在的曲面以方便后续计算，且该平面与相机等高位置，计算入射光线和离散高亮特征点阵列所在近似平面的交点，从而确定离散高亮特征点阵列的参考分布位置，计算公式为：
Figure BDA0003077850020000071
其中a，b，c，d为可控发光点光源阵列2所在近似平面方程系数，x0，y0，z0为大尺寸反光表面1采样点的坐标，(m，n，p)为每一采样点对应的入射光线空间向量，x，y，z为计算得到的交点，这些交点即为离散高亮特征点的理论分布位置，从而确定可控发光点光源阵列2的参考分布位置，并按照该分布进行离散高亮特征点排布；
S05：基于光线追迹确定离散高亮点的亮起顺序。
进一步的，在步骤S05中，透明件上下表面都会反光，离散高亮特征点经过透明件下表面的反射后也会进入相机中，故需要通过合理的特征点亮起方案保证最终采集到的图像中上下表面反光能够被区分开，即将上表面和下表面的反射点分开，基于相机成像矩阵和光线追迹原理计算离散高量点经过下表面反射后在相机中的下映射点7(x1,y1,z1)，以及上表面反射后在相机中的上映射点6(x2,y2,z2)，并使得上映射点与下映射点满足公式：
Figure BDA0003077850020000072
式中dm为上表面反射后映射到相机上的所有点之间最小距离，即通过计算下映射点7和上映射点6之间的距离d，然后以同时亮起的光源在相机映射点的距离大于d为原则，规划离散高亮特征点的亮起顺序。
进一步的，在系统搭建时，还需要使得待测表面采样点密度大于1个/mm，单个相机视野小于200mm，并控制相机倾斜45°拍摄，以保证测量精度。
在本实施方式中，在搭建完测试系统后，进行透明件的面形测试，步骤S1，首先控制离散高亮点按设定的顺序依次亮起，相机进行拍摄，得到图像后通过二值化算法与连通域算法计算可控发光点光源阵列所在位置区域，基于该位置区域，计算图像对应的发光点的重心坐标，计算公式为：
Figure BDA0003077850020000081
Figure BDA0003077850020000082
其中Cx和Cy为计算得到的重心坐标，Dix和Diy为像素坐标，Vi为对应像素的灰度值。
步骤S2中，依据重心坐标计算发光点之间的距离，依据距离公式判别出同一光源在上表面和下表面的发光点，依据相机与离散高亮特征点的方位关系，去除掉靠近相机侧的下表面的反射点，只留下上表面的反射点的重心坐标，从而建立起在透明件上表面的反射下，相机像素和离散高亮特征点的对应关系。
在步骤S11中，将重心坐标基于步骤S02中的相机阵列成像矩阵映射得到空间直线方程，即出射光线，表达式为：
Figure BDA0003077850020000083
式中rx、ry、rz、x0、y0、z0为该直线的约束系数，t为参数方程的中间变量，即直线与基准点的距离，并基于直线方程和透明件表面面形方程计算两者的交点(x,y,z)，即出射光线与透明件表面面形方程的交点。
在步骤S12中，将交点与发光点连线从而得到入射光线方向，根据反射定律得到法线方向向量，即入射光线与反射光线的夹角平分线为法线。
在步骤S13中，对法线方向向量进行数值积分运算：
Figure BDA0003077850020000091
得到与法线的垂直线，即透明件表面的切线，通过多个点的计算，最终将若干切线连接近似得到重建透明件面形。
在本实施方式中，在步骤S13后，为减小误差，进行步骤S14：将重建后的反光面表面模型数据带入步骤S11中重新进行若干次迭代计算，得到最终的测试结果。
工作原理：
首先搭建测试系统，将离散高亮特征点2与相机阵列3设置在透明件1的同侧，基于相机成像公式和待测表面理想模型下采样点分布情况，计算采样点对应的恰好能够被相机捕获到的反射光线方向，依据反射定律计算理论上入射光线的方向，将离散高亮特征点布局在近似与相机等高位置，并用一个理想平面作为其近似，接着计算入射光线和该理想平面的交点，即为离散高亮特征点的理论分布位置，然后计算离散高亮特征点位置和密度，并进行离散高亮特征点的布局；由于透明件上下表面都会反光，因此需要通过合理的特征点亮起方案保证最终采集到的图像中上下表面反光能够被区分开，即依据以上布局，计算下表面反射得到的高亮特征点在相机中的下映射点7，并计算其与上表面反射得到的高亮特征点在相机中的上映射点6之间的距离d，然后以同时亮起的光源在相机中映射点的距离大于d为原则，规划离散高亮特征点的亮起顺序。
搭建好系统后，进行测试：首先控制离散高亮特征点按照上述规划的顺序依次亮起，并拍摄对应图像，如图4所示，通过二值化算法与连通域算法提取可控发光的点光源阵列所在的位置，并计算得到每个发光点的重心坐标；接着依据重心坐标筛选出距离小于d的发光点对，并依据相机和离散高亮特征点的方位关系去除掉下表面的发光点；完成离散高亮特征点在相机的映射点计算后，如图5所示，首先依据离散高亮特征点在相机CCD平面的映射点8和相机镜头等效光心9确定出射光线12的方向位置，然后基于透明件上反光表面的预估面形10，计算出射光线和透明件上表面的交点，得到反射点11，最后连接反射点11和实际离散高亮特征点2所在的位置得到入射光线13，入射光线和反射光线的角平分线即为待求表面法矢14；得到待求透明件的法矢后，基于表面法矢计算对应点面形f在x和y方向的偏导，利用数值积分运算，基于偏导实现透明件面形恢复，如图6所示。由于在初步恢复过程中需要透明件上表面面形以便于计算法向量，因此初步计算结果往往存在一定的偏差，通过迭代优化的方法重复图5和图6所示流程多次，直到最终结果稳定，透明件的面形测试完成。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种透明件表面发光点提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：多点获取透明件上表面的反射图像并处理得到发光点的重心坐标；
S2：依据提取算法提取出透明件上表面的发光点的重心坐标。
2.根据权利要求1所述的一种透明件表面发光点提取方法，其特征在于，在步骤S2中，提取算法主要采用距离公式：
Figure FDA0003077850010000011
其中Cx和Cy为计算得到的重心坐标，dm为距离阈值，符合上述公式的两个发光点即是离散高亮特征点在上下表面分别反射后的点，通过相机和发光点的位置关系确定上表面的发光点的位置，去掉下表面的偏差点。
3.一种透明件表面面形测量方法，基于权利要求2所述的一种透明件发光点提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S11：依据上表面的发光点的重心坐标计算出射光线以及出射光线与透明件的交点；
S12：计算入射光线方向，并依据入射关系和出射光线求出待测反光面法矢；
S13：根据法矢重建待测反光面面形。
4.根据权利要求3所述的一种透明件表面面形测量方法，其特征在于，在步骤S1前，需搭建测量系统，将离散高亮点与相机阵列安装在待测的透明件同侧，并通过计算确定相机的摆放位置、离散高亮特征点位置分布以及离散高亮特征点的亮起顺序。
5.根据权利要求4所述的一种透明件表面面形测量方法，其特征在于，搭建系统具体包括以下步骤：
S01：将离散高亮特征点与相机安装在待测的透明件同侧，使得相机可以通过透明件拍摄得到离散高亮特征点；
S02：构建仿真光路，依据相机检测精度需求控制相机阵列视野范围，并基于相机成像矩阵计算相机阵列摆放位置；
S03：通过相机位置计算透明件上表面理想采样点对应的相机光线方向，基于反射定律确定入射光线方向，即可控发光方向；
S04：计算入射光线和离散高亮特征点阵列所在近似平面的交点，从而确定离散高亮特征点阵列的参考分布位置，并进行离散高亮特征点排布；
S05：基于光线追迹确定离散高亮点的亮起顺序。
6.根据权利要求5所述的一种透明件表面面形测量方法，其特征在于，在步骤S05中，基于相机成像矩阵和光线追迹原理计算离散高量点经过下表面反射后在相机中的下映射点(x1,y1,z1)，以及上表面反射后在相机中的上映射点(x2,y2,z2)，并使得上映射点与下映射点满足公式：
Figure FDA0003077850010000021
式中dm为上表面反射后映射到相机上的所有点之间最小距离。
7.根据权利要求6所述的一种透明件表面面形测量方法，其特征在于，在步骤S1中，控制离散高亮点按顺序亮起，相机进行拍摄，得到图像后通过二值化算法与连通域算法计算可控发光点光源阵列所在位置区域，基于该位置区域，计算图像对应的发光点的重心坐标。
8.根据权利要求3所述的一种透明件表面面形测量方法，其特征在于，在步骤S11中，将重心坐标基于相机阵列成像矩阵映射得到空间直线方程，即出射光线，出射光线与透明件表面面形方程计算得到交点。
9.根据权利要求3所述的一种透明件表面面形测量方法，其特征在于，在步骤S12中，将交点与发光点连线从而得到入射光线方向，根据反射定律得到法线方向向量。
10.根据权利要求3所述的一种透明件表面面形测量方法，其特征在于，在步骤S13后，还进行步骤S14：将重建后的反光面表面模型数据带入步骤S11中重新进行若干次迭代计算，增加重建面形精度，得到最终的测试结果。
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