CN104197846B - 一种基于特征图样反射的反射镜位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特征图样反射的反射镜位移测量方法，在显示屏上显示特征图样，并投影在反射镜上，经反射后由CCD摄像机进行拍摄。CCD摄像机拍摄记录下反射回来的特征图样，即CCD拍摄记录下显示屏由反射镜形成的虚像。当反射镜发生移动时，摄像机所拍摄的虚像也会发生移动。通过对摄像机的内参数和外参数进行标定，可以得到反射镜移动所引起的虚像的移动距离。再根据光线反射定律可知，反射镜的移动距离是其虚像移动距离的一半，从而得到反射镜的位移。

Description

一种基于特征图样反射的反射镜位移测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学位移测量技术，特别是针对一种反射镜位移测量测试方法。

技术背景

位移测量在光学精密仪器、材料测量等众多测量领域起着越来越重要的作用。测量位移量，可以采用接触式测量法和非接触式测量法。传统式的接触式测量法包括千分表、三坐标测量机、直线光栅、激光跟踪仪等，非接触式测量方法，主要是利用激光测距或测量三角形原理，如激光飞秒法、激光测距仪等。这些测量方法都有自己的特点和局限性，并适用于不同的测量领域。在光学装配中，通常需要对反射镜的位移量进行测量。通常这类反射镜表面已经镀膜，接触式测量容易损伤表面，造成表面疵病，只能采用光学非接触式测量。激光类的测量设备有价格昂贵，调整困难的缺点。

结构光计量方法获取的信息量丰富，具有测量灵敏度高、精度高和设备成本相对较低，抗环境干扰能力强，可用于车间检测等优点，已被广泛地应用于光学测量领域中。而对于采用结构光方法实现反射镜位移测量的报道，迄今为止未见报道。

发明内容

本发明是一种基于特征图样反射的反射镜位移测量方法，具有结构简单、使用方便、灵敏度高，对环境无特殊要求，可在车间环境中进行检测等优点，包括显示屏、CCD摄像机和电子计算机。计算机产生特征图样，显示在显示屏上，并投影到反射镜上，被反射后为CCD摄像机所接收。CCD拍摄记录下反射回来的特征图样。也就是CCD拍摄记录下显示屏由反射镜形成的虚像。当反射镜发生移动时，摄像机所拍摄的虚像也会发生移动。计算出反射镜移动前后虚像的移动距离。根据光线反射定律，该距离的一半即为反射镜的位移量。

本发明有如下的优点：

1.本发明对抗环境干扰能力强，可用于车间检测。

2.本发明结构简单，成本低廉。

3.本发明具有较大的测量动态范围。

4.本发明采用的调整、使用方便。

5.本发明检测方法具有很高的灵敏度。

附图说明

图1为本发明中提到的检测方法系统结构示意图；

图2为摄像机模型示意图；

图3a典型特征图样形状a.棋盘格；

图3b.高斯点阵；

图3c.二维正弦条纹；

图4a.反射镜移动前后摄像机拍摄虚像示意图，反射镜初始位置虚像；

图4b.反射镜移动前后摄像机拍摄虚像示意图，反射镜移动位置虚像。

具体实施方式

如图1所示，本系统包括CCD摄像机、显示屏和计算机。显示屏上显示由计算机生成的特征图样，经被测物体或固定在物体上的反射镜反射后被CCD摄像机所拍摄并记录。也就是CCD拍摄记录下显示屏由反射镜形成的虚像。当反射镜发生移动时，该虚像相对于摄像机也会发生移动。通过对摄像机外参数进行标定，可以计算出反射镜移动前后虚像相对于摄像机的移动距离。根据光线反射定律，该距离的一半即为反射镜的移动距离。下面以显示屏上显示棋盘格特征图样为例进行说明。

首先对摄像机进行标求得内参数。摄像机成像模型如图2所示，采用考虑了像差的非线性摄像机模型描述成像关系，即基于中心透视投影的线性像机模型加上引起镜头畸变的像差。设空间点p在世界坐标系中的坐标为(X，Y，Z)，其图像点在图像坐标系中的坐标为(u，v)。对于二维平面空间点Z＝0，二维平面中心透视投影成像关系可以表示为：

式中λ为非零比例因子，K为像机内参数矩阵，F_u与F_v分别表示u、v轴上归一化矩阵；(u₀,v₀)为主点坐标；R和T为摄像机的外参数，分别表示摄像机坐标系相对世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，X＝x/z，Y＝y/z，表示了p点的投影方向。通过摄像机标定可以求得内参数矩阵K。相机标定方法很多，如Tsai和Roger提出的两步法，张正友提出的平面标定法等。

第二步，显示并拍摄棋盘格特征图样并进行图像处理。在计算机中生成标准棋盘格特征图样，经被测物体或固定在物体上的反射镜反射后被CCD摄像机所拍摄并记录。也就是CCD拍摄记录下显示屏由反射镜形成的虚像。虚像位置见图1中的虚像1，CCD拍摄的图像如图4(a)所示。采用直线检测法或角点检测算法，计算出棋盘格特征点即角点的精确像素位置。这时，就可以计算得到此时摄像机相对于虚像的外参数旋转矩阵R₁和平移矩阵T₁。

第三步，移动反射镜后，显示并拍摄棋盘格特征图样并进行图像处理。移动反射镜后，CCD摄像机拍摄记录下此时显示屏由反射镜形成的虚像。虚像位置见图1中的虚像2，CCD拍摄的图像如图4(b)所示。重复第二步中的计算过程，得到摄像机相对于移动后虚像的外参数平移矩阵T₂。

第四步，计算虚像移动距离。根据公式2可得反射镜移动前后两个虚像之间的移动：

式中R₁和T₁分别是反射镜移动前摄像机相对于虚像的外参数旋转矩阵和平移矩阵，T₂是反射镜移动后摄像机相对于虚像的外参数平移矩阵，列向量T＝[t_x，t_y，t_z]^T，其中t_x和t_y是角点在平行于虚像平面的两个方向上的移动距离，在本项测试中不需要这两个量；t_z是角点在垂直于虚像平面方向上的移动距离，即为所需要的虚像移动距离。根据光线反射原理，反射镜的移动距离为虚像移动距离的一半，即反射镜移动距离为t_z/2。

Claims (5)

1.一种基于特征图样反射的反射镜位移测量方法，其特征在于：测量系统包括CCD摄像机、显示屏和计算机；首先进行摄像机标定，得到摄像机的内参数；再由计算机产生特征图样，并显示在显示屏上，并投影到反射镜上，经反射后被摄像机所记录；CCD拍摄记录下反射回来的特征图样，即CCD拍摄记录下显示屏由反射镜形成的虚像；当反射镜发生移动时，该虚像相对于摄像机也会发生移动；通过对摄像机外参数标定，得到反射镜移动前后虚像相对于摄像机的位置，进而计算出虚像的移动距离；再根据光线反射定律可知，反射镜的移动距离是其虚像移动距离的一半，从而得到反射镜的位移；

通过反射镜移动前后的相对于虚像的摄像机外参数求得虚像的移动距离；设反射镜移动前相对于虚像的摄像机外参数旋转矩阵为R₁，平移矩阵为T₁，反射镜移动后平移矩阵为T₂，则虚像的移动距离t_z可以由下式计算得到：

$T=R_1^{-1}(T_2-T_1)$

式中列向量T＝[t_x，t_y，t_z]^T，其中t_z即为虚像的移动距离。

2.根据权利要求1所述的反射镜位移测量方法，其特征在于：通过摄像机标定得到其内参数，采用考虑了像差的非线性模型。

3.根据权利要求1所述的反射镜位移测量方法，其特征在于：其是二维正弦条纹图样、棋盘格图样或高斯点阵图样。

4.根据权利要求1所述的反射镜位移测量方法，其特征在于：对摄像机外参数标定为提取记录图像中的特征点像素位置，通过摄像机标定计算得到相对于虚像的摄像机的外参数平移矩阵。

5.根据权利要求1所述的反射镜位移测量方法，其特征在于：根据平面反射定律，反射镜的位移为虚像移动距离的1/2，将得到的虚像移动距离除以2便可得到反射镜的位移，即等于t_z/2，式中t_z即为虚像的移动距离。