一種小角度測(cè)量的結(jié)構(gòu)光方法
【專(zhuān)利摘要】一種小角度測(cè)量的結(jié)構(gòu)光方法，測(cè)量系統(tǒng)包括CCD攝像機(jī)、顯示屏和計(jì)算機(jī)。在顯示屏上顯示特征圖樣，并投影在被測(cè)物體或固定在物體上的反射鏡，經(jīng)反射后由攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。CCD拍攝記錄下反射回來(lái)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(dāng)物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，攝像機(jī)所拍攝的虛像也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)前后的虛像進(jìn)行分析，計(jì)算出其轉(zhuǎn)動(dòng)角度。根據(jù)光線反射定律，該角度的一半即為物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、靈敏度高，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，可在車(chē)間環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種小角度測(cè)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(cè)量技術(shù)，特別是針對(duì)一種小角度測(cè)量的結(jié)構(gòu)光測(cè)試方法。
技術(shù)背景
[0002]角度測(cè)量是幾何量計(jì)量技術(shù)的重要組成部分，特別是微小角度的測(cè)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(cè)角技術(shù)中研究最早的是機(jī)械式和電磁式測(cè)角技術(shù)，如多齒分度臺(tái)和圓磁柵等，這些方法的主要缺點(diǎn)大多為手工測(cè)量，不容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，測(cè)量精度受到限制。光學(xué)測(cè)角方法由于具有非接觸、高準(zhǔn)確度和高靈敏度的特點(diǎn)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(chǎng)測(cè)量成為可能。因此，使光學(xué)測(cè)角法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，各種新的光學(xué)測(cè)角方法也應(yīng)運(yùn)而生。目前，光學(xué)測(cè)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(zhǔn)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(diǎn)和應(yīng)用范圍。比如自準(zhǔn)直法中，物體和像分別位于共軛平面。當(dāng)物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，物體在像面上所成的像點(diǎn)也隨之發(fā)生移動(dòng)，通過(guò)測(cè)量像點(diǎn)的移動(dòng)量便來(lái)計(jì)算物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。自準(zhǔn)直法原理簡(jiǎn)單，操作方便、易行，但測(cè)量范圍一般都很小，通常在幾分至幾十分之間，測(cè)量可靠性和測(cè)量精度通常在幾個(gè)角秒。圓光柵在角度測(cè)量中的應(yīng)用非常廣泛，在整周任意角度的測(cè)量中也達(dá)到了極高的準(zhǔn)確度。其缺點(diǎn)是對(duì)光柵與轉(zhuǎn)臺(tái)的對(duì)心準(zhǔn)確度要求較高，高準(zhǔn)確度光柵的制作加工困難。光學(xué)內(nèi)反射法小角度測(cè)量的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，可以做成袖珍式測(cè)角儀，但其測(cè)量范圍也很小，因此只能用于小角度測(cè)量。激光干涉測(cè)角技術(shù)把直接測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度轉(zhuǎn)化成測(cè)量物體反射光與參考光的光程差。由于干涉測(cè)量法可以精確到光波波長(zhǎng)的幾分之一甚至幾十分之一，因此是目前精確度最高的測(cè)量方法。但是對(duì)環(huán)境的要求極為苛刻，許多外界因素，如周?chē)諝饬鲃?dòng)、環(huán)境振動(dòng)等都會(huì)對(duì)測(cè)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(cè)量基準(zhǔn)和檢測(cè)手段，很難用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和車(chē)間環(huán)境測(cè)量。環(huán)形激光器的工作原理是基于Sagnac效應(yīng)。當(dāng)被測(cè)量具和環(huán)形激光器相對(duì)于靜止的光電準(zhǔn)直儀同步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在瞄準(zhǔn)軸與量具棱面法線相重合的瞬間，被測(cè)角度轉(zhuǎn)換成由光電自準(zhǔn)直儀產(chǎn)生的光電流觸發(fā)和停止脈沖所需的時(shí)間間隔，接口裝置在此間隔內(nèi)對(duì)環(huán)形激光脈沖讀數(shù)。該方法的缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，對(duì)測(cè)量條件要求很高，加工工藝難以保證，成本高，對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格。這也是環(huán)形激光器沒(méi)有得到大量應(yīng)用的最主要原因，而且其測(cè)量結(jié)果還會(huì)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(cè)量。
[0003]通過(guò)對(duì)目前常用的幾種光學(xué)測(cè)角方法的介紹可以看出，光學(xué)法在小角度的測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且達(dá)到了很高的測(cè)量精度，成為不可替代的小角度檢測(cè)手段。為滿(mǎn)足某些領(lǐng)域不斷提高的測(cè)量要求，越來(lái)越多的光學(xué)測(cè)量方法和測(cè)量技術(shù)不斷被研究、開(kāi)發(fā)。光學(xué)法在小角度的測(cè)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(jì)量方法獲取的信息量豐富，具有測(cè)量靈敏度高、精度高和設(shè)備成本相對(duì)較低，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，可用于車(chē)間檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域中。而對(duì)于采用結(jié)構(gòu)光方法實(shí)現(xiàn)小角度的測(cè)量的報(bào)道，迄今為止未見(jiàn)報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是一種小角度測(cè)量的結(jié)構(gòu)光方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、靈敏度高，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，可在車(chē)間環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本系統(tǒng)包括顯示屏、C⑶攝像機(jī)和電子計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)產(chǎn)生特征圖樣，顯示在顯示屏上，并投影到被測(cè)物體或固定在物體上的反射鏡，被反射后為CCD攝像機(jī)所接收。CCD拍攝記錄下反射回來(lái)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(dāng)反射鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，攝像機(jī)所拍攝的虛像也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)前后的虛像進(jìn)行分析，計(jì)算出其轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的角度。
[0007]本發(fā)明有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0008]1.本發(fā)明對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，可在車(chē)間環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)。
[0009]2.本發(fā)明中無(wú)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(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。
[0011]4.本發(fā)明采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，對(duì)系統(tǒng)元件放置無(wú)特殊的要求。
[0012]5.本發(fā)明檢測(cè)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(dāng)高的精度，并且能有效地抑制噪聲和周?chē)h(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

【專(zhuān)利附圖】

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

【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1所示,本系統(tǒng)主要是包括(XD攝像機(jī)、顯示屏和計(jì)算機(jī)。顯示屏上顯示由計(jì)算機(jī)生成的特征圖樣，經(jīng)被測(cè)物體或固定在物體上的反射鏡反射后被CCD攝像機(jī)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(dāng)反射鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，攝像機(jī)所拍攝的虛像也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)前后的虛像進(jìn)行分析，計(jì)算出其轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(jìn)行說(shuō)明，當(dāng)顯示其他特征圖樣時(shí)具有類(lèi)似的測(cè)量過(guò)程，本例子并不包括本專(zhuān)利的所有內(nèi)容。
[0019]首先對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定求得內(nèi)參數(shù)。攝像機(jī)成像模型如圖2所示，采用考慮了像差的非線性攝像機(jī)模型描述成像關(guān)系，即基于中心透視投影的線性像機(jī)模型加上引起鏡頭畸變的像差。世界坐標(biāo)系中點(diǎn)P(x，y，z)，其圖像點(diǎn)在圖像平面系中的坐標(biāo)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(cè)量的結(jié)構(gòu)光方法，其特征在于:測(cè)量系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、顯示屏和計(jì)算機(jī)組成； 首先進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，得到攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)； 第二步，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生特征圖樣，顯示在顯示屏上，并投影到被測(cè)物體或固定在物體上的反射鏡，經(jīng)反射后被攝像機(jī)所記錄；分析提取得到記錄圖像中特征點(diǎn)的像素位置，再計(jì)算得到此時(shí)攝像機(jī)相對(duì)于虛像的外參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣R1 ； 第三步，轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡后，重復(fù)第二步中的計(jì)算過(guò)程，得到攝像機(jī)相對(duì)于反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)后虛像的外參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣R2 ； 第四步，計(jì)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(cè)量的結(jié)構(gòu)光方法，其特征在于:通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)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(cè)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(pán)格或聞斯點(diǎn)陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小角度測(cè)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(diǎn)的像素位置，從而采用攝像機(jī)標(biāo)定方法得到相對(duì)于虛像的攝像機(jī)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(cè)量的結(jié)構(gòu)光方法，其特征在于:通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)前后的相對(duì)于虛像的攝像機(jī)外參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣R1和R2求得虛像的轉(zhuǎn)動(dòng)角度:
R12 = R11R2 R12為一個(gè)3X3的矩陣，其特征值平方和的根即為虛像的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小角度測(cè)量的結(jié)構(gòu)光方法，其特征在于:計(jì)算物體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，根據(jù)平面反射定律，物體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為虛像轉(zhuǎn)動(dòng)角度的1/2，將得到的虛像轉(zhuǎn)動(dòng)角度值除以2便可得到反射鏡的旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)也是物體的旋轉(zhuǎn)角度。
【文檔編號(hào)】G01B11/26GK104180778SQ201410475833
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所