一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置与方法制造方法及图纸

一种镜面及类镜面物体表面形貌测量方法与装置，采用相位测量偏折术测量镜面及类镜面面形，将液晶显示器和平面镜的组合作为标定板，其中液晶显示器固定不动，平面镜自由移动4次，由CCD探测器拍摄被平面镜反射的图像，再利用线性求解和光束法平差完成摄像机内部参数的标定，利用全局位姿评估完成液晶显示器和摄像机两者相对关系的标定，最后通过相位测量偏折术的梯度积分计算得到待测镜面的三维形貌；本发明专利技术克服了传统方法标定过程中需标定板和在平面镜上贴精确定位控制点的缺点，测量成本低，测量速度快，同时，引入透视成像过程中的旋转矩阵正交性等约束条件和傅里叶变换法进行同名点匹配，克服了高噪声、多帧处理给三维形貌恢复带来的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于物体表面形貌测量
，特别涉及一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置与方法。
技术介绍
随着高反射物体在工业生产中的应用范围日益扩大，例如光学元件中的自由镜面，汽车金属车身，太阳能反射镜等，精确测量和评价镜面及类镜面的三维面形，已成为提高加工表面的质量和使用性能的重要研究内容。然而，由于高反射物体表面呈镜面反射的特性，因此传统的基于计算机视觉的物体三维形貌测量技术难以实现镜面物体的表面形貌测量。现有的高反射物体三维形貌测量方法可分为两大类：接触式和非接触式轮廓测量法。接触式测量技术的精度很高，但测量速度慢、易磨损物体表面、对环境要求高等，这些不足限制了其在三维测量领域中的应用。非接触测量主要包括干涉法和偏折法。干涉法测量精度高，但需要额外的补偿元件，这就造成了其测量成本高，同时，对待测物类型和大小有要求，不适用于所有镜面及类镜面物体的形貌测量。偏折法以其测量装置简单、测量精度高、适用于工业现场测量等优点而得到广泛研究和应用，但其存在系统几何标定和同名点匹配等技术难点。传统的偏折术标定方法是先利用标定板标定摄像机的内部参数，然后采取贴上控制点的高精度平面反射镜或激光跟踪仪来完成液晶显示器和摄像机之间的位姿评估，最后利用光束法平差优化标定参量，由于平面镜上控制点的坐标需要利用摄影测量或其他方法来精确定位、激光跟踪仪造价昂贵、光束法平差过程属于局部优化算法，显然，目前常用的标定方法会增加测量成本、无法保证优化的收敛性。同名点匹配一般由基于条纹图的相移算法完成，由于摄像机离焦拍摄并不影响正弦编码图的相位提取过程，因此利用条纹图进行相位匹配具有匹配精度高、空间分辨率高的优点，但是相移算法需要多次移相、重复拍摄，显然，这种多帧处理过程不利于实时快速测量。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置与方法，用于高噪声背景的镜面及类镜面物体三维形貌的恢复，在使用全局位姿评估的基础上，采用自由移动四次平面镜的方式同时实现对系统各部分的标定以及整体几何标定，可以大大简化标定过程和降低测量成本，同时利用二维傅里叶变换对携带有待测镜梯度信息的相位进行简单、快速的提取，提高测量速度。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置，包括：用于将棋盘格图像7-1投影在平面镜5镜面上并将二维正弦条纹7-2投影在待测镜6镜面上的液晶显示器1，其中，棋盘格图像7-1和二维正弦条纹7-2由计算机3分别在标定过程和测量过程中编码产生；用于控制平面镜5或待测镜6自由移动的载物台；用于拍摄经平面镜5或待测镜6反射的液晶显示器1上图像的CCD探测器2；以及，用于对所采集图像进行分析处理并对待测镜6镜面三维形貌进行恢复的计算机3。所述液晶显示器1显示面朝下，正对平面镜5或待测镜6的镜面。所述载物台由平移台4-1、位于平移台4-1上的角位移台4-2和位于角位移台4-2上的旋转台4-3组合而成，平面镜5或待测镜6设置在旋转台4-3上，镜面朝向液晶显示器1的显示面。所述平面镜5用于标定，由载物台控制自由移动四次，且移动位置满足经反射的棋盘格图像7-1至少有四个特征点(棋盘格角点)进入CCD探测器2的拍摄视场。所述待测镜6在载物台上的位置应与平面镜5出现四个特征点时对应的四个位置之一一致，保证测量过程中载物台固定不动。所述棋盘格图像7-1和二维正弦条纹7-2上均设置有能够被CCD探测器2识别的特征点。所述特征点设计为十字叉丝状、三角状或梯形状。本专利技术还提供了利用所述镜面及类镜面物体表面形貌测量装置的测量方法，包括标定过程和测量过程：在标定过程，载物台上安放平面镜5，计算机3编码生成棋盘格图像7-1，在液晶显示器1上显示并投影至平面镜5的镜面上，反射后被CCD探测器2接收，经载物台自由移动平面镜5四次，则CCD探测器2可拍摄由平面镜5反射的四幅图像，拍摄结果由计算机3进行图像分析与处理，利用平面模板法标定CCD探测器2的内部参数A，包括摄像机焦距f、主点坐标(u0,v0)、倾斜因子s以及成像镜头的一阶、二阶径向畸变系数k1、k2和切向畸变系数p1、p2；利用基于平面镜反射的全局位姿评估标定液晶显示器1和CCD探测器2两者间旋转矩阵R和平移矢量t，评估优化的目标函数为约束为RRT＝I，其中为液晶显示器1上的特征点Mij关于平面镜5的镜像坐标，ni和di为平面镜第i个位置的单位法向量和与CCD探测器2光心的距离，n为棋盘格图像数量(n≥4)，mj表示每幅图像获取的控制点个数，vij为CCD探测器2所拍摄的像点在归一化成像面的坐标；在测量过程，将载物台上的平面镜5换成待测镜6，计算机3编码生成二维正弦条纹7-2，在液晶显示器1上显示并投影至待测镜6的镜面上，反射后被CCD探测器2接收，拍摄结果由计算机3进行图像分析与处理，利用二维傅里叶变换法进行同名点匹配，利用标定过程得到的液晶显示器1和CCD探测器2间的位姿关系将同名点统一到参考坐标系下，参考坐标系以载物台中心为原点、载物台所在平面为XY平面、载物台的法线方向为Z轴，然后利用相位偏折术中的梯度求取公式求解待测物每点的沿x和y轴方向的梯度gx和gy，最后梯度积分即可恢复面形z＝∫gxdx+gydy。具体地，利用线性求解和光束法平差标定CCD探测器2参数，以像方误差作为目标函数对CCD探测器2参数进行优化，其中，mij表示第i幅图像中实际的控制点坐标，Mj表示液晶显示器上的控制点坐标，是点Mj在第i幅图像上的投影，利用LM法优化内参数矩阵A、畸变系数矩阵kc＝[k1,k2,p1,p2]，第i幅图像的外参数矩阵Ri与Ti；利用二维傅里叶变换、滤波、傅里叶逆变换追踪液晶显示器1上与CCD探测器2拍摄图像绝对相位相同的点，进行同名点匹配，与CCD探测器2图像坐标(u,v)相对应的液晶显示器1上的像素坐标为其中Φu、Φv为u、v方向上的绝对相位，px、py分别为二维正弦条纹x和y方向上的周期。由得到的标定数据和同名点，求取参考坐标系下的液晶显示器1上的像素坐标(xs,ys,zs)、该像素照亮待测镜的区域(xm,ym,z(xm,ym))、CCD探测器2所拍摄的对应点(xc,yc,zc)，代入下面的表达式： g x ( x m , y m 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置，其特征在于，包括：用于将棋盘格图像(7‑1)投影在平面镜(5)镜面上并将二维正弦条纹(7‑2)投影在待测镜(6)镜面上的液晶显示器(1)，其中，棋盘格图像(7‑1)和二维正弦条纹(7‑2)由计算机(3)分别在标定过程和测量过程中编码产生；用于控制平面镜(5)或待测镜(6)自由移动的载物台；用于拍摄经平面镜(5)或待测镜(6)反射的液晶显示器(1)上图像的CCD探测器(2)；以及，用于对所采集图像进行分析处理并对待测镜(6)镜面三维形貌进行恢复的计算机(3)。

【技术特征摘要】
1.一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置，其特征在于，包括：
用于将棋盘格图像(7-1)投影在平面镜(5)镜面上并将二维正弦条纹(7-2)投影在待测
镜(6)镜面上的液晶显示器(1)，其中，棋盘格图像(7-1)和二维正弦条纹(7-2)由计算机(3)
分别在标定过程和测量过程中编码产生；
用于控制平面镜(5)或待测镜(6)自由移动的载物台；
用于拍摄经平面镜(5)或待测镜(6)反射的液晶显示器(1)上图像的CCD探测器(2)；
以及，
用于对所采集图像进行分析处理并对待测镜(6)镜面三维形貌进行恢复的计算机(3)。
2.根据权利要求1所述镜面及类镜面物体表面形貌测量装置，其特征在于，所述液晶显
示器(1)显示面朝下，正对平面镜(5)或待测镜(6)的镜面。
3.根据权利要求1所述镜面及类镜面物体表面形貌测量装置，其特征在于，所述载物台
由平移台(4-1)、位于平移台(4-1)上的角位移台(4-2)和位于角位移台(4-2)上的旋转台
(4-3)组合而成，平面镜(5)或待测镜(6)设置在旋转台(4-3)上，镜面朝向液晶显示器(1)的
显示面。
4.根据权利要求1所述镜面及类镜面物体表面形貌测量装置，其特征在于，所述平面镜
(5)用于标定，由载物台控制自由移动四次，且移动位置满足经反射的棋盘格图像(7-1)至
少有四个特征点进入CCD探测器(2)的拍摄视场。
5.根据权利要求4所述镜面及类镜面物体表面形貌测量装置，其特征在于，所述待测镜
(6)在载物台上的位置应与平面镜(5)出现四个特征点时对应的四个位置之一一致，保证测
量过程中载物台固定不动。
6.根据权利要求1所述镜面及类镜面物体表面形貌测量装置，其特征在于，所述棋盘格
图像(7-1)和二维正弦条纹(7-2)上均设置有能够被CCD探测器(2)识别的特征点。
7.根据权利要求6所述镜面及类镜面物体表面形貌测量装置，其特征在于，所述特征点
设计为十字叉丝状、三角状或梯形状。
8.利用权利要求1所述镜面及类镜面物体表面形貌测量装置的测量方法，包括标定过
程和测量过程，其特征在于，
在标定过程，载物台上安放平面镜(5)，计算机(3)编码生成棋盘格图像(7-1)，在液晶
显示器(1)上显示并投影至平面镜(5)的镜面上，反射后被CCD探测器(2)接收，经载物台自
由移动平面镜(5)四次，则CCD探测器(2)可拍摄由平面镜(5)反射的四幅图像，拍摄结果由
计算机(3)进行图像分析与处理，对CCD探测器(2)进行参数标定，并对液晶显示器(1)和CCD
探测器(2)的相对关系进行位姿评估；
在测量过程，将载物台上的平面镜(5)换成待测镜(6)，计算机(3)编码生成二维正弦条
纹(7-2)，在液晶显示器(1)上显示并投影至待测镜(6)的镜面上，反射后被CCD探测器(2)接
收，拍摄结果由计算机(3)进行图像分析与处理，对待测镜(6)的镜面梯度进行逐点求取，积
分恢复待测镜面形。
9.根据权利要求8所述镜面及类镜面物体表面形貌测量方法，其特征在于，
计算机(3)对CCD探测器(2)拍摄的由平面镜(5)反射的图像进行分析与处理包括：
利用平面模板法标定CCD探测器(2)的内部参数A，包括摄像机焦距f、主点坐标(u0,v0)、
倾斜因子s以及成像镜头的一阶、二阶径向畸变系数k1、k2和切向畸变系数p1、p2；利用基于
平面镜反射的全局位姿评估标定液晶显示器(1)和CCD探测器(2)两者间旋转矩阵R和平移
矢量t，评估优化的目标函数为约束为RRT＝I，其中为液晶显示器(1)上的特征点Mij关于平面镜(5)的镜像坐标，ni和di为平面镜第i个位置的
单位法向量和与CCD探测器(2)光心的距离，n为棋盘格图像数量，mj表示每幅图像获取的控
制点个数，vij为CCD探测器(2)所拍摄的像点在归一化成像面的坐标；
计算机(3)对CCD探测器(2)拍摄的由待测镜(6)反射的图像进行分析与处理包括：
利用二维傅里叶变换法进行同名点匹配，利用标定过程得到的液晶显示器(1)和CCD探
测器(2)间的位姿关系将同名点统一到参考坐标系下，参考坐标系以载物台中心为原点、载
物台所在平面为XY平面、载物台的法线方向为Z轴，然后利用相位偏折术中的梯度求取公式
求解待测物每点的沿x和y轴方向的梯度gx和gy，最后梯度积分即可恢复面形z＝∫gxdx+
gydy。
10.根据权利要求9所述镜面及类镜面物体表面形貌测量方法，其特征在于，利用线性
求解和光束法平差标定CCD探测器(2)参数，以像方误差作为
目标函数对CCD探测器(2)参数进行优化，其中，mij表示第i幅图像中实际的控制点坐标，Mj表示液晶显示器上的控制点坐标，是点Mj在第i幅图像上的投影，利用LM
法优化内参数矩阵A、畸变系数矩阵kc＝[k1,k2,p1,p2]，第i幅图像的外参数矩阵Ri与Ti；
利用二维傅里叶变换、滤波、傅里叶逆变换追踪液晶显示器(1)上与CCD探测器(2)拍摄
图像绝对相位相同的点，进行同名点匹配，与CCD探测器(2)图像坐标(u,v)相对应的液晶显
示器(1)上的像素坐标为其中Φu、Φv为u、v方向上的绝对相位，px、py分别
为二维正弦条纹x和y方向上的周期；
由得到的标定数据和同名点，求取参考坐标系下的液晶显示器(1)上的像素坐标(xs,
ys,zs)、该像素照亮待测镜的区域(xm,ym,z(xm,ym))、CCD探测器(2)所拍摄的对应点(xc,yc,
zc)，代入下面的表达式：
g x ( x m , y m ) = x m - x s d ...

【专利技术属性】
技术研发人员：周天，陈琨，李岩，尉昊赟，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11