数字影像测头矢量坐标变换标定与误差修正方法及其装置制造方法及图纸

数字影像测头矢量坐标变换标定与误差修正方法及其装置，采用非接触式光学测量原理，实现高精度的二维测量中影像测头的精密标定与误差精确修正，保证精确的测量结果。标定方法完全基于影像测头测量原理实现，不存在标定原理误差；标定过程基于自标定原理，通过固定目标对象，移动测头形成虚拟标定点，然后通过构造矢量完成标定操作，提高了设备的可操作性；通过求取测头图像传感器的图像光心位置作为测头标定原点，防止在调整测头倍率后出现因坐标系的偏移引入新的测量误差，保证不同应用场合的测量要求，由于采用测头自标定技术，保证了测头标定具有很高的精度；通过移动精密三维运动机械装置自动提取误差网格实现误差自修正。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数字影像测头矢量坐标变换标定与误差修正方法及 其装置。
技术介绍
数字影像测量可广泛应用于生产生活实际现场，对于具有小、薄等特 征的工件有非常明显的测量优势。数字影像测量采用光学三角测量原理，通过面阵CCD感光芯片上像点的位移A将被测平面上物点的位移S反映出 来，以此来实现镜头聚焦平面内被测尺寸的测量。数字影像测量技术在精 密测量、微观尺寸与结构检测以及其他精密光学测试领域都有非常广泛的 应用，具有非常重要的应用需求与价值。其原理示意图(图中仅给出一个截面的情况)如图1所示。从图中可 以看出，由于测量时CCD感光芯片与被湖怦面平行，像三角形与物三角形 完全相似，因此理论上像位移与物位移对应成比例关系。在测量过程中， 由于采用放大镜头，高分辨率面阵CCD，通过计算机可获取百倍以上的被 测工件放大图像。假设像坐标系xV/与工件坐标系;c炒坐标原点重合，图 像縮放系数为Sc"/eCoe/,坐标系jc炒逆时针旋转角度^后与坐标系;cV/重 合，则图像坐标系下的点P'( ，/)与工件坐标系下的对应点POc,力存在以下 关系jc' = Sta/eCoe/ x (:c cos 0 + sin 0) (1)少'=Scfl/eCo^/" x (少cos 0 — x sin 0). (2)通过上述公式，我们可以看出，在理想成像情况下，如果测量系统结构固定，即光学镜头的焦距与放縮比率、CCD与镜头的位置及方向、投影 轮廓光源等固定的情况下，像点的位移A与被测平面上物点的位移S的关 系可以由图像縮放系数Soi/eCoe/与坐标系旋转角度0确定。图像传感器图像光心是一个提升影像测头性能非常有用的要素。图2 给出了图像传感器图像光心的原理解释即为镜头光轴与图像传感器(此 处为面阵CCD)成像平面的交点位置。从图中可以看出，随着实际放縮倍 率的变化，对同样一个物点，其在测头不同放縮倍率下对应像点连线必经 过图像光心。,这样基于图像光心位置的不变性就可以很容易实现在不同测 头放縮倍率下测量结果的坐标精确匹配，防止不同倍率下测量时测头原点 的变化引起测量误差，可满足不同情况下的放大或是縮小测量要求。数字影像测量最关键的核心技术就是影像测头的标定校准方法。公式 (1)、 (2)只是理想的测头数学模型，通常由于影像测头中的光学器件、成 像组件等在加工和安装过程所产生的各种误差，使得与实际情况相差很 大，在高精度测量场合必须予以分析和考虑。放大成像镜头大体上成像景 深(测量时，测头在z方向上的可调范围)都非常小，在成像清晰后(即 调好焦距后)，被测平面与镜头之间的距离基本固定，在测量时，此刻的 图像的放縮倍率可以认为是基本不变的。这一点对测量精度的影响是可以 接受的。 一般对于面阵CCD而言，由于感光元件的制作工艺以及位置布置 上不一致，感光芯片在两个坐标方向上的图像放縮比例很难做到完全一 致。另外在全场测量中，面阵CCD感光芯片的布置方向与全场坐标系方向 存在不一致性，这一点单靠装配工艺是无法绝对保证的。同时由于相关器 件工艺及制作等缺陷的存在，使得影像测头在可测视场内不同区域的标定结果存在局部特性，直接影响了其高精度的测量性能。为了实现精确的大 范围全场测量，影像测头的标定必须解决好这些问题。 下面介绍几种传统的标定方法。1) 仅标定图像縮放系数。此方法通过机械安装保证图像坐标系和工件 坐标系对应坐标轴方向一致。在标定时通过一形状精度非常高的标准试件(形状要素多为矩形或是方形)进行比对换算。如果图像测量出具有标准长度值D标准试件的像素长度为d， 二者的比值就是图像縮放系数，即 Sc。/eCoe/ = d/￡>。此时对应转换关系变为少'=5ta/eCo^/" x少.该方法实现简单，但是实际应用困难。首先对机械安装要求坐标系和 工件坐标系对应坐标轴方向绝对一致，这几乎无法做到，因此可操作性差； 另外在精度上，标定结果对于测头縮放系数的方向性以及测量视场内不同 区域的局部特性都未考虑，同时标定精度很大程度上受标准试件限制，最 终使得测头测量精度不高。2) 同时标定縮放系数与坐标系旋转角度。在CCD视场内移动某一空 间点，使其在CCD视场内两个不同的位置成像。由于两次不同的成像都是 同一空间点，这样移动前后空间点的位置连线在CCD视场内对应两次不同 成像位置的连线。两连线的长度的比值即为图像縮放比率，而两连线之间 的方向夹角即为坐标系旋转角。该方法存在一个最大的问题就是角度正负 的问题，实际应用中需要反复校对计算才能达到方向一致，同时精度上考 虑的也不够。上述方法都是依据理想条件标定，对于其他很多误差影响因素都没有考虑，这些将带来一定测量误差。同时自动实现困难，实际应用中可操作 性不好。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种综合考虑多项实际应用因素，从而解决了 数字影像测头的精确标定与测量问题的数字影像测头矢量坐标变换标定 与误差修正方法及其装置。为达到上述目的，本专利技术的装置包括:，包括相互垂直由电机驱动的 沿X、 Y、 Z方向直线运动X轴导轨及精密光栅、Y轴导轨及精密光栅和Z 轴导轨及精密光栅，Z轴导轨及精密光栅自上而下依次安装有面阵CCD、 光学镜头和顶部环形光，在X、 Y轴形成的工作台上设置有底部平行轮廓 光、玻璃承载工作台和标准圆的标定板，所说的面阵CCD、光学镜头、顶 部环形光和底部平行轮廓光同轴安装；光学镜头采用连续变焦镜头。本专利技术的标定与误差修正方法如下 1)图像光心位置的确定首先将标定板置于由CCD面阵、连续变焦镜头和顶部环形光组成的测 头视场的中心位置，记录圆心图像坐标位置P00;改变连续变焦镜头倍率,使测量放縮倍率改变，记录此时圆心图像坐标位置P01;不断改变测量放縮倍率并同时记录圆心图像坐标位置P0j,其中0为标定圆的第一个位置、 j为记录点数，然后控制X、 Y轴电机，改变标定圆在测量视场中的位置， 重复前述操作，不断改变测量放縮倍率，同时记录在不同放縮倍率下目标 圆心图像坐标位置PU';其中1为标定园的第二个位置、j为记录点数； 重复改变标定圆在视场中的位置与上述步骤，记录多次调整目标圆在测量 视场中位置后的圆心图像坐标Pij',对任一编号为i的方位下记录点集Pi' = {pi j' IJ为每一位置所测图像点编号} 进行最小二乘直线拟合，得到直线li对应方程为aiX+biy^i; 由此可建立超静定方程组a0x + b0y = c0其中n为所得直线数，ao，b。,c。…ai，bi，Ci为最小二乘直线拟合所得直 线方程系数求解超静定方程组，得到各直线的交点图像坐标p'，即为该面阵CCD 的图像中心；2) 自标定过程采用成像大小直径为视场1/4的目标标定板使之处于视场中，控制电 机，使标定板按照规划位置沿X轴向定步长移动，每移动一次位置记录不同位置的圆心图像坐标力')以及对应位置的测头空间坐标值(、， 力)；在X向移动一定步数M后，控制电机，使标定圆按照规划轨迹沿Y 轴向定步长移动一次，然后沿X轴向定步长移动M步，方向与前一X向移动相反，走之字路径，并同时记录圆心图像坐标( '，力')以及对应位 置的测头空间坐标值(、，々')，重复上述运动过程保证标定板5在视场 中尽可能大的范围内出现；3) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
数字影像测头矢量坐标变换标定与误差修正装置，包括相互垂直由电机驱动的沿Ｘ、Ｙ、Ｚ方向直线运动Ｘ轴导轨及精密光栅（９）、Ｙ轴导轨及精密光栅（８）和Ｚ轴导轨及精密光栅（２），其特征在于：Ｚ轴导轨及精密光栅（２）自上而下依次安装有面阵ＣＣＤ（１）、光学镜头（３）和顶部环形光（４），在Ｘ、Ｙ轴形成的工作台上设置有底部平行轮廓光（６）、玻璃承载工作台（７）和标准圆的标定板（５），所说的面阵ＣＣＤ（１）、光学镜头（３）、顶部环形光（４）和底部平行轮廓光（６）同轴安装。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁建军，蒋庄德，李兵，郭俊杰，张飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]