一种小角度测量的结构光方法
【专利摘要】一种小角度测量的结构光方法，测量系统包括CCD摄像机、显示屏和计算机。在显示屏上显示特征图样，并投影在被测物体或固定在物体上的反射镜，经反射后由摄像机进行拍摄。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。当物体发生转动时，摄像机所拍摄的虚像也会发生转动。对转动前后的虚像进行分析，计算出其转动角度。根据光线反射定律，该角度的一半即为物体转动的角度。本发明结构简单、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。
【专利说明】一种小角度测量的结构光方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光学的角度测量技术，特别是针对一种小角度测量的结构光测试方法。
技术背景
[0002]角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，特别是微小角度的测量在精密加工、航空航天、军事和通讯等许多领域都具有极其重要的意义和作用。测角技术中研究最早的是机械式和电磁式测角技术，如多齿分度台和圆磁栅等，这些方法的主要缺点大多为手工测量，不容易实现自动化，测量精度受到限制。光学测角方法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视，尤其是稳定的激光光源的发展使工业现场测量成为可能。因此，使光学测角法的应用越来越广泛，各种新的光学测角方法也应运而生。目前，光学测角方法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法、衍射法、自准直法、光纤法、声光调制法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法、平行干涉图法以及环形激光法等。这些方法都有各自的特点和应用范围。比如自准直法中，物体和像分别位于共轭平面。当物体发生转动时，物体在像面上所成的像点也随之发生移动，通过测量像点的移动量便来计算物体转动的角度。自准直法原理简单，操作方便、易行，但测量范围一般都很小，通常在几分至几十分之间，测量可靠性和测量精度通常在几个角秒。圆光栅在角度测量中的应用非常广泛，在整周任意角度的测量中也达到了极高的准确度。其缺点是对光栅与转台的对心准确度要求较高，高准确度光栅的制作加工困难。光学内反射法小角度测量的主要优点是体积小，可以做成袖珍式测角仪，但其测量范围也很小，因此只能用于小角度测量。激光干涉测角技术把直接测量物体转动的角度转化成测量物体反射光与参考光的光程差。由于干涉测量法可以精确到光波波长的几分之一甚至几十分之一，因此是目前精确度最高的测量方法。但是对环境的要求极为苛刻，许多外界因素，如周围空气流动、环境振动等都会对测量结果产生很大影响，而且仪器结构精密、稳定性不好、体积大，因而通常只作为一种测量基准和检测手段，很难用于现场测量和车间环境测量。环形激光器的工作原理是基于Sagnac效应。当被测量具和环形激光器相对于静止的光电准直仪同步转动时，在瞄准轴与量具棱面法线相重合的瞬间，被测角度转换成由光电自准直仪产生的光电流触发和停止脉冲所需的时间间隔，接口装置在此间隔内对环形激光脉冲读数。该方法的缺点是只能实现动态测量，对测量条件要求很高，加工工艺难以保证，成本高，对环境要求严格。这也是环形激光器没有得到大量应用的最主要原因，而且其测量结果还会受到“频率牵弓I ”和地球自转的影响，很多方法都可适用于小角度的精密测量。
[0003]通过对目前常用的几种光学测角方法的介绍可以看出，光学法在小角度的测量中已经得到了广泛的应用，并且达到了很高的测量精度，成为不可替代的小角度检测手段。为满足某些领域不断提高的测量要求，越来越多的光学测量方法和测量技术不断被研究、开发。光学法在小角度的测量中有着极其重要的作用和广泛的应用前景。
[0004]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小角度的测量的报道，迄今为止未见报道。
【发明内容】
[0005]本发明是一种小角度测量的结构光方法，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。
[0006]本系统包括显示屏、C⑶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，并投影到被测物体或固定在物体上的反射镜，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。当反射镜发生转动时，摄像机所拍摄的虚像也会发生转动。对转动前后的虚像进行分析，计算出其转动角度。根据光线反射定律，该角度的一半即为反射镜转动的角度。
[0007]本发明有如下的优点:
[0008]1.本发明对环境无特殊要求，可在车间环境中进行检测。
[0009]2.本发明中无需特殊光学元件，成本非常低廉。
[0010]3.本发明具有较大的测量动态范围。
[0011]4.本发明采用的系统结构简单、使用方便，对系统元件放置无特殊的要求。
[0012]5.本发明检测方法具有很高的灵敏度。
[0013]6.本发明中所采用的结构图样和相移技术具有相当高的精度，并且能有效地抑制噪声和周围环境对检测结果的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明中提到的检测方法系统结构示意图；
[0015]图2为摄像机模型示意图；
[0016]图3为典型特征图样形状；图3&.棋盘格；图313.高斯点阵；图3(:.二维正弦条纹；
[0017]图4为转动前后摄像机拍摄虚像示意图；图4a.转动前虚像；图4b.转动后虚像。
【具体实施方式】
[0018]如图1所示,本系统主要是包括(XD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。当反射镜发生转动时，摄像机所拍摄的虚像也会发生转动。对转动前后的虚像进行分析，计算出其转动角度。根据光线反射定律，该角度的一半即为反射镜转动的角度。下面以显示屏上显示二维正弦条纹特征图样为例进行说明，当显示其他特征图样时具有类似的测量过程，本例子并不包括本专利的所有内容。
[0019]首先对摄像机进行标定求得内参数。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。世界坐标系中点P(x，y，z)，其图像点在图像平面系中的坐标为(U，V)。中心透视投影成像关系可以表示为:
【权利要求】
1.一种小角度测量的结构光方法，其特征在于:测量系统由CCD摄像机、显示屏和计算机组成； 首先进行摄像机标定，得到摄像机的内参数； 第二步，由计算机产生特征图样，显示在显示屏上，并投影到被测物体或固定在物体上的反射镜，经反射后被摄像机所记录；分析提取得到记录图像中特征点的像素位置，再计算得到此时摄像机相对于虚像的外参数旋转矩阵R1 ； 第三步，转动反射镜后，重复第二步中的计算过程，得到摄像机相对于反射镜转动后虚像的外参数旋转矩阵R2 ； 第四步，计算得到物体的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的小角度测量的结构光方法，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所述的小角度测量的结构光方法，其特征在于:特征图样是二维正弦条纹、棋盘格或闻斯点阵。
4.根据权利要求1所述的小角度测量的结构光方法，其特征在于:分析提取得到记录图像中特征点的像素位置，从而采用摄像机标定方法得到相对于虚像的摄像机的外参数旋转矩阵。
5.根据权利要求1所述的小角度测量的结构光方法，其特征在于:通过转动前后的相对于虚像的摄像机外参数旋转矩阵R1和R2求得虚像的转动角度:
R12 = R11R2 R12为一个3X3的矩阵，其特征值平方和的根即为虚像的转动角度。
6.根据权利要求1所述的小角度测量的结构光方法，其特征在于:计算物体的转动角度，根据平面反射定律，物体的转动角度为虚像转动角度的1/2，将得到的虚像转动角度值除以2便可得到反射镜的旋转角度，同时也是物体的旋转角度。
【文档编号】G01B11/26GK104180778SQ201410475833
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】赵文川, 李璐璐, 范斌 申请人:中国科学院光电技术研究所