一种大尺寸反光表面测量方法

1.本发明涉及反光表面测量技术领域，具体涉及一种大尺寸反光表面测量方法。


背景技术：

2.大尺寸反光表面广泛存在于军事，航空航天，和工业生产生活中的各个领域，如反射式天文望远镜，家用平面镜，建筑用大尺寸瓷砖等表面都为反射面。一般来说这些器件都需要保证一定的面形精度以避免在使用过程中出现质量问题，如反射式天文望远镜如果面形质量较差将严重影响其光学成像性能，家用平面镜需要满足平面度要求以避免成像畸变，瓷砖在投入市场前需要进行平面度评价以避免使用过程中出现碎裂等问题。
3.仅仅通过制造精度无法满足大尺寸反光表面的精度需求，因此在这类结构投入使用之前都需要通过测量避免不合格品投入使用。然而，大尺寸反光表面由于反光表面尺寸较大，对测量手段测量范围要求较高，现阶段大尺寸测量常用的设备多为大型三坐标测量仪，成本高，且测量效率低，无法满足测量速度需求，且在一些光学应用领域，测量精度需要达到微米级别，传统光学测量手段，如线结构光，光栅结构光等基于光学三角原理的测量方法，测量精度受限于相机阵列视野和相机阵列分辨率，在大测量视野下精度往往只有百微级别。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种大尺寸反光表面测量方法。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种大尺寸反光表面测量方法，包括如下步骤：
7.s1：多点获得反光表面图像并处理得到发光点的重心坐标；
8.s2：依据重心坐标计算出射光线和大尺寸反光表面的交点；
9.s3：得到入射光线方向，并求出待测反光面法矢；
10.s4：重建待测反光面面形。
11.在本发明中，优选的，在步骤s4后，为减小误差，进行步骤s5：将重建后的反光面表面模型数据带入步骤s3中重新进行若干次迭代计算，得到最终的测试结果。
12.在本发明中，优选的，在步骤s1前，需进行搭建测量系统，将可控发光点光源与相机阵列安装在待测的大尺寸反光表面同侧，并通过计算确定相机阵列的摆放位置以及可控发光点光源阵列分布。
13.在本发明中，优选的，搭建测量系统具体包括如下步骤：
14.s11：将可控发光点光源与相机阵列安装在待测的大尺寸反光表面同侧，使得相机阵列可以通过大尺寸反光表面拍摄到可控发光点光源；
15.s12：构建仿真光路，依据相机阵列检测精度需求控制相机阵列视野范围，并基于相机阵列成像矩阵计算相机阵列摆放位置；
16.s13：通过相机阵列位置计算大尺寸反光面采样点对应的相机阵列光线方向，基于反射定律确定入射光线方向，即可控发光方向；
17.s14：计算入射光线和可控发光点光源阵列所在近似平面的交点，从而确定可控发光点光源阵列的参考分布位置，并进行可控发光点光源阵列排布。
18.在本发明中，优选的，在步骤s1中，控制可控发光点光源阵列发光，相机阵列进行拍摄，得到图像，通过二值化算法与连通域算法计算可控发光点光源阵列所在位置，基于该位置区域，计算图像对应的发光点的重心坐标。
19.在本发明中，优选的，在步骤s2中，将重心坐标基于相机阵列成像矩阵映射得到空间直线方程，即出射光线。
20.在本发明中，优选的，计算空间直线方程和大尺寸反光表面面形方程的交点。
21.在本发明中，优选的，在步骤s3中，将交点与发光点连线从而得到入射光线方向，根据反射定律得到法线方向向量。
22.在本发明中，优选的，在步骤s4中，对法线方向向量进行数值积分运算，重建大尺寸反光面面形。
23.在本发明中，优选的，在s5中通过步骤s4中计算得到的面形代替步骤s2中的大尺寸反光表面的理论模型，再重新进行步骤s2-s5，通过多次迭代减小误差，使得最终结果逐步收敛，得到最终的测量效果。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.首先，本方法基于可控发光点光源阵列作为特征点，测量范围可以随着发光点的分布范围扩大，可用于大尺寸待测面的测量；其次，本方法通过构建相机阵列和可控发光点光源阵列，由相机拍摄少量图像即可完成计算，与现有技术相比，操作简单，检测速度快。同时，本方法基于反射表面的镜面反光特性进行测量，能够实现秒级测量；且本方法基于反射定律进行计算，对大尺寸反光表面面形敏感度高，经过验证，误差小，能够达到微米级的测量精度。
附图说明
26.图1为本发明所述的一种大尺寸反光表面测量方法的流程图。
27.图2为本发明所述的一种大尺寸反光表面测量方法的搭建的测量系统的结构示意图。
28.图3为led在相机中成像的原理示意图。
29.图4为基于光线追迹计算表面法矢原理图。
30.图5为本发明所述的一种大尺寸反光表面测量方法的恢复面形原理图。
31.图6为本发明所述的一种大尺寸反光表面测量方法的测量误差迭代收敛过程。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
34.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
35.请参见图1，本发明一较佳实施方式提供一种大尺寸反光表面测量方法，主要通过构建大尺寸反光表面测试系统，通过发光点光源与相机阵列配合工作，模拟计算出反光表面的面形，从而完成大尺寸反光表面的测量；测量方法包括如下步骤，s1：多点获得反光表面图像并处理得到发光点的重心坐标；s2：依据重心坐标计算出射光线和大尺寸反光表面的交点；s3：得到入射光线方向，并求出待测反光面法矢；s4：对法矢积分运算，重建待测反光面面形。
36.在本实施方式中，在进行测试步骤前，需搭建测量系统，将可控发光点光源与相机阵列安装在待测的大尺寸反光表面同侧，并通过计算确定相机阵列的摆放位置以及可控发光点光源阵列分布。
37.具体的，如图2所示，测量系统包括可控发光点光源阵列2，大尺寸反光表面1和相机阵列3，其中可控发光点光源阵列2由大量led光源组成，用于提供特征点辅助后续面形计算，相机阵列3用于采集可控发光点光源阵列2提供的特征点，并计算不同可控发光点光源的具体坐标，系统拍摄原理如图3所示，反射表面局部可划分为一个个小平面镜，可控发光点光源阵列2在等效成平面镜的反射表面中的镜像4，相机阵列3可拍摄到发光点光源阵列2的镜像4，通过镜像4再进一步进行计算就可得到大尺寸反光表面1的面形数据。
38.进一步的，搭建测量系统具体包括如下步骤：
39.s11：将可控发光点光源与相机阵列3安装在待测的大尺寸反光表面1同侧，使得相机阵列3可以通过大尺寸反光表面1拍摄到可控发光点光源；
40.s12：构建仿真光路，依据相机阵列3检测精度需求控制相机阵列3视野范围，并基于相机阵列3成像矩阵计算相机阵列3摆放位置，相机阵列3成像矩阵的表达式为：
[0041][0042]
其中xc,yc,zc为相机阵列3坐标系下的物点坐标，xu,yu为物点所对应像点在相机阵列3像平面坐标系下的坐标，f为相机阵列3光心和ccd(电荷耦合器)之间的距离；
[0043]
s13：通过相机阵列3的位置计算大尺寸反光表面1上的采样点(x0，y0，z0)对应的相机阵列3能捕获到的反射光线方向，基于反射定律确定入射光线方向，即可控发光方向，计算方式为
[0044]
r＝i-2(n
·
i)n，
[0045]
其中r为入射光单位向量，i为反射光单位向量，n为大尺寸反光表面1上对应反射点法向量。
[0046]
s14：用平面代替可控发光点光源阵列2所在的曲面以方便后续计算，计算入射光线和可控发光点光源阵列2所在近似平面的交点，计算公式为：
[0047][0048]
其中a，b，c，d为可控发光点光源阵列2所在近似平面方程系数，x0，y0，z0为大尺寸反光表面1采样点的坐标，(m，n，p)为每一采样点对应的入射光线空间向量，x，y，z为计算得到的交点，这些交点即为可控发光点阵列的理论分布位置，从而确定可控发光点光源阵列2的参考分布位置，并按照该分布进行可控发光点光源阵列2排布。
[0049]
进一步的，在实际安装过程中，可以使用棋盘格形状排布的可控发光点光源阵列2，此时在步骤s14中计算得到的可控发光点光源阵列2理论分布位置作为可控发光点光源阵列2分布密度的参考值。
[0050]
进一步的，在进行测量系统搭建中，要求待测表面采样点密度大于1个/mm，相机视野小于200mm，以保证测量精度，且相机倾斜45
°
拍摄。
[0051]
在本实施方式中，在搭建好测量系统后，开始对待测反光表面的测量，步骤s1，首先控制可控发光点光源阵列2依次亮起，相机拍摄对应的图像，通过二值化算法与连通域算法计算可控发光点光源阵列2所在位置，基于该位置区域，计算每个发光点的重心坐标，从而建立起相机和可控发光点光源的对应关系，计算公式为：
[0052][0053][0054]
其中c
x
和cy为计算得到的重心坐标，d
ix
和d
iy
为像素坐标，vi为对应像素的灰度值。
[0055]
进一步的，在搭建好的测量系统中，可控发光点光源阵列2在亮起后，相机进行拍摄，在每个相机拍摄的图像中，除了相机对应的主要发光点，还会拍摄到周围其他干扰发光点，首先对图像采用二值话算法进行处理，使在反光表面上的发光点突出，然后采用连通域算法定位图像中的发光点，接着对定位出的所有发光点进行计算，确定出该相机对应的发光点坐标，即重心坐标。
[0056]
步骤s2，接着以大尺寸反光表面1的理论模型为基础进行求解，对于相机阵列3拍摄到的每一个发光点，基于相机阵列3成像矩阵可以映射得到空间中一直线方程，表达式为：
[0057]
[0058]
式中r
x
、ry、rz、x0、y0、z0为该直线的约束系数，t为参数方程的中间变量，即直线与基准点的距离，并基于直线方程和大尺寸反光表面1面形方程计算两者的交点(x,y,z)。
[0059]
进一步的，将重心坐标带入步骤s12中的相机阵列3的成像矩阵中，从而得到直线方程，该方程即大尺寸反光表面的出射光线表达式，计算出射光线与大尺寸反光表面的理论面形方程的交点，即大尺寸反光表面上的反光点。
[0060]
步骤s3，将交点与发光点实际位置连线从而得到入射光线方向，根据反射定律得到法线方向向量，记为(p
x
,py,pz)。
[0061]
步骤s4，得到待求表面法矢后，利用数值积分运算：
[0062][0063][0064]
进行大尺寸反光面面形重建。
[0065]
步骤s5中通过步骤s4中计算得到的z代替步骤s2中的大尺寸反光表面1的理论模型，再重新进行步骤s2-s5，通过多次迭代减小误差，使得最终结果逐步收敛，得到最终的测量效果。
[0066]
工作原理：
[0067]
先搭建测量系统，根据待测表面面形特点与精度要求设计光源与相机布局方式，一般待测表面采样点密度大于1个/mm，相机视野小于200mm，以保证测量精度，然后控制相机倾斜45
°
拍摄；基于待测表面理想模型下采样点分布情况，结合相机成像公式，计算采样点对应的恰好能够被相机捕获到的反射光线方向；基于反射光线方向和大尺寸反光表面1理想面形方程，以及反射定律计算理论上入射光线的方向；将可控发光点光源阵列2布局在近似与相机等高位置，并用一个理想平面作为可控发光点光源阵列2面的近似，然后计算上一步骤中得到的入射光线和该理想平面的交点，即为可控发光点光源的理论分布位置，然后计算可控发光点光源的位置和密度，基于这一密度进行可控发光点光源阵列2布局。
[0068]
完成测量系统搭建后，测量流程如下：
[0069]
首先控制可控发光点光源阵列2依次亮起，相机阵列3拍摄在图像，通过二值化算法与连通域算法在拍摄的图像中提取可控发光点光源阵列2所在的位置，在该位置区域内计算得到每个发光点的重心坐标，从而建立起相机和可控发光点光源的对应关系。
[0070]
完成可控发光点光源在相机上的映射点计算后，如图4所示，先根据可控发光点光源在相机ccd平面的映射点5和相机镜头等效光心6确定出射光线9的方向位置，然后基于大尺寸反光表面1的预估面形7，计算出射光线9和大尺寸反光表面1的交点，交点即反射点8，最后连接反射点8和实际可控发光点光源所在的位置得到入射光线10，入射光线和反射光线的角平分线即为待求表面法矢11。
[0071]
如图5所示，得到待求表面法矢后，通过积分运算得到表面面形12，基于表面法矢计算对应点面形f在x和y方向的偏导，利用数值积分运算，实现待测反光表面面形恢复，由于在初步恢复过程中大尺寸反光表面面形是理想状态下的，以便于计算法向量，因此初步计算结存在一定的偏差，通过迭代优化的方法重复运算多次，直到最终结果稳定。
[0072]
搭建led数量为500*500的发光阵列，同时搭建5
×
5相机阵列，倾斜45
°
拍摄大尺寸
光学表面，采用本方法后，多次迭代优化过程中误差变化规律如图6所示，证明多次迭代优化后测量精度可达微米级别。
[0073]
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。