[发明专利]一种镜面及类镜面物体表面形貌测量装置与方法

摘要

一种镜面及类镜面物体表面形貌测量方法与装置，采用相位测量偏折术测量镜面及类镜面面形，将液晶显示器和平面镜的组合作为标定板，其中液晶显示器固定不动，平面镜自由移动4次，由CCD探测器拍摄被平面镜反射的图像，再利用线性求解和光束法平差完成摄像机内部参数的标定，利用全局位姿评估完成液晶显示器和摄像机两者相对关系的标定，最后通过相位测量偏折术的梯度积分计算得到待测镜面的三维形貌；本发明克服了传统方法标定过程中需标定板和在平面镜上贴精确定位控制点的缺点，测量成本低，测量速度快，同时，引入透视成像过程中的旋转矩阵正交性等约束条件和傅里叶变换法进行同名点匹配，克服了高噪声、多帧处理给三维形貌恢复带来的影响。

主权项

1.利用镜面及类镜面物体表面形貌测量装置的测量方法，包括标定过程和测量过程，其中，所述镜面及类镜面物体表面形貌测量装置包括：用于将棋盘格图像(7-1)投影在平面镜(5)镜面上并将二维正弦条纹(7-2)投影在待测镜(6)镜面上的液晶显示器(1)，其中，棋盘格图像(7-1)和二维正弦条纹(7-2)由计算机(3)分别在标定过程和测量过程中编码产生；用于控制平面镜(5)或待测镜(6)自由移动的载物台；用于拍摄经平面镜(5)或待测镜(6)反射的液晶显示器(1)上图像的CCD探测器(2)；以及，用于对所采集图像进行分析处理并对待测镜(6)镜面三维形貌进行恢复的计算机(3)；其特征在于，在标定过程，载物台上安放平面镜(5)，计算机(3)编码生成棋盘格图像(7-1)，在液晶显示器(1)上显示并投影至平面镜(5)的镜面上，反射后被CCD探测器(2)接收，经载物台自由移动平面镜(5)四次，则CCD探测器(2)可拍摄由平面镜(5)反射的四幅图像，拍摄结果由计算机(3)进行图像分析与处理，对CCD探测器(2)进行参数标定，并对液晶显示器(1)和CCD探测器(2)的相对关系进行位姿评估；在测量过程，将载物台上的平面镜(5)换成待测镜(6)，计算机(3)编码生成二维正弦条纹(7-2)，在液晶显示器(1)上显示并投影至待测镜(6)的镜面上，反射后被CCD探测器(2)接收，拍摄结果由计算机(3)进行图像分析与处理，对待测镜(6)的镜面梯度进行逐点求取，积分恢复待测镜面形；其中：计算机(3)对CCD探测器(2)拍摄的由平面镜(5)反射的图像进行分析与处理包括：利用平面模板法标定CCD探测器(2)的内部参数A，包括摄像机焦距f、主点坐标(u0,v0)、倾斜因子s以及成像镜头的一阶、二阶径向畸变系数k1、k2和切向畸变系数p1、p2；利用基于平面镜反射的全局位姿评估标定液晶显示器(1)和CCD探测器(2)两者间旋转矩阵R和平移矢量t，评估优化的目标函数为约束为RRT＝I，其中为液晶显示器(1)上的特征点Mij关于平面镜(5)的镜像坐标，ni和di为平面镜第i个位置的单位法向量和与CCD探测器(2)光心的距离，n为棋盘格图像数量，mj表示每幅图像获取的控制点个数，vij为CCD探测器(2)所拍摄的像点在归一化成像面的坐标；计算机(3)对CCD探测器(2)拍摄的由待测镜(6)反射的图像进行分析与处理包括：利用二维傅里叶变换法进行同名点匹配，利用标定过程得到的液晶显示器(1)和CCD探测器(2)间的位姿关系将同名点统一到参考坐标系下，参考坐标系以载物台中心为原点、载物台所在平面为XY平面、载物台的法线方向为Z轴，然后利用相位偏折术中的梯度求取公式求解待测物每点的沿x和y轴方向的梯度gx和gy，最后梯度积分即可恢复面形z＝∫gxdx+gydy；利用线性求解和光束法平差标定CCD探测器(2)参数，以像方误差作为目标函数对CCD探测器(2)参数进行优化，其中，mij表示第i幅图像中实际的控制点坐标，Mj表示液晶显示器上的控制点坐标，是点Mj在第i幅图像上的投影，利用LM法优化内参数矩阵A、畸变系数矩阵kc＝[k1,k2,p1,p2]，第i幅图像的外参数矩阵Ri与Ti；利用二维傅里叶变换、滤波、傅里叶逆变换追踪液晶显示器(1)上与CCD探测器(2)拍摄图像绝对相位相同的点，进行同名点匹配，与CCD探测器(2)图像坐标(u,v)相对应的液晶显示器(1)上的像素坐标为其中Φu、Φv为u、v方向上的绝对相位，px、py分别为二维正弦条纹x和y方向上的周期；由得到的标定数据和同名点，求取参考坐标系下的液晶显示器(1)上的像素坐标(xs,ys,zs)、该像素照亮待测镜的区域(xm,ym,z(xm,ym))、CCD探测器(2)所拍摄的对应点(xc,yc,zc)，代入下面的表达式： g x ( x m , y m ) = x m - x s d m 2 s + x m - x c d m 2 c z s - z ( x m , y m ) d m 2 s + z c - z ( x m , y m ) d m 2 c , g y ( x m , y m ) = y m - y s d m 2 s + y m - y c d m 2 c z s - z ( x m , y m ) d m 2 s + z c - z ( x m , y m ) d m 2 c ]]>式中待求量z(xm,ym)由待测镜(6)的名义形状代替，最后由梯度积分z＝∫gxdx+gydy恢复出真实的待测镜面三维形貌。