本實(shí)用新型涉及光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于反射圖像方法檢測物體表面法線誤差的專用設(shè)備。

背景技術(shù)：

在光學(xué)物體表面面型測量領(lǐng)域，表面法線作為影響光線反射的直接因素，通常需要重點(diǎn)進(jìn)行檢測。如在太陽能光熱領(lǐng)域的微弧曲面鏡的檢測，其表面法線直接影響聚光效果，降低產(chǎn)品的使用效率，并影響到產(chǎn)品的穩(wěn)定性，從而影響產(chǎn)品的使用。

目前使用的檢測方式主要有2種，即激光檢測與立體掃描，所采用的設(shè)備分別是：激光反射式檢測設(shè)備與立體掃描檢測設(shè)備。

激光反射式檢測設(shè)備采用岀射激光并檢測返回光線角度的方法，可以達(dá)到比較高的精度。但是激光反射式檢測有其缺點(diǎn)：(1)成本高，單臺儀器成本在數(shù)千元；(2)受成本和安裝位置影響，無法檢測更多的點(diǎn)，通常只能數(shù)十個(gè)點(diǎn)的檢測，無法得出更多的表面法線情況。

立體掃描檢測設(shè)備通過掃描整個(gè)鏡片曲面的點(diǎn)云圖，并在3D軟件中將點(diǎn)云圖擬合成曲面，從而得出表面情況，并在可在光學(xué)軟件中擬合聚光效果。立體掃描相比于激光式檢測，可以實(shí)現(xiàn)更多點(diǎn)的測量，但該設(shè)備也有明顯缺點(diǎn)：掃描的立體曲面為點(diǎn)云圖構(gòu)成，盡管這種點(diǎn)云圖可以很好的體現(xiàn)曲面的變化，但相對于法線的檢測，該方式是一種間接的檢測方式，法線是利用相鄰點(diǎn)間直線的垂線計(jì)算得出，這對點(diǎn)云圖的精度提高了非常高的要求，即使檢測精度在 0.1mm，相對于1mm距離的兩個(gè)點(diǎn)，最大角度也可以相差到：

atan((0.1*2)/1)＝11.3°；對于法線檢測來講是相當(dāng)大的誤差。

而基于反射圖像計(jì)算方法，可以克服上述技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是，針對基于反射圖像計(jì)算方法提供一種基于反射圖像方法檢測物體表面法線誤差的專用設(shè)備，用于獲取基于反射圖像計(jì)算方法的輸入數(shù)據(jù)。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種基于反射圖像方法檢測物體表面法線誤差的專用設(shè)備，在被測物體前方放置圖像采集設(shè)備及圖像顯示設(shè)備；工控機(jī)與圖像采集設(shè)備采用有線的USB、Gige、Camera link或無線的方式連接，與圖像顯示設(shè)備采用HDMI、VGA、DSI接口連接；其中圖像采集設(shè)備放置在被測物體的正前方，鏡頭正對待檢部件用于采集拍攝的被測物體圖像；圖像顯示設(shè)備放置在被測物體前端下側(cè)與圖像采集設(shè)備距離相同位置，并且圖像采集設(shè)備中心與被測物體中心的連接線和被測物體中心與圖像顯示設(shè)備中心的連接線圍繞被測物體中心法線對稱。

優(yōu)選的，圖像采集設(shè)備放置在被測物體的正前方0.5米至30米處。

優(yōu)選的，所述圖像采集設(shè)備包括：設(shè)置在圖像采集器前端的鏡頭，設(shè)置在后端的圖像采集芯片，所述采集芯片為CCD或CMOS芯片；后端通過數(shù)據(jù)線與工控機(jī)連接。

有益效果：本實(shí)用新型的設(shè)備成本低、其結(jié)果可直接輸入到算法模塊，然后得出檢測物體表面法線，用于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)高精度的光學(xué)檢測。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于反射圖像計(jì)算方法檢測物體表面法線誤差的專用設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于反射圖像計(jì)算方法檢測物體表面法線誤差的專用設(shè)備的圖像采集器結(jié)構(gòu)圖。

圖3是CCD芯片上采集圖像的點(diǎn)分布圖。

圖4是平板電視上圖像的點(diǎn)分布圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型解決的技術(shù)問題、采用的技術(shù)方案和達(dá)到的技術(shù)效果更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。可以理解的是，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本實(shí)用新型，而非對本實(shí)用新型的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本實(shí)用新型相關(guān)的部分而非全部內(nèi)容。

請參照圖1，本實(shí)施例是在被測物體1前方放置圖像采集設(shè)備2及圖像顯示設(shè)備3；工控機(jī)4與圖像采集設(shè)備2可以采用有線的USB、Gige、Camera link 或無線的方式連接，與圖像顯示設(shè)備采用HDMI、VGA、DSI等接口連接。

其中圖像采集設(shè)備放置在被測物體1的正前方數(shù)米處，光學(xué)鏡頭正對待檢部件用于采集拍攝的被測物體1圖像。

平板電視作為圖像顯示設(shè)備2放置在被測物體1的前方，通過圖像采集設(shè)備3觀測被測物體1時(shí)，可以從被測物體1的反射圖像中觀測到圖像顯示設(shè)備2 顯示的圖像。

工控機(jī)4連接圖像采集設(shè)備及顯示設(shè)備，一方面可用于控制顯示設(shè)備顯示設(shè)備的圖像，另一方面控制采集設(shè)備進(jìn)行圖像的采集，同時(shí)對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

請參照圖2，所述圖像采集設(shè)備2的具體結(jié)構(gòu)是：圖像采集器前端為光學(xué)鏡頭5，后端為圖像采集芯片6，芯片為普通的CCD或CMOS芯片。后端通過數(shù)據(jù)線9與工控機(jī)4連接。其中：5為圖像采集器的鏡頭、6為采集芯(CCD或CMOS 圖像采集芯片)、7為任意方向的會聚光線、8為外殼、9為數(shù)據(jù)連接線。

圖像采集器主要作用為采集鏡頭前端圖像，并將圖像通過鏡頭匯聚到采集采集芯片6上，通過信號轉(zhuǎn)換傳遞給工控機(jī)4進(jìn)行顯示與處理。

本例中以普通200萬像素，1/1.8英寸的CCD采集芯片為例，分辨率為1600*1200，單采集點(diǎn)尺寸為4.4微米，采集到的圖像橫向?yàn)?600個(gè)點(diǎn)，縱向?yàn)?200個(gè)點(diǎn)。

請參照圖3，CCD芯片上采集圖像的點(diǎn)分布圖，以采集到1個(gè)點(diǎn)為例，CCD 的橫向?yàn)?600個(gè)點(diǎn)，縱向?yàn)?200個(gè)點(diǎn)(未全畫出)，采集到橫向第5個(gè)縱向第5個(gè)點(diǎn)為白色。

請參照圖4，平板電視上圖像的點(diǎn)分布圖，以普通42寸高清平板電視為例，分辨率為1920*1080，橫向?yàn)?920個(gè)點(diǎn)，縱向?yàn)?080個(gè)點(diǎn)，單點(diǎn)大小為0.48mm，當(dāng)前顯示橫向第7個(gè)，縱向第5個(gè)點(diǎn)為白色。

本實(shí)施例的被測物體1是平板鏡片、圖像采集設(shè)備2由普通的工業(yè)相機(jī)和鏡頭組成，3為平板電視，平板鏡片豎直向右放置，在平板鏡片前方上側(cè)放置工業(yè)相機(jī)，并正對被測平板鏡片，平板電視放置在前端下側(cè)與工業(yè)相機(jī)距離相同位置，并且工業(yè)相機(jī)中心與平板鏡片中心的連接線和平板鏡片中心與平板電視中心的連接線圍繞平板鏡片中心法線對稱，以保證用工業(yè)相機(jī)觀測平板鏡片時(shí)，可以觀測到鏡片中平板電視的像。工業(yè)相機(jī)與平板電視均連接工控機(jī)。

在按照上述內(nèi)容安裝完成后，實(shí)際使用時(shí)，主要分為如下步驟：

(1)圖像采集，工控機(jī)控制平板電視顯示多組不同圖案的條紋圖像或其他特征圖像，并控制工業(yè)相機(jī)進(jìn)行一幅幅的采集。

(2)圖像分析，將采集的圖像利用條紋相移法或其他對比方法，計(jì)算各個(gè)像素位置所對應(yīng)的在反射鏡片及顯示器上的位置。

(3)通過計(jì)算得到的反射鏡片位置、顯示器上反射位置以及相機(jī)中心，可得入射光線、反射光線的方程，并計(jì)算實(shí)際的反射法線。

(4)可以直接利用該法線結(jié)果，也可以通過計(jì)算理論法線并做差得到實(shí)際的誤差分布。

在此介紹本發(fā)明的主要的計(jì)算方法：

我們把從相機(jī)出發(fā)到達(dá)P點(diǎn)的觀測線稱為入射光線，將從P點(diǎn)到平板電視的線路稱為反射光學(xué)，采用的辦法是首先計(jì)算出入射光線與反射光線，進(jìn)而計(jì)算出該點(diǎn)法線的方式。

設(shè)備按要求擺放好后，我們可以得到以下的尺寸數(shù)據(jù)：圖像采集器的芯片參數(shù)(像素為1600*1200，單點(diǎn)大小為4.4微米)、中心Pc點(diǎn)為(Xc，Yc，Zc)、鏡頭焦距f；可以得到電視的中心尺寸位置Pt(Xt，Yt，Zt)、電視尺寸大小 (42寸，單點(diǎn)大小為0.48mm)和分辨率(1920*1080)；鏡片與圖像采集器中心的Z向距離為d1、鏡片與平板電視的距離為d2，以檢測樣片上任意點(diǎn)點(diǎn)為例，詳細(xì)講述法線的計(jì)算過程。

首先使用工控機(jī)生成1副1920*1080的圖像，將該圖像指定位置的像素置成白色，其他全為黑色并以全尺寸顯示在顯示器上，此處以左側(cè)第7個(gè)點(diǎn)，上側(cè)第5個(gè)點(diǎn)為白色為例。

由于已知電視中心Pt和電視尺寸及分辨率參數(shù)，可以計(jì)算出Ptv點(diǎn)的數(shù)值：

Xtv＝Xt-1920/2*0.48+7*0.48；

Ytv＝Y(jié)t-1080/2*0.48+5*0.48；

Ztv＝Zt；

通過相機(jī)觀測前端鏡片，由于看到的是反射平板電視的圖像，正常來講CCD 上采集的圖片也是黑色，但因?yàn)槠桨咫娨暽系腜tv為白色，因此我們也可以在黑色圖像上找到一個(gè)對應(yīng)的白色圖像點(diǎn)，設(shè)該點(diǎn)在CCD上位置為Pccd。

可以通過圖像處理，尋找白色像素的方式找到Pccd在圖像上的位置，該位置與在CCD芯片上的位置存在一一對應(yīng)關(guān)系，假設(shè)通過尋找確定CCD上橫向第5 個(gè)縱向第5個(gè)像素為白色，根據(jù)公式同樣可以得出該點(diǎn)的空間位置：

Xccd＝Xc-1600/2*0.0044+5(橫向)*0.0044；

Yccd＝Y(jié)c-1200/2*0.0044+5(縱向)*0.0044；

Zccd＝Zc；

過該空間位置點(diǎn)的入射光線同時(shí)通過相機(jī)中心Pc，由兩點(diǎn)可確定該入射光線方程。

由于被測的平板鏡片豎直放置在相機(jī)與平板電視的對面，可得出該平板鏡片的面方程為：

Z＝Zc-d1；或Z＝Zt-d2；

計(jì)算直線與面的交點(diǎn)得到點(diǎn)P的位置坐標(biāo)(X，Y，Z)。

由于已知反射光線上的點(diǎn)Ptv，同時(shí)反射光線必過交點(diǎn)P，通過兩點(diǎn)可得出反射光線方程。

最后根據(jù)入射光線與反射光線方程求容易求得P點(diǎn)的法線向量。

由于工控機(jī)處理數(shù)據(jù)都在ms級，盡管描述起來計(jì)算過程較多，實(shí)際的數(shù)據(jù)處理時(shí)速度很快。通過工控機(jī)不斷重復(fù)該過程，即可實(shí)現(xiàn)快速的處理和檢測。

采用本設(shè)備，可以在幾秒內(nèi)對相機(jī)采集的數(shù)十萬至數(shù)百萬的像素供給計(jì)算分析模塊進(jìn)行計(jì)算，而利用平板電視作為靈活多變的顯示屏幕，可以通過這種點(diǎn)圖方式或條紋相移法可以快速的得出采集圖片上各個(gè)變化圖案點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)際位置。

通過入射光線與反射光線的方程，計(jì)算法線的方式，直接檢測出了法線的分布，并且實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)高效率的測量，可以擬合出符合實(shí)際情況的法線分布，用于檢測、分析與優(yōu)化。

特殊說明：

裝置中所涉及的圖像采集器可以為工業(yè)相機(jī)、攝像頭或其他的采集裝置。

圖像顯示設(shè)備可以為平板電視、LED燈珠、投影設(shè)備、或其他使用實(shí)際的圖片來替代顯示設(shè)備的方式。

所測量物體可以包括反射鏡片：如平板反射鏡，各種曲率曲面反射鏡等，也可以為光學(xué)用鏡片、聚光鏡片、玻璃制品、陶瓷制品的檢測；也可以為一些反射率較高的樣片，如金屬曲面的檢測、手機(jī)屏幕、高精模具、曲面電視等的檢測。

同時(shí)針對一些特殊表面，如紅外反射，可采用紅外相機(jī)及對應(yīng)的顯示裝備，來進(jìn)行采集與測量，都應(yīng)包含在本發(fā)明之內(nèi)。

同時(shí)一些通過光學(xué)鏡片反射，以達(dá)到采集器在測量樣件的非前端位置或圖像設(shè)備在其他位置的間接使用本方案的設(shè)備，都應(yīng)包含在本發(fā)明之內(nèi)。

本實(shí)用新型主要保護(hù)的為使用了該種測量原理的測量裝置，任何利用了間接的使用了該種測量原理的設(shè)備，都應(yīng)包含在本發(fā)明之內(nèi)。

本實(shí)用新型的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于使用視覺方式，通過在測量物體前端放置圖像采集器及顯示設(shè)備，通過采集測量樣片上的反射圖像，來計(jì)算入射光線、反射光線，進(jìn)而得出實(shí)際法線的裝置。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。