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)生嚴重的影響。因此，必須準確測得光軸與物面的垂直度偏差角，再進行調(diào)整或者誤差補償，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確度。2.直接拍攝標準件，利用標準件的實際物理尺寸與視覺測量所得結(jié)果進行比較，或者利用標準件自身物理量間的比較實現(xiàn)光軸與物面的垂直度偏差角測量。前者可以采集標準量塊的圖像，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。后者可以采集標準圓的圖像，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.利用自準直儀測量光軸與物面的垂直度偏差角，此法無法保證自準直儀發(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，難以實施。5.利用圖像清晰度測量光軸與物面垂直度，即分別計算一張圖像中不同區(qū)域的清晰度，利用不同區(qū)域達到清晰度函數(shù)最大值時的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.使相機與XY平面相對運動，令相機沿任一運動軸從零點到達第一成像點。B.在第一成像點以固定步長調(diào)節(jié)物距、采集圖像、選擇清晰度評價函數(shù)計算圖像清晰度函數(shù)值，同時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)整相機位置使其回到零點。D.使相機與XY平面相對運動，令相機沿同一運動軸從零點到達第二成像點。E.在第二成像點以固定步長調(diào)節(jié)物距、采集圖像，選擇清晰度評價函數(shù)計算圖像清晰度函數(shù)值，同時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.計算光軸與物面在此運動軸方向的垂直度偏差角。清晰度評價函數(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)不同成像點的位置關(guān)系、各成像點處圖像清晰度函數(shù)值達到最大時的物距差以及幾何誤差修正技術(shù)實現(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是三軸運動機構(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是相機光心；OA是相機光軸；EG所在直線表示相機感光面；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)光軸與物面嚴格垂直時，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，AC所成像的長度為EF，此時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)過相機的完全對焦面時，若光軸與物面存在垂直度偏差，則不同成像點到達完全對焦面的時刻不同，即圖像清晰時對應(yīng)相機的位置有所不同。如圖2所示，A1A2是完全對焦面，M是CCD相機感光面，完全對焦面上的點成像應(yīng)在M上，且成像清晰。因此，C2點和D1點均在M上成清晰像。C1點所成的清晰像在M1面上，D2點所成的清晰像在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運動到D1D2時，物面上某一固定點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能在M面成清晰的像，即只有和相機保持特定距離的物面上的點可以在感光面上清晰成像。假設(shè)物距一定，則在不同成像點清晰成像的條件是成像點和相機間的距離等于相機完全對焦面和相機鏡頭之間的距離，所以當(dāng)光軸和物面存在垂直度偏差時，物面不同成像點清晰成像時對應(yīng)的相機位置不同。圖4是三軸運動機構(gòu)直線運動部件誤差示意圖。三軸運動機構(gòu)每個運動軸均有三項角擺誤差，包括俯仰角誤差、偏擺角誤差、滾轉(zhuǎn)角誤差、兩項直線度誤差、一項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項誤差?，F(xiàn)做如下定義：△x(x)、△y(y)、△z(z)——分別為沿X、Y、Z軸運動的位置度誤差函數(shù)；δy(x)、δz(x)——為沿X軸運動的直線度誤差函數(shù)；α(x)、——分別為沿X軸運動的滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏擺誤差函數(shù)；δx(y)、δz(y)——為沿Y軸運動的直線度誤差函數(shù)；α(y)、——分別為沿Y軸運動的滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏擺誤差函數(shù)；δx(z)、δy(z)——為沿Z軸運動的直線度誤差函數(shù)；α(z)、——分別為沿Z軸運動的滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏擺誤差函數(shù)；——3軸相互之間存在3個垂直度誤差；由于本方法涉及到直線機構(gòu)的運動，而直線機構(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，(x′，y′，z′)為任一幾何變換之后的坐標，由幾何變換及齊次坐標的知識可知：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獨立變換矩陣相乘。由于位置度誤差、角擺誤差、直線度誤差都是坐標的函數(shù)且垂直度誤差是恒值，故可利用平移變換矩陣補償運動軸的位置度誤差、直線度誤差及垂直度誤差，利用旋轉(zhuǎn)變換矩陣補償運動軸的角擺誤差。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行檢測。A.使相機與XY平面相對運動，沿X軸從零點平移t1到達第一成像點，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，平移之后相機的坐標(x1,y1,z1)為其中B.在第一成像點以固定步長調(diào)節(jié)物距、采集圖像、選擇清晰度評價函數(shù)計算圖像清晰度函數(shù)值，同時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偏離(x1,y1)，相機實際拍攝到的點的坐標為(x′1,y′1)，則其中z′cam1為圖像清晰度值最大時的物距真值，其值為：其中zcam1為實驗所得的物距值。C.調(diào)節(jié)相機位置使其回到零點；D.使相機與XY平面相對運動，沿X軸從零點平移t2以到達第二成像點(x2,y2,z2)，則其中E.在第二成像點以固定步長調(diào)節(jié)物距、采集圖像，選擇清晰度評價函數(shù)計算圖像清晰度函數(shù)值，同時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，實際拍攝到的點x′2的坐標為其中z′cam2為第二次調(diào)焦過程中圖像清晰度值最大時的物距真值，其值為：其中zcam2為實驗所得的物距值。F.計算光軸與物面的垂直度偏差角。同理，若使相機沿著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)想到的實施方式，均屬于本發(fā)明的保護范圍。