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基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置及方法
【專利摘要】基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置及方法，屬于微小位移檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有視覺檢測測量系統(tǒng)對目標(biāo)微位移的檢測方法，存在的測量結(jié)果精度低的問題。裝置包括高速CCD攝像機(jī)、激光跟蹤儀和漫反射投影屏幕，目標(biāo)物在漫反射投影屏幕上移動(dòng)；方法中首先基于目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)的成像點(diǎn)與激光跟蹤儀獲得的目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)共軛的原理，建立對應(yīng)關(guān)系查找表；然后采用高速CCD攝像機(jī)依次對目標(biāo)物的屏幕光斑成像，獲得目標(biāo)物投影點(diǎn)的共軛點(diǎn)，查表獲得或查表結(jié)合雙線性插值的解算方法獲得目標(biāo)物投影點(diǎn)在投影屏幕坐標(biāo)系上的坐標(biāo)值。本發(fā)明用于測量目標(biāo)位移矢量。
【專利說明】基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置及方法，屬于微小位移檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]微小位移檢測技術(shù)在現(xiàn)代精密測量領(lǐng)域中意義重大，通過對微小位移的高精度測量，并結(jié)合空間布局的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以完成對角度、速度、直線度、平面度等一系列重要參數(shù)的精密測量。同時(shí)它還可以用于評估各類已有儀器的控制精度，并可以檢測目標(biāo)體在空間中的移動(dòng)精度。
[0003]目前世界上精度較高的位移測量技術(shù)是雙頻激光干涉測量法，其測得的位移精度為納米級。但是這種方法只能測定角錐棱鏡的一維標(biāo)量位移值，無法測量二維矢量位移值，且不能跟蹤具體實(shí)物目標(biāo)，視場很小，在使用上具有較大的局限性。
[0004]目前在測量領(lǐng)域中，通常采用視覺檢測技術(shù)對空間物體的位置信息進(jìn)行測量，這種測量方法成本低、精度高、視場大，并且便于安裝運(yùn)輸，適應(yīng)性強(qiáng)，再配合高精度的圖像處理算法即可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)體的高速、大范圍及高精度的定位和位移測算。
[0005]典型的視覺檢測測量方案中，采用若透視模型的光學(xué)成像方程對物方的線位移矢量進(jìn)行測定，該測量系統(tǒng)一般由光源、鏡頭、CCD攝像機(jī)、圖像采集裝置和圖像處理軟件組成，其通過視覺成像原理解算出物體的空間位置參數(shù)。測量原理如圖2所示。
[0006]典型的視覺測量位移的原理為:(XD攝像機(jī)利用相機(jī)鏡頭對物面屏幕上的物點(diǎn)A進(jìn)行成像，在CCD像面上形成像點(diǎn)B。當(dāng)目標(biāo)物點(diǎn)在屏幕上從A1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A2點(diǎn),則成像點(diǎn)在CXD像面上從B1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B2點(diǎn)。通過后續(xù)的圖像處理算法可以算出像點(diǎn)從B1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B2點(diǎn)的位移為X，則目標(biāo)物點(diǎn)在屏幕上從A1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A2點(diǎn)的位移為d，各參量滿足的關(guān)系為:1
[0007]d 一 X]。
[0008]其中，I為成像系統(tǒng)的光心到屏幕4的垂直距離，f為CXD攝像機(jī)2的鏡頭焦距。據(jù)此方法即可便捷的測算出目標(biāo)體在屏幕4上的位移矢量值。這種位移矢量值的獲得方法存在以下缺陷:
[0009]1、工藝性缺陷:(XD攝相機(jī)和鏡頭在制造過程中，存在工藝性缺陷，其鏡頭焦距與出廠的設(shè)定值f存在一定誤差，該誤差引入測量方程，會(huì)造成測量誤差。并且成像系統(tǒng)光心的準(zhǔn)確位置很難確定，進(jìn)而很難在實(shí)際測量中給出光心到屏幕的準(zhǔn)確距離1，這都對測量結(jié)果造成誤差影響。
[0010]2、若透視模型誤差:若透視模型比較簡單，沒有考慮屏幕與主光軸存在夾角等問題，當(dāng)屏幕平面不平整，或者屏幕與主光軸存在夾角時(shí)，系統(tǒng)的成像公式均不能成立。而且實(shí)際情況中，鏡頭存在畸變，會(huì)導(dǎo)致很大的非線性誤差，畸變的種類不同，造成的誤差分布也不同，很難通過標(biāo)定的辦法矯正此類問題，由此限制了視覺檢測系統(tǒng)對目標(biāo)微位移的檢測能力和檢測精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有視覺檢測測量系統(tǒng)對目標(biāo)微位移的檢測方法，存在的測量結(jié)果精度低的問題，提供了一種基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置及方法。
[0012]本發(fā)明所述基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置，它包括高速CCD攝像機(jī)、激光跟蹤儀和漫反射投影屏幕，目標(biāo)物在漫反射投影屏幕上移動(dòng)；
[0013]高速CCD攝像機(jī)用于對漫反射投影屏幕上的目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行成像，激光跟蹤儀用于測定漫反射投影屏幕上的目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)。
[0014]所述漫反射投影屏幕為由兩塊1000mmX 500mmX 3mm的磨砂玻璃拼接而成的正方
形，該漫反射投影屏幕的背面噴涂黑色漆料。
[0015]基于上述基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置的測量方法，它包括以下步驟:
[0016]步驟一:設(shè)定漫反射投影屏幕上一點(diǎn)Al作為目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)，由激光跟蹤儀獲得該目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)Al在投影屏幕坐標(biāo)系上的坐標(biāo)值為Al (Ul, VI)；
[0017]步驟_.:保持目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)Al固定，利用聞速CCD攝像機(jī)對該目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)Al進(jìn)行成像，在高速CCD攝像機(jī)的像面上得到目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)Al的對應(yīng)共軛點(diǎn)BI,對共軛點(diǎn)BI進(jìn)行圖像處理后，獲得共軛點(diǎn)BI在像面坐標(biāo)系上的坐標(biāo)值BI (ml, nl)；
[0018]步驟三:在漫反射投影屏幕上，以目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)Al為基準(zhǔn)，再選定24個(gè)目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)Ai，i=2，3，4，……，25，使25個(gè)目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)在漫反射投影屏幕上以25cm的間距均勻排布，然后依次按照步驟一和步驟二的方法，直至完成對第25個(gè)目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)的測算，獲得Ai (Ui, Vi)與Bi (mi, ni)的對應(yīng)關(guān)系查找表，i=l, 2，3，……，25 ；
[0019]步驟四:采用高速CCD攝像機(jī)依次對目標(biāo)物在漫反射投影屏幕上投影獲得的屏幕光斑成像，獲得目標(biāo)物投影點(diǎn)的共軛點(diǎn)Bj (mj, nj), j=l, 2，3，......；
[0020]步驟五:在所述對應(yīng)關(guān)系查找表中查找共軛點(diǎn)Bj (mj, nj),若Bj (mj, nj)與對應(yīng)關(guān)系查找表中的某點(diǎn)Bi(mi，ni)重合，則執(zhí)行步驟六；否則執(zhí)行步驟七；
[0021]步驟六:根據(jù)對應(yīng)關(guān)系查找表獲得目標(biāo)物投影點(diǎn)在投影屏幕坐標(biāo)系上的坐標(biāo)值，然后執(zhí)行步驟八；
[0022]步驟七:在所述對應(yīng)關(guān)系查找表中根據(jù)Bj (mj, nj)周圍最接近的四個(gè)已知標(biāo)定點(diǎn)Bi (mi, ni)，采用雙線性插值的解算方法獲得Aj (Uj, Vj) ,Aj (Uj, Vj)為與共軛點(diǎn)Bj (mj, nj)對應(yīng)的目標(biāo)物投影點(diǎn)在投影屏幕坐標(biāo)系上的坐標(biāo)值；然后執(zhí)行步驟八；
[0023]步驟八:由步驟四至步驟七過程中獲得的Aj (Uj, Vj)的初始值與終值，計(jì)算獲得目標(biāo)物在漫反射投影屏幕上的位移矢量。
[0024]所述目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)為光斑或目標(biāo)靶球。
[0025]所述對共軛點(diǎn)BI進(jìn)行圖像處理后，獲得共軛點(diǎn)BI在像面坐標(biāo)系上的坐標(biāo)值Bl(ml,nl)的具體方法為:首先對高速CCD攝像機(jī)獲得的共軛點(diǎn)BI的8位圖像灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行雙閾值像素提取，在共軛點(diǎn)BI的有效像素區(qū)域內(nèi)利用線性插值的方法增加有效像素個(gè)數(shù)，再利用基于灰度加權(quán)的質(zhì)心提取算法計(jì)算獲得共軛點(diǎn)BI在像面坐標(biāo)系上的坐標(biāo)值BI (ml, nl)。
[0026]在共軛點(diǎn)BI的有效像素區(qū)域內(nèi)利用線性插值的方法增加有效像素個(gè)數(shù)，再利用基于灰度加權(quán)的質(zhì)心提取算法計(jì)算獲得共軛點(diǎn)BI在像面坐標(biāo)系上的坐標(biāo)值BI (ml, nl)的具體過程為:
[0027]下面以假設(shè)的一點(diǎn)為例，來說明該具體過程:
[0028]預(yù)設(shè)置共軛點(diǎn)的圖像灰度數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包括呈矩陣排列的多個(gè)像素點(diǎn)f (P，q)，P為矩陣的行數(shù)，Q為矩陣的列數(shù)，設(shè)定高速CCD攝像機(jī)獲得的共軛點(diǎn)BI的8位圖像灰度數(shù)據(jù)為f (U，V)，并且該圖像灰度數(shù)據(jù)f (U，V)位于圖像灰度數(shù)據(jù)庫的像素點(diǎn)f (2，2)、f(2, 3)、f(3，2)及 f(3，3)之間，
[0029]則利用線性插值的方法獲得f (U，2)為:
[0030]f (u，2) =f (2，2) + (u-2).[f (3，2) -f (2，2)]，
[0031 ] 再通過f (2，3)和f (3，3)插值得到f (U，3)為:
[0032]f (u，3) =f (2，3) + (u-2).[f (3，3) -f (2，3)]，
[0033]最后，利用f (U，2)和f (U，3)進(jìn)行插值，獲得f (u，v):
[0034]f (u, v) =f (u, 2) + (v-2).[f (u, 3)-f (u, 2)]；
[0035]則原構(gòu)成光斑的像素點(diǎn)f(2，2)、f(2，3)、f(3，2)及f(3，3)通過插值后，變?yōu)閒(2，2)、f(2，3)、f(3，2)、f(3，3)及 f(u，v)；
[0036]基于此，利用基于灰度加權(quán)的質(zhì)心提取算法計(jì)算獲得共軛點(diǎn)BI在像面坐標(biāo)系上的坐標(biāo)值BI (ml, nl)為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置，其特征在于，它包括高速CXD攝像機(jī)(I)、激光跟蹤儀(2)和漫反射投影屏幕(3)，目標(biāo)物在漫反射投影屏幕(3)上移動(dòng)； 高速CCD攝像機(jī)(I)用于對漫反射投影屏幕(3)上的目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行成像，激光跟蹤儀(2)用于測定漫反射投影屏幕(3)上的目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置，其特征在于，所述漫反射投影屏幕(3)為由兩塊1000mmX500mmX3mm的磨砂玻璃拼接而成的正方形，該漫反射投影屏幕(3)的背面噴涂黑色漆料。
3.一種基于權(quán)利要求1所述基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置的測量方法，其特征在于，它包括以下步驟: 步驟一:設(shè)定漫反射投影屏幕(3)上一點(diǎn)Al作為目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)，由激光跟蹤儀(2)獲得該目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)Al在投影屏幕坐標(biāo)系(4)上的坐標(biāo)值為Al (Ul, VI)； 步驟二:保持目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)AI固定，利用高速CCD攝像機(jī)(I)對該目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)AI進(jìn)行成像，在高速CCD攝像機(jī)(I)的像面上得到目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)Al的對應(yīng)共軛點(diǎn)BI,對共軛點(diǎn)BI進(jìn)行圖像處理后，獲得共軛點(diǎn)BI在像面坐標(biāo)系(5)上的坐標(biāo)值BI (ml, nl)； 步驟三:在漫反射投影屏幕(3)上，以目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)Al為基準(zhǔn)，再選定24個(gè)目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)Ai，i=2, 3, 4,……，25，使25個(gè)目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)在漫反射投影屏幕(3)上以25cm的間距均勻排布，然后依次按照步驟一和步驟二的方法，直至完成對第25個(gè)目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)的測算，獲得Ai (Ui, Vi)與Bi (mi, ni)的對應(yīng)關(guān)系查找表，i=l, 2，3，……，25 ； 步驟四:采用高速CCD攝像機(jī)(I)依次對目標(biāo)物在漫反射投影屏幕(3 )上投影獲得的屏幕光斑成像，獲得目標(biāo)物投影點(diǎn)的共軛點(diǎn)Bj (mj, nj)，j=l, 2，3，……； 步驟五:在所述對應(yīng)關(guān)系查找表中查找共軛點(diǎn)Bj (mj, nj)，若Bj (mj, nj)與對應(yīng)關(guān)系查找表中的某點(diǎn)Bi (mi, ni)重合，則執(zhí)行步驟六；否則執(zhí)行步驟七； 步驟六:根據(jù)對應(yīng)關(guān)系查找表獲得目標(biāo)物投影點(diǎn)在投影屏幕坐標(biāo)系(4)上的坐標(biāo)值，然后執(zhí)行步驟八； 步驟七:在所述對應(yīng)關(guān)系查找表中根據(jù)Bj(mj，nj)周圍最接近的四個(gè)已知標(biāo)定點(diǎn)Bi (mi, ni)，采用雙線性插值的解算方法獲得Aj (Uj, Vj) ,Aj (Uj, Vj)為與共軛點(diǎn)Bj (mj, nj)對應(yīng)的目標(biāo)物投影點(diǎn)在投影屏幕坐標(biāo)系(4)上的坐標(biāo)值；然后執(zhí)行步驟八； 步驟八:由步驟四至步驟七過程中獲得的Aj (Uj，Vj)的初始值與終值，計(jì)算獲得目標(biāo)物在漫反射投影屏幕(3)上的位移矢量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置的測量方法，其特征在于， 所述目標(biāo)物標(biāo)定點(diǎn)為光斑或目標(biāo)靶球。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置的測量方法，其特征在于，所述對共軛點(diǎn)BI進(jìn)行圖像處理后，獲得共軛點(diǎn)BI在像面坐標(biāo)系(5)上的坐標(biāo)值BI (ml, nl)的具體方法為:首先對高速CXD攝像機(jī)(I)獲得的共軛點(diǎn)BI的8位圖像灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行雙閾值像素提取，在共軛點(diǎn)BI的有效像素區(qū)域內(nèi)利用線性插值的方法增加有效像素個(gè)數(shù)，再利用基于灰度加權(quán)的質(zhì)心提取算法計(jì)算獲得共軛點(diǎn)BI在像面坐標(biāo)系(5)上的坐標(biāo)值BI (ml, nl)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于激光跟蹤儀逐點(diǎn)標(biāo)定的目標(biāo)位移矢量測量裝置的測量方法，其特征在于，在共軛點(diǎn)BI的有效像素區(qū)域內(nèi)利用線性插值的方法增加有效像素個(gè)數(shù)，再利用基于灰度加權(quán)的質(zhì)心提取算法計(jì)算獲得共軛點(diǎn)BI在像面坐標(biāo)系(5)上的坐標(biāo)值BI (ml, nl)的具體過程為: 下面以假設(shè)的一點(diǎn)為例，來說明該具體過程: 預(yù)設(shè)置共軛點(diǎn)的圖像灰度數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包括呈矩陣排列的多個(gè)像素點(diǎn)f (P，q)，P為矩陣的行數(shù)，q為矩陣的列數(shù)，設(shè)定高速CCD攝像機(jī)(I)獲得的共軛點(diǎn)BI的8位圖像灰度數(shù)據(jù)為f (U，V)，并且該圖像灰度數(shù)據(jù)f (U，V)位于圖像灰度數(shù)據(jù)庫的像素點(diǎn)f (2，2)、f(2, 3)、f(3，2)及 f(3，3)之間， 則利用線性插值的方法獲得f (u，2)為: f(u, 2)=f(2, 2) + (u-2).[f(3, 2)-f(2, 2)], 再通過f (2，3)和f (3，3)插值得到f(u, 3)為: f(u, 3)=f(2, 3) + (u-2).[f(3, 3)-f(2, 3)], 最后，利用f(u，2)和f(u，3)進(jìn)行插值，獲得f(u，v): f (u, v) =f (u, 2) + (v-2).[f (u, 3)-f (u, 2)]； 則原構(gòu)成光斑的像素點(diǎn)f (2，2)、f (2，3)、f (3，2)及f (3，3)通過插值后，變?yōu)閒 (2，2)、f(2，3)、f(3，2)、f(3，3)及 f(u，v)； 基于此，利用基于灰度加權(quán)的質(zhì)心提取算法計(jì)算獲得共軛點(diǎn)BI在像面坐標(biāo)系(5)上的坐標(biāo)值BI (ml, nl)為:

【文檔編號】G01B11/03GK103837085SQ201410083057
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】陳剛, 孟繁擘, 郭玉波, 葉東, 于瀟宇, 呂旭冬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)