本發(fā)明涉及視覺測量領(lǐng)域，特別是涉及一種基于幾何誤差修正技術(shù)和圖像清晰度的光軸與物面垂直度檢測方法。

背景技術(shù)：
在利用CCD成像原理的影像測量系統(tǒng)中，相機(jī)光軸與測量面的垂直度偏差會造成一定的測量誤差，在高精度的測量系統(tǒng)中，微小的偏差角都可能會對最終測量結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，必須準(zhǔn)確測得光軸與物面的垂直度偏差角，再進(jìn)行調(diào)整或者誤差補(bǔ)償，即可保證測量結(jié)果的正確度。目前檢測垂直度的方法大致有以下幾種：1.利用直角尺配合塞尺測量鏡筒與物面的垂直程度。但由于無法保證鏡筒軸線與光軸的平行度和測量過程中的人員誤差，故本方法難以保證測量準(zhǔn)確度。2.直接拍攝標(biāo)準(zhǔn)件，利用標(biāo)準(zhǔn)件的實(shí)際物理尺寸與視覺測量所得結(jié)果進(jìn)行比較，或者利用標(biāo)準(zhǔn)件自身物理量間的比較實(shí)現(xiàn)光軸與物面的垂直度偏差角測量。前者可以采集標(biāo)準(zhǔn)量塊的圖像，比較視覺測量所得結(jié)果與量塊真值，由于所得圖像變形為二次誤差，故檢測精度較低。后者可以采集標(biāo)準(zhǔn)圓的圖像，通過比較圖像中相互垂直的兩直徑長度檢測光軸與物面的垂直度偏差角，由于涉及曲線擬合且擬合精度無法評估，故此方法檢測精度也難以得到保證。3.利用自準(zhǔn)直儀測量光軸與物面的垂直度偏差角，此法無法保證自準(zhǔn)直儀發(fā)出的光線與光軸的平行度，故難以保證檢測精度。4.利用自準(zhǔn)直原理，測量由鏡頭發(fā)出的光經(jīng)物面反射后所得反射光的偏移量，此法要求鏡頭能產(chǎn)生出射光線并捕獲反射光的偏移量，并且要求物面為反光材料。限制較多，難以實(shí)施。5.利用圖像清晰度測量光軸與物面垂直度，即分別計(jì)算一張圖像中不同區(qū)域的清晰度，利用不同區(qū)域達(dá)到清晰度函數(shù)最大值時(shí)的Z向高度差以及同一圖片中不同區(qū)域的距離得出光軸與物面垂直度偏差。但在大行程、小視場的視覺測量系統(tǒng)中，視場大小限制了此法的檢測精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種利用圖像清晰度變化規(guī)律以及幾何誤差修正技術(shù)的光軸與物面垂直度檢測方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：A.使相機(jī)與XY平面相對運(yùn)動，令相機(jī)沿任一運(yùn)動軸從零點(diǎn)到達(dá)第一成像點(diǎn)。B.在第一成像點(diǎn)以固定步長調(diào)節(jié)物距、采集圖像、選擇清晰度評價(jià)函數(shù)計(jì)算圖像清晰度函數(shù)值，同時(shí)記錄物距值和清晰度函數(shù)值，直到清晰度函數(shù)出現(xiàn)最大值。C.調(diào)整相機(jī)位置使其回到零點(diǎn)。D.使相機(jī)與XY平面相對運(yùn)動，令相機(jī)沿同一運(yùn)動軸從零點(diǎn)到達(dá)第二成像點(diǎn)。E.在第二成像點(diǎn)以固定步長調(diào)節(jié)物距、采集圖像，選擇清晰度評價(jià)函數(shù)計(jì)算圖像清晰度函數(shù)值，同時(shí)記錄物距值和清晰度函數(shù)值，直到清晰度函數(shù)出現(xiàn)最大值。F.計(jì)算光軸與物面在此運(yùn)動軸方向的垂直度偏差角。清晰度評價(jià)函數(shù)最好選用梯度類函數(shù)中的修正梯度平方函數(shù)1。本發(fā)明的有益效果是：依據(jù)不同成像點(diǎn)的位置關(guān)系、各成像點(diǎn)處圖像清晰度函數(shù)值達(dá)到最大時(shí)的物距差以及幾何誤差修正技術(shù)實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)光軸與物面垂直度偏差的檢測。本發(fā)明無需其他儀器輔助，可有效提升光軸與物面垂直度的檢測精度，具有廣泛的應(yīng)用前景。附圖說明圖1是光軸與物面不垂直引起的測量誤差示意圖。圖2是清晰成像原理示意圖。圖3是圖像清晰度函數(shù)值隨物距變化示意圖。圖4是三軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)幾何誤差示意圖；圖5是光軸與物面垂直度檢測流程圖。具體實(shí)施方式圖1是光軸與物面不垂直引起的測量誤差示意圖。其中O是相機(jī)光心；OA是相機(jī)光軸；EG所在直線表示相機(jī)感光面；AC'所在直線表示垂直于光軸的物面；AC所在直線表示法線和光軸傾角為的物面；當(dāng)光軸與物面嚴(yán)格垂直時(shí)，AC'所成像的長度為EG，當(dāng)物面從AC'位置偏轉(zhuǎn)角度到AC位置時(shí)，AC所成像的長度為EF，此時(shí)垂直度偏差引起的測量誤差為FG。圖2是清晰成像原理示意圖。當(dāng)置于物面上的被測物體動態(tài)經(jīng)過相機(jī)的完全對焦面時(shí)，若光軸與物面存在垂直度偏差，則不同成像點(diǎn)到達(dá)完全對焦面的時(shí)刻不同，即圖像清晰時(shí)對應(yīng)相機(jī)的位置有所不同。如圖2所示，A1A2是完全對焦面，M是CCD相機(jī)感光面，完全對焦面上的點(diǎn)成像應(yīng)在M上，且成像清晰。因此，C2點(diǎn)和D1點(diǎn)均在M上成清晰像。C1點(diǎn)所成的清晰像在M1面上，D2點(diǎn)所成的清晰像在M2面上，兩者在M面所成的像均為模糊的彌散圓，清晰度較低。故當(dāng)物面由C1C2運(yùn)動到D1D2時(shí)，物面上某一固定點(diǎn)所成的像其清晰度值變化趨勢如圖3所示。隨著物距的改變，只有物面和完全對焦面重合的點(diǎn)能在M面成清晰的像，即只有和相機(jī)保持特定距離的物面上的點(diǎn)可以在感光面上清晰成像。假設(shè)物距一定，則在不同成像點(diǎn)清晰成像的條件是成像點(diǎn)和相機(jī)間的距離等于相機(jī)完全對焦面和相機(jī)鏡頭之間的距離，所以當(dāng)光軸和物面存在垂直度偏差時(shí)，物面不同成像點(diǎn)清晰成像時(shí)對應(yīng)的相機(jī)位置不同。圖4是三軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動部件誤差示意圖。三軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)每個(gè)運(yùn)動軸均有三項(xiàng)角擺誤差，包括俯仰角誤差、偏擺角誤差、滾轉(zhuǎn)角誤差、兩項(xiàng)直線度誤差、一項(xiàng)位置度誤差以及存在于三軸中任意兩軸間的垂直度誤差，共21項(xiàng)誤差?，F(xiàn)做如下定義：△x(x)、△y(y)、△z(z)——分別為沿X、Y、Z軸運(yùn)動的位置度誤差函數(shù)；δy(x)、δz(x)——為沿X軸運(yùn)動的直線度誤差函數(shù)；α(x)、——分別為沿X軸運(yùn)動的滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏擺誤差函數(shù)；δx(y)、δz(y)——為沿Y軸運(yùn)動的直線度誤差函數(shù)；α(y)、——分別為沿Y軸運(yùn)動的滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏擺誤差函數(shù)；δx(z)、δy(z)——為沿Z軸運(yùn)動的直線度誤差函數(shù)；α(z)、——分別為沿Z軸運(yùn)動的滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏擺誤差函數(shù)；——3軸相互之間存在3個(gè)垂直度誤差；由于本方法涉及到直線機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，而直線機(jī)構(gòu)的幾何誤差勢必會影響測量結(jié)果的正確度，所以必須利用幾何誤差修正技術(shù)保證垂直度偏差測量的正確度。設(shè)(x,y,z)為初始位置坐標(biāo)，(x′，y′，z′)為任一幾何變換之后的坐標(biāo)，由幾何變換及齊次坐標(biāo)的知識可知：若空間平移量為(tx,ty,tz)，則平移變換為即其中，平移變換矩陣為若繞X軸旋轉(zhuǎn)α角，則繞X軸的旋轉(zhuǎn)變換為即其中，繞X軸旋轉(zhuǎn)變換矩陣為若繞Y軸旋轉(zhuǎn)β角，則繞Y軸的旋轉(zhuǎn)變換為即其中，繞Y軸旋轉(zhuǎn)變換矩陣為如果某個(gè)變換過程包括平移變換和旋轉(zhuǎn)變換，則最終的變換矩陣為各個(gè)獨(dú)立變換矩陣相乘。由于位置度誤差、角擺誤差、直線度誤差都是坐標(biāo)的函數(shù)且垂直度誤差是恒值，故可利用平移變換矩陣補(bǔ)償運(yùn)動軸的位置度誤差、直線度誤差及垂直度誤差，利用旋轉(zhuǎn)變換矩陣補(bǔ)償運(yùn)動軸的角擺誤差。圖5是光軸與物面垂直度偏差角檢測流程圖?，F(xiàn)根據(jù)前面所述的原理對系統(tǒng)光軸與物面垂直度偏差角進(jìn)行檢測。A.使相機(jī)與XY平面相對運(yùn)動，沿X軸從零點(diǎn)平移t1到達(dá)第一成像點(diǎn)，由于位置度誤差Δx(x)、直線度誤差δy(x)和δz(x)、滾轉(zhuǎn)角α(x)、俯仰角β(x)及偏擺角γ(x)的存在，平移之后相機(jī)的坐標(biāo)(x1,y1,z1)為其中B.在第一成像點(diǎn)以固定步長調(diào)節(jié)物距、采集圖像、選擇清晰度評價(jià)函數(shù)計(jì)算圖像清晰度函數(shù)值，同時(shí)記錄物距值和清晰度函數(shù)值，直到找到清晰度最大值。相機(jī)在調(diào)節(jié)物距的過程中，由于位置度誤差Δz(z)、直線度誤差δx(z)、垂直度誤差θxz以及俯仰角β(z)的存在，導(dǎo)致在調(diào)節(jié)物距過程中拍攝到的點(diǎn)偏離(x1,y1)，相機(jī)實(shí)際拍攝到的點(diǎn)的坐標(biāo)為(x′1,y′1)，則其中z′cam1為圖像清晰度值最大時(shí)的物距真值，其值為：其中zcam1為實(shí)驗(yàn)所得的物距值。C.調(diào)節(jié)相機(jī)位置使其回到零點(diǎn)；D.使相機(jī)與XY平面相對運(yùn)動，沿X軸從零點(diǎn)平移t2以到達(dá)第二成像點(diǎn)(x2,y2,z2)，則其中E.在第二成像點(diǎn)以固定步長調(diào)節(jié)物距、采集圖像，選擇清晰度評價(jià)函數(shù)計(jì)算圖像清晰度函數(shù)值，同時(shí)記錄物距值和清晰度函數(shù)值，直到找到清晰度最大值。相機(jī)在調(diào)節(jié)物距的過程中，由于位置度誤差Δz(z)、直線度誤差δx(z)、垂直度誤差θxz以及俯仰角β(z)的存在，實(shí)際拍攝到的點(diǎn)x′2的坐標(biāo)為其中z′cam2為第二次調(diào)焦過程中圖像清晰度值最大時(shí)的物距真值，其值為：其中zcam2為實(shí)驗(yàn)所得的物距值。F.計(jì)算光軸與物面的垂直度偏差角。同理，若使相機(jī)沿著Y軸移動，即可用上述方法檢測光軸與物面Y向的垂直度偏差角。值得指出的是，只要是根據(jù)本發(fā)明的基本技術(shù)構(gòu)思，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員無須經(jīng)過創(chuàng)造性勞動即可聯(lián)想到的實(shí)施方式，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。