一種小角度測量的結(jié)構(gòu)光方法
【專利摘要】一種小角度測量的結(jié)構(gòu)光方法，測量系統(tǒng)包括CCD攝像機、顯示屏和計算機。在顯示屏上顯示特征圖樣，并投影在被測物體或固定在物體上的反射鏡，經(jīng)反射后由攝像機進行拍攝。CCD拍攝記錄下反射回來的特征圖樣，也就是CCD拍攝記錄下顯示屏由反射鏡形成的虛像。當物體發(fā)生轉(zhuǎn)動時，攝像機所拍攝的虛像也會發(fā)生轉(zhuǎn)動。對轉(zhuǎn)動前后的虛像進行分析，計算出其轉(zhuǎn)動角度。根據(jù)光線反射定律，該角度的一半即為物體轉(zhuǎn)動的角度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、靈敏度高，對環(huán)境無特殊要求，可在車間環(huán)境中進行檢測。
【專利說明】一種小角度測量的結(jié)構(gòu)光方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)的角度測量技術(shù)，特別是針對一種小角度測量的結(jié)構(gòu)光測試方法。
技術(shù)背景
[0002]角度測量是幾何量計量技術(shù)的重要組成部分，特別是微小角度的測量在精密加工、航空航天、軍事和通訊等許多領(lǐng)域都具有極其重要的意義和作用。測角技術(shù)中研究最早的是機械式和電磁式測角技術(shù)，如多齒分度臺和圓磁柵等，這些方法的主要缺點大多為手工測量，不容易實現(xiàn)自動化，測量精度受到限制。光學(xué)測角方法由于具有非接觸、高準確度和高靈敏度的特點而倍受人們的重視，尤其是穩(wěn)定的激光光源的發(fā)展使工業(yè)現(xiàn)場測量成為可能。因此，使光學(xué)測角法的應(yīng)用越來越廣泛，各種新的光學(xué)測角方法也應(yīng)運而生。目前，光學(xué)測角方法除眾所周知的光學(xué)分度頭法和多面棱體法外，常用的還有光電編碼器法、衍射法、自準直法、光纖法、聲光調(diào)制法、圓光柵法、光學(xué)內(nèi)反射法、激光干涉法、平行干涉圖法以及環(huán)形激光法等。這些方法都有各自的特點和應(yīng)用范圍。比如自準直法中，物體和像分別位于共軛平面。當物體發(fā)生轉(zhuǎn)動時，物體在像面上所成的像點也隨之發(fā)生移動，通過測量像點的移動量便來計算物體轉(zhuǎn)動的角度。自準直法原理簡單，操作方便、易行，但測量范圍一般都很小，通常在幾分至幾十分之間，測量可靠性和測量精度通常在幾個角秒。圓光柵在角度測量中的應(yīng)用非常廣泛，在整周任意角度的測量中也達到了極高的準確度。其缺點是對光柵與轉(zhuǎn)臺的對心準確度要求較高，高準確度光柵的制作加工困難。光學(xué)內(nèi)反射法小角度測量的主要優(yōu)點是體積小，可以做成袖珍式測角儀，但其測量范圍也很小，因此只能用于小角度測量。激光干涉測角技術(shù)把直接測量物體轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)化成測量物體反射光與參考光的光程差。由于干涉測量法可以精確到光波波長的幾分之一甚至幾十分之一，因此是目前精確度最高的測量方法。但是對環(huán)境的要求極為苛刻，許多外界因素，如周圍空氣流動、環(huán)境振動等都會對測量結(jié)果產(chǎn)生很大影響，而且儀器結(jié)構(gòu)精密、穩(wěn)定性不好、體積大，因而通常只作為一種測量基準和檢測手段，很難用于現(xiàn)場測量和車間環(huán)境測量。環(huán)形激光器的工作原理是基于Sagnac效應(yīng)。當被測量具和環(huán)形激光器相對于靜止的光電準直儀同步轉(zhuǎn)動時，在瞄準軸與量具棱面法線相重合的瞬間，被測角度轉(zhuǎn)換成由光電自準直儀產(chǎn)生的光電流觸發(fā)和停止脈沖所需的時間間隔，接口裝置在此間隔內(nèi)對環(huán)形激光脈沖讀數(shù)。該方法的缺點是只能實現(xiàn)動態(tài)測量，對測量條件要求很高，加工工藝難以保證，成本高，對環(huán)境要求嚴格。這也是環(huán)形激光器沒有得到大量應(yīng)用的最主要原因，而且其測量結(jié)果還會受到“頻率牽弓I ”和地球自轉(zhuǎn)的影響，很多方法都可適用于小角度的精密測量。
[0003]通過對目前常用的幾種光學(xué)測角方法的介紹可以看出，光學(xué)法在小角度的測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且達到了很高的測量精度，成為不可替代的小角度檢測手段。為滿足某些領(lǐng)域不斷提高的測量要求，越來越多的光學(xué)測量方法和測量技術(shù)不斷被研究、開發(fā)。光學(xué)法在小角度的測量中有著極其重要的作用和廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]結(jié)構(gòu)光計量方法獲取的信息量豐富，具有測量靈敏度高、精度高和設(shè)備成本相對較低，抗環(huán)境干擾能力強，可用于車間檢測等優(yōu)點，已被廣泛地應(yīng)用于光學(xué)測量領(lǐng)域中。而對于采用結(jié)構(gòu)光方法實現(xiàn)小角度的測量的報道，迄今為止未見報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是一種小角度測量的結(jié)構(gòu)光方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、靈敏度高，對環(huán)境無特殊要求，可在車間環(huán)境中進行檢測等優(yōu)點。
[0006]本系統(tǒng)包括顯示屏、C⑶攝像機和電子計算機。計算機產(chǎn)生特征圖樣，顯示在顯示屏上，并投影到被測物體或固定在物體上的反射鏡，被反射后為CCD攝像機所接收。CCD拍攝記錄下反射回來的特征圖樣。也就是CCD拍攝記錄下顯示屏由反射鏡形成的虛像。當反射鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動時，攝像機所拍攝的虛像也會發(fā)生轉(zhuǎn)動。對轉(zhuǎn)動前后的虛像進行分析，計算出其轉(zhuǎn)動角度。根據(jù)光線反射定律，該角度的一半即為反射鏡轉(zhuǎn)動的角度。
[0007]本發(fā)明有如下的優(yōu)點:
[0008]1.本發(fā)明對環(huán)境無特殊要求，可在車間環(huán)境中進行檢測。
[0009]2.本發(fā)明中無需特殊光學(xué)元件，成本非常低廉。
[0010]3.本發(fā)明具有較大的測量動態(tài)范圍。
[0011]4.本發(fā)明采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，對系統(tǒng)元件放置無特殊的要求。
[0012]5.本發(fā)明檢測方法具有很高的靈敏度。
[0013]6.本發(fā)明中所采用的結(jié)構(gòu)圖樣和相移技術(shù)具有相當高的精度，并且能有效地抑制噪聲和周圍環(huán)境對檢測結(jié)果的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明中提到的檢測方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為攝像機模型示意圖；
[0016]圖3為典型特征圖樣形狀；圖3&.棋盤格；圖313.高斯點陣；圖3(:.二維正弦條紋；
[0017]圖4為轉(zhuǎn)動前后攝像機拍攝虛像示意圖；圖4a.轉(zhuǎn)動前虛像；圖4b.轉(zhuǎn)動后虛像。

【具體實施方式】
[0018]如圖1所示,本系統(tǒng)主要是包括(XD攝像機、顯示屏和計算機。顯示屏上顯示由計算機生成的特征圖樣，經(jīng)被測物體或固定在物體上的反射鏡反射后被CCD攝像機所拍攝并記錄。也就是CCD拍攝記錄下顯示屏由反射鏡形成的虛像。當反射鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動時，攝像機所拍攝的虛像也會發(fā)生轉(zhuǎn)動。對轉(zhuǎn)動前后的虛像進行分析，計算出其轉(zhuǎn)動角度。根據(jù)光線反射定律，該角度的一半即為反射鏡轉(zhuǎn)動的角度。下面以顯示屏上顯示二維正弦條紋特征圖樣為例進行說明，當顯示其他特征圖樣時具有類似的測量過程，本例子并不包括本專利的所有內(nèi)容。
[0019]首先對攝像機進行標定求得內(nèi)參數(shù)。攝像機成像模型如圖2所示，采用考慮了像差的非線性攝像機模型描述成像關(guān)系，即基于中心透視投影的線性像機模型加上引起鏡頭畸變的像差。世界坐標系中點P(x，y，z)，其圖像點在圖像平面系中的坐標為(U，V)。中心透視投影成像關(guān)系可以表示為:

【權(quán)利要求】
1.一種小角度測量的結(jié)構(gòu)光方法，其特征在于:測量系統(tǒng)由CCD攝像機、顯示屏和計算機組成； 首先進行攝像機標定，得到攝像機的內(nèi)參數(shù)； 第二步，由計算機產(chǎn)生特征圖樣，顯示在顯示屏上，并投影到被測物體或固定在物體上的反射鏡，經(jīng)反射后被攝像機所記錄；分析提取得到記錄圖像中特征點的像素位置，再計算得到此時攝像機相對于虛像的外參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣R1 ； 第三步，轉(zhuǎn)動反射鏡后，重復(fù)第二步中的計算過程，得到攝像機相對于反射鏡轉(zhuǎn)動后虛像的外參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣R2 ； 第四步，計算得到物體的旋轉(zhuǎn)角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小角度測量的結(jié)構(gòu)光方法，其特征在于:通過攝像機標定得到其內(nèi)參數(shù)，采用考慮了像差的非線性模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小角度測量的結(jié)構(gòu)光方法，其特征在于:特征圖樣是二維正弦條紋、棋盤格或聞斯點陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小角度測量的結(jié)構(gòu)光方法，其特征在于:分析提取得到記錄圖像中特征點的像素位置，從而采用攝像機標定方法得到相對于虛像的攝像機的外參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小角度測量的結(jié)構(gòu)光方法，其特征在于:通過轉(zhuǎn)動前后的相對于虛像的攝像機外參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣R1和R2求得虛像的轉(zhuǎn)動角度:
R12 = R11R2 R12為一個3X3的矩陣，其特征值平方和的根即為虛像的轉(zhuǎn)動角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小角度測量的結(jié)構(gòu)光方法，其特征在于:計算物體的轉(zhuǎn)動角度，根據(jù)平面反射定律，物體的轉(zhuǎn)動角度為虛像轉(zhuǎn)動角度的1/2，將得到的虛像轉(zhuǎn)動角度值除以2便可得到反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度，同時也是物體的旋轉(zhuǎn)角度。
【文檔編號】G01B11/26GK104180778SQ201410475833
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】趙文川, 李璐璐, 范斌 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所