基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置及方法
【专利摘要】基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置及方法，属于微小位移检测【技术领域】。本发明为了解决现有视觉检测测量系统对目标微位移的检测方法，存在的测量结果精度低的问题。装置包括高速CCD摄像机、激光跟踪仪和漫反射投影屏幕，目标物在漫反射投影屏幕上移动；方法中首先基于目标物标定点的成像点与激光跟踪仪获得的目标物标定点共轭的原理，建立对应关系查找表；然后采用高速CCD摄像机依次对目标物的屏幕光斑成像，获得目标物投影点的共轭点，查表获得或查表结合双线性插值的解算方法获得目标物投影点在投影屏幕坐标系上的坐标值。本发明用于测量目标位移矢量。
【专利说明】基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置及方法，属于微小位移检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]微小位移检测技术在现代精密测量领域中意义重大，通过对微小位移的高精度测量，并结合空间布局的结构参数，可以完成对角度、速度、直线度、平面度等一系列重要参数的精密测量。同时它还可以用于评估各类已有仪器的控制精度，并可以检测目标体在空间中的移动精度。
[0003]目前世界上精度较高的位移测量技术是双频激光干涉测量法，其测得的位移精度为纳米级。但是这种方法只能测定角锥棱镜的一维标量位移值，无法测量二维矢量位移值，且不能跟踪具体实物目标，视场很小，在使用上具有较大的局限性。
[0004]目前在测量领域中，通常采用视觉检测技术对空间物体的位置信息进行测量，这种测量方法成本低、精度高、视场大，并且便于安装运输，适应性强，再配合高精度的图像处理算法即可以实现对目标体的高速、大范围及高精度的定位和位移测算。
[0005]典型的视觉检测测量方案中，采用若透视模型的光学成像方程对物方的线位移矢量进行测定，该测量系统一般由光源、镜头、CCD摄像机、图像采集装置和图像处理软件组成，其通过视觉成像原理解算出物体的空间位置参数。测量原理如图2所示。
[0006]典型的视觉测量位移的原理为:(XD摄像机利用相机镜头对物面屏幕上的物点A进行成像，在CCD像面上形成像点B。当目标物点在屏幕上从A1点运动到A2点,则成像点在CXD像面上从B1点运动到B2点。通过后续的图像处理算法可以算出像点从B1点运动到B2点的位移为X，则目标物点在屏幕上从A1点运动到A2点的位移为d，各参量满足的关系为:1
[0007]d 一 X]。
[0008]其中，I为成像系统的光心到屏幕4的垂直距离，f为CXD摄像机2的镜头焦距。据此方法即可便捷的测算出目标体在屏幕4上的位移矢量值。这种位移矢量值的获得方法存在以下缺陷:
[0009]1、工艺性缺陷:(XD摄相机和镜头在制造过程中，存在工艺性缺陷，其镜头焦距与出厂的设定值f存在一定误差，该误差引入测量方程，会造成测量误差。并且成像系统光心的准确位置很难确定，进而很难在实际测量中给出光心到屏幕的准确距离1，这都对测量结果造成误差影响。
[0010]2、若透视模型误差:若透视模型比较简单，没有考虑屏幕与主光轴存在夹角等问题，当屏幕平面不平整，或者屏幕与主光轴存在夹角时，系统的成像公式均不能成立。而且实际情况中，镜头存在畸变，会导致很大的非线性误差，畸变的种类不同，造成的误差分布也不同，很难通过标定的办法矫正此类问题，由此限制了视觉检测系统对目标微位移的检测能力和检测精度。

【发明内容】

[0011]本发明目的是为了解决现有视觉检测测量系统对目标微位移的检测方法，存在的测量结果精度低的问题，提供了一种基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置及方法。
[0012]本发明所述基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置，它包括高速CCD摄像机、激光跟踪仪和漫反射投影屏幕，目标物在漫反射投影屏幕上移动；
[0013]高速CCD摄像机用于对漫反射投影屏幕上的目标物标定点进行成像，激光跟踪仪用于测定漫反射投影屏幕上的目标物标定点坐标。
[0014]所述漫反射投影屏幕为由两块1000mmX 500mmX 3mm的磨砂玻璃拼接而成的正方
形，该漫反射投影屏幕的背面喷涂黑色漆料。
[0015]基于上述基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置的测量方法，它包括以下步骤:
[0016]步骤一:设定漫反射投影屏幕上一点Al作为目标物标定点，由激光跟踪仪获得该目标物标定点Al在投影屏幕坐标系上的坐标值为Al (Ul, VI)；
[0017]步骤_.:保持目标物标定点Al固定，利用闻速CCD摄像机对该目标物标定点Al进行成像，在高速CCD摄像机的像面上得到目标物标定点Al的对应共轭点BI,对共轭点BI进行图像处理后，获得共轭点BI在像面坐标系上的坐标值BI (ml, nl)；
[0018]步骤三:在漫反射投影屏幕上，以目标物标定点Al为基准，再选定24个目标物标定点Ai，i=2，3，4，……，25，使25个目标物标定点在漫反射投影屏幕上以25cm的间距均匀排布，然后依次按照步骤一和步骤二的方法，直至完成对第25个目标物标定点的测算，获得Ai (Ui, Vi)与Bi (mi, ni)的对应关系查找表，i=l, 2，3，……，25 ；
[0019]步骤四:采用高速CCD摄像机依次对目标物在漫反射投影屏幕上投影获得的屏幕光斑成像，获得目标物投影点的共轭点Bj (mj, nj), j=l, 2，3，......；
[0020]步骤五:在所述对应关系查找表中查找共轭点Bj (mj, nj),若Bj (mj, nj)与对应关系查找表中的某点Bi(mi，ni)重合，则执行步骤六；否则执行步骤七；
[0021]步骤六:根据对应关系查找表获得目标物投影点在投影屏幕坐标系上的坐标值，然后执行步骤八；
[0022]步骤七:在所述对应关系查找表中根据Bj (mj, nj)周围最接近的四个已知标定点Bi (mi, ni)，采用双线性插值的解算方法获得Aj (Uj, Vj) ,Aj (Uj, Vj)为与共轭点Bj (mj, nj)对应的目标物投影点在投影屏幕坐标系上的坐标值；然后执行步骤八；
[0023]步骤八:由步骤四至步骤七过程中获得的Aj (Uj, Vj)的初始值与终值，计算获得目标物在漫反射投影屏幕上的位移矢量。
[0024]所述目标物标定点为光斑或目标靶球。
[0025]所述对共轭点BI进行图像处理后，获得共轭点BI在像面坐标系上的坐标值Bl(ml,nl)的具体方法为:首先对高速CCD摄像机获得的共轭点BI的8位图像灰度数据进行双阈值像素提取，在共轭点BI的有效像素区域内利用线性插值的方法增加有效像素个数，再利用基于灰度加权的质心提取算法计算获得共轭点BI在像面坐标系上的坐标值BI (ml, nl)。
[0026]在共轭点BI的有效像素区域内利用线性插值的方法增加有效像素个数，再利用基于灰度加权的质心提取算法计算获得共轭点BI在像面坐标系上的坐标值BI (ml, nl)的具体过程为:
[0027]下面以假设的一点为例，来说明该具体过程:
[0028]预设置共轭点的图像灰度数据库，该数据库包括呈矩阵排列的多个像素点f (P，q)，P为矩阵的行数，Q为矩阵的列数，设定高速CCD摄像机获得的共轭点BI的8位图像灰度数据为f (U，V)，并且该图像灰度数据f (U，V)位于图像灰度数据库的像素点f (2，2)、f(2, 3)、f(3，2)及 f(3，3)之间，
[0029]则利用线性插值的方法获得f (U，2)为:
[0030]f (u，2) =f (2，2) + (u-2).[f (3，2) -f (2，2)]，
[0031 ] 再通过f (2，3)和f (3，3)插值得到f (U，3)为:
[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)进行插值，获得f (u，v):
[0034]f (u, v) =f (u, 2) + (v-2).[f (u, 3)-f (u, 2)]；
[0035]则原构成光斑的像素点f(2，2)、f(2，3)、f(3，2)及f(3，3)通过插值后，变为f(2，2)、f(2，3)、f(3，2)、f(3，3)及 f(u，v)；
[0036]基于此，利用基于灰度加权的质心提取算法计算获得共轭点BI在像面坐标系上的坐标值BI (ml, nl)为:
【权利要求】
1.一种基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置，其特征在于，它包括高速CXD摄像机(I)、激光跟踪仪(2)和漫反射投影屏幕(3)，目标物在漫反射投影屏幕(3)上移动； 高速CCD摄像机(I)用于对漫反射投影屏幕(3)上的目标物标定点进行成像，激光跟踪仪(2)用于测定漫反射投影屏幕(3)上的目标物标定点坐标。
2.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置，其特征在于，所述漫反射投影屏幕(3)为由两块1000mmX500mmX3mm的磨砂玻璃拼接而成的正方形，该漫反射投影屏幕(3)的背面喷涂黑色漆料。
3.一种基于权利要求1所述基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置的测量方法，其特征在于，它包括以下步骤: 步骤一:设定漫反射投影屏幕(3)上一点Al作为目标物标定点，由激光跟踪仪(2)获得该目标物标定点Al在投影屏幕坐标系(4)上的坐标值为Al (Ul, VI)； 步骤二:保持目标物标定点AI固定，利用高速CCD摄像机(I)对该目标物标定点AI进行成像，在高速CCD摄像机(I)的像面上得到目标物标定点Al的对应共轭点BI,对共轭点BI进行图像处理后，获得共轭点BI在像面坐标系(5)上的坐标值BI (ml, nl)； 步骤三:在漫反射投影屏幕(3)上，以目标物标定点Al为基准，再选定24个目标物标定点Ai，i=2, 3, 4,……，25，使25个目标物标定点在漫反射投影屏幕(3)上以25cm的间距均匀排布，然后依次按照步骤一和步骤二的方法，直至完成对第25个目标物标定点的测算，获得Ai (Ui, Vi)与Bi (mi, ni)的对应关系查找表，i=l, 2，3，……，25 ； 步骤四:采用高速CCD摄像机(I)依次对目标物在漫反射投影屏幕(3 )上投影获得的屏幕光斑成像，获得目标物投影点的共轭点Bj (mj, nj)，j=l, 2，3，……； 步骤五:在所述对应关系查找表中查找共轭点Bj (mj, nj)，若Bj (mj, nj)与对应关系查找表中的某点Bi (mi, ni)重合，则执行步骤六；否则执行步骤七； 步骤六:根据对应关系查找表获得目标物投影点在投影屏幕坐标系(4)上的坐标值，然后执行步骤八； 步骤七:在所述对应关系查找表中根据Bj(mj，nj)周围最接近的四个已知标定点Bi (mi, ni)，采用双线性插值的解算方法获得Aj (Uj, Vj) ,Aj (Uj, Vj)为与共轭点Bj (mj, nj)对应的目标物投影点在投影屏幕坐标系(4)上的坐标值；然后执行步骤八； 步骤八:由步骤四至步骤七过程中获得的Aj (Uj，Vj)的初始值与终值，计算获得目标物在漫反射投影屏幕(3)上的位移矢量。
4.根据权利要求3所述的基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置的测量方法，其特征在于， 所述目标物标定点为光斑或目标靶球。
5.根据权利要求4所述的基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置的测量方法，其特征在于，所述对共轭点BI进行图像处理后，获得共轭点BI在像面坐标系(5)上的坐标值BI (ml, nl)的具体方法为:首先对高速CXD摄像机(I)获得的共轭点BI的8位图像灰度数据进行双阈值像素提取，在共轭点BI的有效像素区域内利用线性插值的方法增加有效像素个数，再利用基于灰度加权的质心提取算法计算获得共轭点BI在像面坐标系(5)上的坐标值BI (ml, nl)。
6.根据权利要求5所述的基于激光跟踪仪逐点标定的目标位移矢量测量装置的测量方法，其特征在于，在共轭点BI的有效像素区域内利用线性插值的方法增加有效像素个数，再利用基于灰度加权的质心提取算法计算获得共轭点BI在像面坐标系(5)上的坐标值BI (ml, nl)的具体过程为: 下面以假设的一点为例，来说明该具体过程: 预设置共轭点的图像灰度数据库，该数据库包括呈矩阵排列的多个像素点f (P，q)，P为矩阵的行数，q为矩阵的列数，设定高速CCD摄像机(I)获得的共轭点BI的8位图像灰度数据为f (U，V)，并且该图像灰度数据f (U，V)位于图像灰度数据库的像素点f (2，2)、f(2, 3)、f(3，2)及 f(3，3)之间， 则利用线性插值的方法获得f (u，2)为: f(u, 2)=f(2, 2) + (u-2).[f(3, 2)-f(2, 2)], 再通过f (2，3)和f (3，3)插值得到f(u, 3)为: 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)进行插值，获得f(u，v): f (u, v) =f (u, 2) + (v-2).[f (u, 3)-f (u, 2)]； 则原构成光斑的像素点f (2，2)、f (2，3)、f (3，2)及f (3，3)通过插值后，变为f (2，2)、f(2，3)、f(3，2)、f(3，3)及 f(u，v)； 基于此，利用基于灰度加权的质心提取算法计算获得共轭点BI在像面坐标系(5)上的坐标值BI (ml, nl)为:

【文档编号】G01B11/03GK103837085SQ201410083057
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】陈刚, 孟繁擘, 郭玉波, 叶东, 于潇宇, 吕旭冬 申请人:哈尔滨工业大学