專利名稱：一種透光玻璃光學畸變數字化檢測儀及檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種透光玻璃光學畸變數字化檢測儀及檢測方法，它是一種高效數字化檢測透光玻璃光學畸變的方法和裝置，屬于自動檢測技術領域。
背景技術：
光學畸變是指由透明件(通常指玻璃)不均勻性引起的光學角度偏差的變化率。 光學畸變產生的原因是玻璃由于工藝、材料、鍍膜、曲率等因素造成表面折射率的分布非均勻，使通過的光線產生偏離，從而使透過玻璃觀察到的物像變形。對于汽車、飛機等交通工具來說，駕駛艙擋風玻璃作為駕駛員觀察艙外環(huán)境的中介物，其光學質量直接影響到駕駛員對艙外狀況的判斷。如果透光玻璃的光學畸變程度較大，則易使駕駛員的眼睛產生疲勞， 導致交通事故的發(fā)生。因此對透光玻璃的光學畸變進行檢測成為非常重要的工作。檢索我國國家標準《汽車安全玻璃試驗方法》(GB/T5137. 2-2002)、國家軍用標準 《飛機夾層玻璃通用試驗方法》(國軍標GJB50388)和航空工業(yè)標準《透明件光學畸變試驗方法》(HB 7398. 1-96)，發(fā)現通常使用的畸變檢測方法包括投影(線)測量法、投影(逐點)測量法、網格板測量法等。其中，網格板測量法因其測試方法直觀、操作步驟簡單、對測試儀器要求不高等因素而被廣為采用。傳統(tǒng)的網格板測量法使用膠片相機拍攝透過玻璃試件看到的正交網格板圖像，將膠片沖洗放大后由人工判讀網格線變形程度，從而確定光學畸變，存在著測試數據費時費力、精度和效率較低的缺點，檢測一塊透光玻璃往往需要一天以上的時間。本發(fā)明基于網格板測量法的基本思想，但使用全新的計算機數字圖像處理技術，通過兩次拍照獲得數碼相片、使用自行開發(fā)的后處理軟件自動處理，即可獲得透光玻璃全視場范圍內的光學畸變分布情況和數值大小，具有全視區(qū)測量、自動化程度高、檢測精度高等優(yōu)點，能夠實現單塊玻璃檢測時間小于15分鐘。

發(fā)明內容
(1)目的本發(fā)明的目的在于提供一種透光玻璃光學畸變數字化檢測儀及檢測方法，它可完全替代國軍標GJB503-88和航空工業(yè)標準HB7398. 1-96中的網格板測量方法，并基于該方法設計了一種透光玻璃光學畸變數字化檢測儀，用以實現透光玻璃全視區(qū)范圍內光學畸變的高精度快速檢測。(2)技術方案本發(fā)明由數字化光學畸變檢測方法和基于該方法的透光玻璃光學畸變數字化檢測儀兩部分組成。1、本發(fā)明一種透光玻璃光學畸變數字化檢測方法，該方法具體實施步驟如下步驟一獲取基準圖像和畸變圖像。如圖5所示。使用數碼單反相機E，在預定位置上采用固定拍攝參數分別直接和透過待測試玻璃試件H拍攝標準測試圖B，得到數字化形式的基準圖像1和畸變圖像3(圖1)?；鶞蕡D像1和畸變圖像3的數學表達為I (x，y)和J (x, y)，其中χ，y分別是數碼單反相機CCD芯片上的水平和垂直坐標，I (x, y)和J (x, y) 為二維灰度矩陣，每個點的值代表圖像的灰度(灰度越大顏色越深，灰度越小顏色越淺)， 該矩陣的大小與相機的分辨率相同。使用二維坐標(Xi，yi)表示CXD平面上的任意像素單兀。步驟一的實施條件是1)選取合適的高分辨率數碼單反相機及配套鏡頭，鏡頭具有較好的光學素質；幻兩次拍照時相機和標準測試圖的空間位置關系不發(fā)生改變；；3)兩次拍照時的環(huán)境光照條件不發(fā)生改變，選擇明亮光線充足的光照環(huán)境。步驟二 對標準網格圖進行放大率標定。數碼單反相機拍攝的照片以像素為長度單位，而實際玻璃的尺寸以厘米、米等為長度單位(本專利申請以厘米為單位)。為了從照片上準確量度出玻璃表面的位置信息，需要獲得從照片像素到物理長度的映射函數。本專利申請使用雙線性映射函數，其數學形式為Xreal =已-帥+匕口曲+ Yreai = a2xpix+b2ypix+c2 (a)其中，(Xpix，ypix)是數碼相片上任意二維空間點的像素坐標，以像素為單位；(xMal， Yreal)是該點映射到玻璃表面的實際物理坐標，以厘米為單位；％、b” C1和a2、b2、C2是待求的映射系數(或稱標定系數)。為了獲得數碼單反相機的標定系數，需要在完成步驟一以后后翻轉標定板A，將標定板背面的標準網格圖C前置，在數碼單反相機E、標定板A相對位置不變的前提下拍攝一張標準網格圖C的照片。標準網格圖C上各網格線的空間位置(xMal， yreal)和對應像素點坐標Upix，ypix)精確可知，因此使用基于最小二乘的雙線性擬合算法計算得到標定系數。本步驟可由本發(fā)明自帶軟件“OpticalDistortion”包含的“放大率標定” 模塊實現。標定系數只與數碼單反相機和標定板的相對位置有關，因此當檢測多塊座艙玻璃時，如果能夠保證檢測過程中數碼單反相機、標定板的相對位置不變，則可以只進行一次放大率標定。步驟二的實施條件是保證步驟1的實施條件不變，用標準網格圖C像取代標準測試圖B。步驟三運用光學流動法計算從基準圖像到畸變圖像的變形場。透光玻璃存在光學畸變場真值2，該變形場為矢量場，可分解為水平分量u (x，y)(以像素為單位)和垂直分量ν (X，y)(以像素為單位)，畸變圖像3正是基準圖像1疊加上該光學畸變場真值2的結果，疊加公式為J (Xi, Yj) = I (Xi+U (Xi, Yj), Yj+v (Xi, y」))。對于待測試玻璃而言，該光學畸變場真值2未知，因此使用金字塔迭代式光學流動法(已另申請專利)計算從基準圖像1到畸變圖像3的變形場u' (X，y)(以像素為單位)和W (x，y)(以像素為單位)。給定光流層數、迭代次數、窗格形狀、誤差容限等計算參數，得到該光學畸變場計算值4。在實際的計算中需要用到本發(fā)明自帶軟件 "OpticalDistortion".由變形計算參數校驗模塊IV檢驗所給參數是否合理，保證光學畸變場計算值4是光學畸變場真值2的有效近似，然后運用變形計算模塊II計算透光玻璃的變形場。步驟三的實施條件是1)標準測試圖包含豐富的灰度級明暗細節(jié)變化；2)根據實際變形場的特征調整金字塔迭代式光學流動法的計算參數。本發(fā)明自帶專用軟件〃 OpticalDistortion"包含了金字塔迭代式光學流動法的計算參數評估功能。在上述兩個條件滿足的情況下，光學流動法計算變形場的精度大于99%。步驟四虛擬正交網格變形。專用計算機自動生成由水平線和垂直線組成的虛擬正交網格5，其數學形式為L(x，y)，網格線寬度一個像素，線間距離固定，網格線數可自行在軟件中設置，如圖2所示。將虛擬正交網格中每一條水平/垂直線疊加由步驟三得到的變形場計算值u' (x，y)和ν' (X，y)，疊加公式為L' (xi yj) = L(Xi+u' (xi Yj), Yj+v' (Xi，y」))。例如圖2中水平網格線10疊加上當地變形場后成為變形網格線 11。正交網格的所有網格線均按照上述方式變形，即組成虛擬變形網格6。該步驟由軟件 “OpticalDistortion”中的光學畸變評估模塊III實現。步驟四的實施條件是選取合適的網格線數，網格線數決定了步驟五-步驟六的光學畸變檢測分辨率，分辨率并非越高越好，而應該符合人眼分辨率的極限。步驟五變形網格線最大斜率搜索。專用計算機自動計算任意網格線上每一像素的斜率，搜索得到最大斜率位置，畫出最大斜率處的切線(如圖2中最大斜率切線12)，并組成斜率三角形13，用斜率三角形對邊與鄰邊長度的比值表示該條網格線的光學畸變值。該步驟由軟件“OpticalDistortion”中的光學畸變評估模塊III實現。步驟六全視場光學畸變概率密度統(tǒng)計。軟件“OpticalDistortion”自動統(tǒng)計步驟五中得到的每條水平/垂直網格線的光學畸變值，得到虛擬變形網格6的水平方向光學畸變7和垂直方向光學畸變8，給出光學畸變極值點在玻璃表面的分布，并統(tǒng)計全視場范圍內光學畸變概率密度分布9。2、本發(fā)明一種透光玻璃光學畸變數字化檢測儀，該檢測儀由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分是包括專用計算機G和數碼單反相機E在內的數字化照相裝置，以實現圖像的采集、存儲和處理。軟件部分主要指本發(fā)明自帶專用軟件“OpticalDistortion”，本發(fā)明的所有方法均在該軟件中實現。所述硬件部分即數字化照相裝置，如圖5所示，它包括:A-標定板；B-標準測試圖；C-標準網格圖；D-測試支架；E-數碼單反相機；F-三腳架；G-專用計算機；H-待測試玻璃試件。它們之間的位置連接關系是標準測試圖B和標準網格圖C分別粘貼于標定板 A的正面和背面；待測試玻璃試件H安裝于測試支架D上，通過調整測試支架D的高度保證待測試玻璃試件H與標定板A的幾何中心在同一水平面內，其直線距離Ll需精確測定；數碼單反相機E由三腳架F支撐，置于待測試玻璃試件H的正后方，通過三腳架F上的兩方向水平儀調整數碼單反相機E的姿態(tài)，以保證其光學主軸通過待測試玻璃試件H的幾何中心并垂直于標定板A，數碼單反相機E與待測試玻璃試件H的幾何中心水平距離L2需精確測定；數碼單反相機E與專用計算機G通過相機自帶數據線連接。該標定板A置于鋁合金支架之上，可水平移動和前后翻轉。標定板A正面貼有標準測試圖B，背面貼有標準網格圖C。該標準測試圖B用于提供待測試玻璃光學畸變的目標物。由于使用金字塔迭代式光學流動方法計算相機拍攝得到的基準圖像和畸變圖像之間對應位置上的變形量，因此標準測試圖需包含豐富的灰度級明暗變化。該標準網格圖C用于提供確定相機標定系數的空間位置信息。遵循國軍標 GJB503-88的規(guī)定，在白色背景紙上打印上縱橫排列成行的黑色直線，組成正交網格，網格線的寬度和相鄰直線間距根據實際情況選定。該測試支架D是金屬結構支架，用于以實際安裝角支撐、固定待測試光學玻璃試件。支架的外形和尺寸與待測試玻璃的實際安裝框架一致，可沿水平、垂直方向移動，自身剛度足夠大，確保安裝待測試玻璃后不發(fā)生明顯變形。該數碼單反相機E配有高素質變焦鏡頭和快門控制線，并通過數據線與專用計算機G連接，拍攝圖像直接傳輸至計算機G進行后處理。該三腳架F是穩(wěn)重、堅固的金屬結構架，為數碼單反相機E提供有效支撐，云臺上配有兩方向水平儀，便于調整相機水平。該專用計算機G安裝有數碼單反相機控制軟件、專用檢測軟件 “OpticalDistortion”及軟件運行環(huán)境，并配有激光打印機用于打印測試報告。所述軟件部分即“Optical Distortion”軟件，它是本發(fā)明專用自帶的專用軟件， 該軟件包含了標定模塊I、變形計算模塊II、光學畸變評估模塊III、變形計算參數校驗模塊IV和檢測報告模塊V等五大功能模塊，其工作流程見圖6。通過標定模塊I從標準網格圖獲得標定系數，作為輸入變量供變形計算模塊II和光學畸變評估模塊III調用。變形計算參數校驗模塊IV根據圖像質量、最大變形程度等實際情況確認光流層數、迭代次數、窗格形狀及誤差容限等計算參數，并通過蒙特卡洛模擬法確保變形場計算精度大于99%。變形計算模塊Π依據步驟三的方法，使用經確認的計算參數計算從基準圖像到畸變圖像的變形場。其后光學畸變評估模塊III依據步驟四-步驟六，由變形場計算得到光學畸變極值點分布和光學畸變概率密度分布，并作為輸入參數傳遞給檢測報告模塊V，最后自動生成試件的檢測報告。其中，該標定板A的長度為2米、高為1.8米。(3)優(yōu)點及功效本發(fā)明一種透光玻璃光學畸變數字化檢測儀及檢測方法，它基于數字圖像處理技術，結合光學流動法，可獲得透光玻璃全視場范圍內的光學畸變分布情況和數值大小，具有全視區(qū)測量、自動化程度高、檢測精度高等優(yōu)點，能夠實現單塊玻璃檢測時間小于15分鐘。相對傳統(tǒng)的光學畸變測量方法，本發(fā)明具有很好的優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明一種透光玻璃光學畸變數字化檢測方法的流程框圖；圖2為虛擬正交網格及變形網格線的光學畸變計算示意圖；圖3為玻璃表面光學畸變極值點分布示意圖；圖4(a)為斜率形式的垂直分量光學畸變分布圖；圖4(b)為斜率形式的水平分量光學畸變分布圖；圖4(c)為斜率形式的垂直分量光學畸變概率分布圖；圖4(d)為為斜率形式的水平分量光學畸變概率分布圖；圖5為本發(fā)明一種透光玻璃光學畸變數字化檢測儀結構示意圖；；圖 6 為軟件 “OpticalDistortion” 流程圖。圖1中具體標號如下1-基準圖像；2-光學畸變場真值2 ；3-畸變圖像；4-光學畸變場計算值；5_虛擬正交網格；6-虛擬變形網格；7-水平方向光學畸變；8-垂直方向光學畸變；9-全視區(qū)光學
8畸變概率密度分布。I (x, y)為基準圖像1的二維灰度矩陣表達式；J(x, y)為畸變圖像3的二維灰度矩陣表達式；u (x, y)為水平方向光學畸變場真值2的二維矩陣表達式；ν (x, y)為垂直方向光學畸變場真值2的二維矩陣表達式；u' (x, y)為水平方向光學畸變場計算值4的二維矩陣表達式；ν' (x, y)為垂直方向光學畸變場計算值4的二維矩陣表達式；χ, y為數碼單反相機CXD芯片上的水平和垂直坐標。圖2中具體標號如下10-水平網格線；11-變形網格線；12-最大斜率切線；13-斜率三角形。圖5中具體標號如下A-標定板；B-標準測試圖；C-標準網格圖；D-測試支架；E-數碼單反相機；F-三腳架；G-專用計算機；H-待測試玻璃試件。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的說明。見圖5、圖6，本發(fā)明一種透光玻璃光學畸變數字化檢測儀，該檢測儀由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分是包括專用計算機G和數碼單反相機E在內的數字化照相裝置，以實現圖像的采集、存儲和處理。軟件部分主要指本發(fā)明自帶專用軟件 “OpticalDistortion”，該軟件包含了標定模塊I、變形計算模塊II、光學畸變評估模塊 III、變形計算參數校驗模塊IV和檢測報告模塊V等五大功能模塊，其工作流程見圖6。本發(fā)明的所有方法均在該軟件中實現。所述硬件部分即數字化照相裝置如圖5所示，它包括A-標定板；B-標準測試圖； C-標準網格圖；D-測試支架；E-數碼單反相機；F-三腳架；G-專用計算機；H-待測試玻璃試件。它們之間的位置連接關系是標準測試圖B和標準網格圖C分別粘貼于標定板A的正面和背面；待測試玻璃試件H安裝于測試支架D上，通過調整測試支架D的高度保證待測試玻璃試件H與標定板A的幾何中心在同一水平面內，其直線距離Ll需精確測定；數碼單反相機E由三腳架F支撐，置于待測試玻璃試件H的正后方，通過三腳架F上的兩方向水平儀調整數碼單反相機E的姿態(tài)，以保證其光學主軸通過待測試玻璃試件H的幾何中心并垂直于標定板A，數碼單反相機E與待測試玻璃試件H的幾何中心水平距離L2需精確測定； 數碼單反相機E與專用計算機G通過相機自帶數據線連接。實施例用本發(fā)明涉及的方法和儀器檢測一塊長1.2米、高0.8米、具有較大曲面的座艙風擋玻璃的全視區(qū)光學畸變。檢驗過程分為獲取基準圖像和畸變圖像、對標準網格圖進行放大率標定、運用光學流動法計算從基準圖像到畸變圖像的變形場、虛擬正交網格變形、變形網格線的最大斜率搜索、全視場光學畸變概率密度統(tǒng)計等主要步驟。見圖1，本發(fā)明一種透光玻璃光學畸變數字化檢測方法，該方法具體實施步驟如下步驟一獲取基準圖像和畸變圖像。將待測試玻璃試件H以與水平線呈40度夾角的實際安裝角安裝在測試支架D上。調整測試支架D的高度以保證待測試玻璃試件H的幾何中心與標定板A的幾何中心在同一水平面內，兩者的水平方向直線距離L1 = 3.048m。選用佳能E0S-550D作為拍攝數碼單反相機E，該相機配有EF18-55IS變焦鏡頭和RS-80N3快門線。三腳架F的型號是曼富圖055PR0。調整三腳架云臺，使數碼單反相機E的光學主軸通過待測試玻璃試件H的幾何中心并垂直于標定板A。數碼單反相機E和待測試玻璃試件 H幾何中心的水平距離L2 = 2. 1336m。設置數碼單反相機E的鏡頭焦距為55mm、感光度為 IS0100,使用光圈優(yōu)先模式，光圈設為f8. 0，透過待測試玻璃試件H拍攝標定板A上的標準測試圖B，拍攝過程中使用快門線進行對焦和拍攝，得到待測試玻璃試件H的畸變圖像。其后移開待測試玻璃試件H，使用相同的曝光參數組合拍攝標準網格圖C，得到基準圖像。在整個拍攝過程中，確保數碼單反相機E、標定板A和標準測試圖B不發(fā)生移動。步驟二 對標準網格圖C進行放大率標定。翻轉標定板A，將標定板背面的標準網格圖C前置，該標準網格圖C的網格線寬度1. 0mm、相鄰直線間距25. 4mm。移開待測試玻璃試件H，在數碼單反相機E、標定板A相對位置不變的前提下拍攝一張標準網格圖C照片。將圖像導入軟件“OpticalDistortion”，輸入網格線交點的真實坐標(以厘米為單位)和像素坐標，按照公式(a)，計算出標定系數^ipbpc1和 、132、￡2。在本例中B1 = 0. 083631747023037、Id1 = 0、C1 = 0 ；a2 = O^b2 = 0. 083631747023037、C2 = 0。步驟三運用光學流動法計算從基準圖像1到畸變圖像3的變形場。使用數據線將步驟一和步驟二得到的基準圖像1、畸變圖像3和標準網格圖C傳輸至專用計算機G。打開軟件“OpticalDistortion”，使用變形計算參數校驗模塊IV確認光流層數、迭代次數、窗格形狀及誤差容限等計算參數。在本例中，光流層數為4層，迭代次數為5次，窗格形狀為30 個像素的高斯窗口，誤差容限為10_5，經蒙特卡洛模擬法檢驗，此計算參數組合下，光學流動方法計算得到的變形場計算值與真實值之間的誤差小于1%，即計算精度大于99%。確定上述計算參數之后，調用變形計算模塊II計算從基準圖像1到畸變圖像3的變形場。步驟四虛擬正交網格變形。進入軟件“OpticalDistortion”的光學畸變評估模塊 III，輸入網格線的數目，程序將按照技術方案中步驟四的方法，生成變形后的網格。步驟五變形網格線的最大斜率搜索。完成步驟四后，程序自動計算任意網格線上每一像素的斜率，搜索得到最大斜率位置，畫出最大斜率處的切線(如圖2中最大斜率切線 12)，并組成斜率三角形13，用斜率三角形對邊與鄰邊長度的比值表示該條網格線的光學畸變值。步驟六全視場光學畸變概率密度統(tǒng)計。軟件“OpticalDistortion”自動統(tǒng)計步驟五中得到的每條水平/垂直網格線的光學畸變值，得到虛擬變形網格6的水平方向光學畸變7和垂直方向光學畸變8，給出光學畸變極值點在玻璃表面的分布，該實例中如圖3所示，并統(tǒng)計全視場范圍內光學畸變概率密度分布9，該實例中如圖4(a)-(d)所示。
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權利要求
1.一種透光玻璃光學畸變數字化檢測儀，其特征在于該檢測儀由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分是包括專用計算機(G)和數碼單反相機(E)在內的數字化照相裝置，以實現圖像的采集、存儲和處理；軟件部分指自帶專用軟件“OpticalDistortion” ；所述硬件部分即數字化照相裝置，它包括標定板(A)、標準測試圖(B)、標準網格圖 (C)、測試支架(D)、數碼單反相機(E)、三腳架(F)、專用計算機(G)及待測試玻璃試件(H)； 其中，標準測試圖(B)和標準網格圖(C)分別粘貼于標定板(A)的正面和背面；待測試玻璃試件(H)安裝于測試支架(D)上，通過調整測試支架(D)的高度保證待測試玻璃試件(H) 與標定板(A)的幾何中心在同一水平面內，其直線距離Ll需精確測定；數碼單反相機(E) 由三腳架(F)支撐，置于待測試玻璃試件(H)的正后方，通過三腳架(F)上的兩方向水平儀調整數碼單反相機(E)的姿態(tài)，以保證其光學主軸通過待測試玻璃試件(H)的幾何中心并垂直于標定板(A)，數碼單反相機(E)與待測試玻璃試件(H)的幾何中心水平距離L2需精確測定；數碼單反相機(E)與專用計算機(G)通過相機自帶數據線連接；該標定板(A)置于鋁合金支架之上，可水平移動和前后翻轉；標定板(A)正面貼有標準測試圖(B)，背面貼有標準網格圖(C)；該標準測試圖(B)用于提供待測試玻璃光學畸變的目標物，由于使用金字塔迭代式光學流動方法計算相機拍攝得到的基準圖像和畸變圖像之間對應位置上的變形量，因此標準測試圖需包含豐富的灰度級明暗變化；該標準網格圖(C)用于提供確定相機標定系數的空間位置信息；它是在白色背景紙上打印上縱橫排列成行的黑色直線，組成正交網格，網格線的寬度和相鄰直線間距根據實際情況選定；該測試支架(D)是金屬結構支架，用于以實際安裝角支撐、固定待測試光學玻璃試件； 支架的外形和尺寸與待測試玻璃的實際安裝框架一致，沿水平、垂直方向移動，自身剛度足夠大，確保安裝待測試玻璃后不發(fā)生明顯變形；該數碼單反相機(E)配有高素質變焦鏡頭和快門控制線，并通過數據線與專用計算機 (G)連接，拍攝圖像直接傳輸至專用計算機(G)進行后處理；該三腳架(F)是穩(wěn)重、堅固的金屬結構架，為數碼單反相機(E)提供有效支撐，云臺上配有兩方向水平儀，便于調整相機水平；該專用計算機(G)安裝有數碼單反相機控制軟件、專用檢測軟件 “OpticalDistortion”及軟件運行環(huán)境，并配有激光打印機用于打印測試報告；所述軟件部分即“OpticalDistortion”軟件，它是自帶的專用軟件，該軟件包含了標定模塊I、變形計算模塊II、光學畸變評估模塊III、變形計算參數校驗模塊IV和檢測報告模塊V五大功能模塊；通過標定模塊I從標準網格圖獲得標定系數，作為輸入變量供變形計算模塊II和光學畸變評估模塊III調用；變形計算參數校驗模塊IV根據圖像質量、最大變形程度確認光流層數、迭代次數、窗格形狀及誤差容限計算參數，并通過蒙特卡洛模擬法確保變形場計算精度大于99% ；變形計算模塊II依據步驟三的方法，使用經確認的計算參數計算從基準圖像到畸變圖像的變形場；其后光學畸變評估模塊III依據步驟四-步驟六，由變形場計算得到光學畸變極值點分布和光學畸變概率密度分布，并作為輸入參數傳遞給檢測報告模塊V，最后自動生成試件的檢測報告。
2.一種透光玻璃光學畸變數字化檢測方法，其特征在于該方法具體實施步驟如下步驟一獲取基準圖像和畸變圖像；使用數碼單反相機(E)，在預定位置上采用固定拍攝參數分別直接和透過待測試玻璃試件(H)拍攝標準測試圖(B)，得到數字化形式的基準圖像⑴和畸變圖像(3)；基準圖像⑴和畸變圖像(3)的數學表達為I(x，y)和J(x，y)， 其中X，y分別是數碼相機CXD芯片上的水平和垂直坐標，I (x, y)和J(x，y)為二維灰度矩陣，每個點的值代表圖像的灰度，該矩陣的大小與相機的分辨率相同，使用二維坐標(Xi，yP 表示CXD平面上的任意像素單元；步驟二 對標準網格圖進行放大率標定；數碼相機拍攝的照片以像素為長度單位，而實際玻璃的尺寸以厘米、米為長度單位；為了從照片上準確量度出玻璃表面的位置信息，需要獲得從照片像素到物理長度的映射函數，這里使用雙線性映射函數，其數學形式為Xreal — aiXpix+b1ypis+C1Yreal = Β2Χρ χ^2Υρ χ+02(a)其中，0w，yPix)是數碼相片上任意二維空間點的像素坐標，以像素為單位；(、al， Yreal)是該點映射到玻璃表面的實際物理坐標，以厘米為單位；ap bi、C1和a2、b2、C2是待求的映射系數即標定系數；為了獲得相機的標定系數，需要在完成步驟一以后后翻轉標定板 (A)，將標定板背面的標準網格圖(C)前置，在數碼單反相機、標定板相對位置不變的前提下拍攝一張標準網格圖(C)的照片；標準網格圖(C)上各網格線的空間位置Ureal，yMal)和對應像素點坐標Upix，ypix)精確可知，因此使用基于最小二乘的雙線性擬合算法計算得到標定系數；本步驟由自帶軟件“OpticalDistortion”包含的“放大率標定”模塊實現；標定系數只與數碼單反相機和標定板的相對位置有關，因此當檢測多塊座艙玻璃時，如果能夠保證檢測過程中數碼單反相機、標定板的相對位置不變，則只進行一次放大率標定；步驟三運用光學流動法計算從基準圖像到畸變圖像的變形場；透光玻璃存在光學畸變場真值O)，該變形場為矢量場，分解為以像素為單位的水平分量u (X，y)和以像素為單位的垂直分量ν (x，y)，畸變圖像C3)正是基準圖像(1)疊加上該光學畸變場真值O)的結果，疊加公式為J (Xi，Yj) = I (Xi+U (Xi, Yj) , Yj+V (Xi, Yj))對于待測試玻璃而言，該光學畸變場真值( 未知，因此使用金字塔迭代式光學流動法計算從基準圖像⑴到畸變圖像⑶的變形場U' (x, y)和ν' (x, y)；給定光流層數、 迭代次數、窗格形狀、誤差容限計算參數，得到該光學畸變場計算值；實際計算中要用到自帶軟件“OpticalDistortion”，由變形計算參數校驗模塊IV檢驗所給參數是否合理， 保證光學畸變場計算值(4)是光學畸變場真值O)的有效近似，然后運用變形計算模塊II 計算透光玻璃的變形場；步驟四虛擬正交網格變形；專用計算機自動生成由水平線和垂直線組成的虛擬正交網格(5)，其數學形式為L(x，y)，網格線寬度一個像素，線間距離固定，網格線數自行在軟件中設置，將虛擬正交網格中每一條水平/垂直線疊加由步驟三得到的變形場計算值 u' (X，y)禾P ν' (X，y)，疊加公式為L' (χ” yj) = L(Xi+u' (χ” yj), yj+v' (xi Yj))； 正交網格的所有網格線均按照上述方式變形，即組成虛擬變形網格(6)；該步驟由軟件 “OpticalDistortion”中的光學畸變評估模塊III實現；步驟五變形網格線最大斜率搜索；專用計算機自動計算任意網格線上每一像素的斜率，搜索得到最大斜率位置，畫出最大斜率處的切線，并組成斜率三角形(13)，用斜率三角形對邊與鄰邊長度的比值表示該條網格線的光學畸變值；該步驟由軟件 “OpticalDistortion”中的光學畸變評估模塊III實現；步驟六全視場光學畸變概率密度統(tǒng)計；軟件“OpticalDistortion”自動統(tǒng)計步驟五中得到的每條水平/垂直網格線的光學畸變值，得到虛擬變形網格(6)的水平方向光學畸變(7)和垂直方向光學畸變(8)，給出光學畸變極值點在玻璃表面的分布，并統(tǒng)計全視場范圍內光學畸變概率密度分布(9)。
3.根據權利要求1所述的一種透光玻璃光學畸變數字化檢測儀，其特征在于該標定板㈧的長度為2米、高為1.8米。
4.根據權利要求2所述的一種透光玻璃光學畸變數字化檢測方法，其特征在于步驟一的實施條件是1)選取適用的高分辨率數碼單反相機及配套鏡頭；幻兩次拍照時相機和標準測試圖的空間位置關系不發(fā)生改變；3)兩次拍照時的環(huán)境光照條件不發(fā)生改變，選擇明亮光線充足的光照環(huán)境。
5.根據權利要求2所述的一種透光玻璃光學畸變數字化檢測方法，其特征在于步驟二的實施條件是保證步驟一的實施條件不變，用標準網格圖(C)像取代標準測試圖(B)。
6.根據權利要求2所述的一種透光玻璃光學畸變數字化檢測方法，其特征在于步驟三的實施條件是1)標準測試圖包含豐富的灰度級明暗細節(jié)變化；2)根據實際變形場的特征調整金字塔迭代式光學流動法的計算參數。
7.根據權利要求2所述的一種透光玻璃光學畸變數字化檢測方法，其特征在于步驟四的實施條件是選取合適的網格線數，網格線數決定了步驟五-步驟六的光學畸變檢測分辨率，分辨率并非越高越好，而應該符合人眼分辨率的極限。
全文摘要
一種透光玻璃光學畸變數字化檢測儀，它由硬件和軟件兩部分組成；硬件是數字化照相裝置，它包括標定板、標準測試圖、標準網格圖、測試支架、數碼單反相機、三腳架、專用計算機和待測試玻璃試件；標準測試圖和標準網格圖分別粘貼于標定板的正、背面；待測試玻璃試件安裝于測試支架上，數碼單反相機置于待測試玻璃試件的正后方，通過三腳架上的兩方向水平儀調整數碼單反相機的姿態(tài)，保證其光學主軸通過待測試玻璃試件的幾何中心并垂直于標定板，數碼單反相機與專用計算機通過相機自帶數據線連接；所述軟件即自帶的專用軟件“OpticalDistortion”。一種透光玻璃光學畸變數字化檢測方法，它有六大步驟。本發(fā)明具有全視區(qū)測量、自動化程度高、檢測精度高的優(yōu)點。
文檔編號G01M11/02GK102519710SQ20111033970
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權日2011年11月1日
發(fā)明者潘翀, 王晉軍, 王洪平, 王立峰 申請人:北京航空航天大學