專利名稱：一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀及檢測(cè)方法，它是一種高效數(shù)字化檢測(cè)透光玻璃光學(xué)畸變的方法和裝置，屬于自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)畸變是指由透明件(通常指玻璃)不均勻性引起的光學(xué)角度偏差的變化率。 光學(xué)畸變產(chǎn)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(chǎn)生偏離，從而使透過玻璃觀察到的物像變形。對(duì)于汽車、飛機(jī)等交通工具來說，駕駛艙擋風(fēng)玻璃作為駕駛員觀察艙外環(huán)境的中介物，其光學(xué)質(zhì)量直接影響到駕駛員對(duì)艙外狀況的判斷。如果透光玻璃的光學(xué)畸變程度較大，則易使駕駛員的眼睛產(chǎn)生疲勞， 導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。因此對(duì)透光玻璃的光學(xué)畸變進(jìn)行檢測(cè)成為非常重要的工作。檢索我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車安全玻璃試驗(yàn)方法》(GB/T5137. 2-2002)、國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn) 《飛機(jī)夾層玻璃通用試驗(yàn)方法》(國(guó)軍標(biāo)GJB50388)和航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《透明件光學(xué)畸變?cè)囼?yàn)方法》(HB 7398. 1-96)，發(fā)現(xiàn)通常使用的畸變檢測(cè)方法包括投影(線)測(cè)量法、投影(逐點(diǎn))測(cè)量法、網(wǎng)格板測(cè)量法等。其中，網(wǎng)格板測(cè)量法因其測(cè)試方法直觀、操作步驟簡(jiǎn)單、對(duì)測(cè)試儀器要求不高等因素而被廣為采用。傳統(tǒng)的網(wǎng)格板測(cè)量法使用膠片相機(jī)拍攝透過玻璃試件看到的正交網(wǎng)格板圖像，將膠片沖洗放大后由人工判讀網(wǎng)格線變形程度，從而確定光學(xué)畸變，存在著測(cè)試數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、精度和效率較低的缺點(diǎn)，檢測(cè)一塊透光玻璃往往需要一天以上的時(shí)間。本發(fā)明基于網(wǎng)格板測(cè)量法的基本思想，但使用全新的計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過兩次拍照獲得數(shù)碼相片、使用自行開發(fā)的后處理軟件自動(dòng)處理，即可獲得透光玻璃全視場(chǎng)范圍內(nèi)的光學(xué)畸變分布情況和數(shù)值大小，具有全視區(qū)測(cè)量、自動(dòng)化程度高、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)單塊玻璃檢測(cè)時(shí)間小于15分鐘。

發(fā)明內(nèi)容
(1)目的本發(fā)明的目的在于提供一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀及檢測(cè)方法，它可完全替代國(guó)軍標(biāo)GJB503-88和航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB7398. 1-96中的網(wǎng)格板測(cè)量方法，并基于該方法設(shè)計(jì)了一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀，用以實(shí)現(xiàn)透光玻璃全視區(qū)范圍內(nèi)光學(xué)畸變的高精度快速檢測(cè)。(2)技術(shù)方案本發(fā)明由數(shù)字化光學(xué)畸變檢測(cè)方法和基于該方法的透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀兩部分組成。1、本發(fā)明一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)方法，該方法具體實(shí)施步驟如下步驟一獲取基準(zhǔn)圖像和畸變圖像。如圖5所示。使用數(shù)碼單反相機(jī)E，在預(yù)定位置上采用固定拍攝參數(shù)分別直接和透過待測(cè)試玻璃試件H拍攝標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖B，得到數(shù)字化形式的基準(zhǔn)圖像1和畸變圖像3(圖1)?；鶞?zhǔn)圖像1和畸變圖像3的數(shù)學(xué)表達(dá)為I (x，y)和J (x, y)，其中χ，y分別是數(shù)碼單反相機(jī)CCD芯片上的水平和垂直坐標(biāo)，I (x, y)和J (x, y) 為二維灰度矩陣，每個(gè)點(diǎn)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(jī)的分辨率相同。使用二維坐標(biāo)(Xi，yi)表示CXD平面上的任意像素單兀。步驟一的實(shí)施條件是1)選取合適的高分辨率數(shù)碼單反相機(jī)及配套鏡頭，鏡頭具有較好的光學(xué)素質(zhì)；幻兩次拍照時(shí)相機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖的空間位置關(guān)系不發(fā)生改變；；3)兩次拍照時(shí)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖進(jìn)行放大率標(biāo)定。數(shù)碼單反相機(jī)拍攝的照片以像素為長(zhǎng)度單位，而實(shí)際玻璃的尺寸以厘米、米等為長(zhǎng)度單位(本專利申請(qǐng)以厘米為單位)。為了從照片上準(zhǔn)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(zhǎng)度的映射函數(shù)。本專利申請(qǐng)使用雙線性映射函數(shù)，其數(shù)學(xué)形式為Xreal =已-帥+匕口曲+ Yreai = a2xpix+b2ypix+c2 (a)其中，(Xpix，ypix)是數(shù)碼相片上任意二維空間點(diǎn)的像素坐標(biāo)，以像素為單位；(xMal， Yreal)是該點(diǎn)映射到玻璃表面的實(shí)際物理坐標(biāo)，以厘米為單位；％、b” C1和a2、b2、C2是待求的映射系數(shù)(或稱標(biāo)定系數(shù))。為了獲得數(shù)碼單反相機(jī)的標(biāo)定系數(shù)，需要在完成步驟一以后后翻轉(zhuǎn)標(biāo)定板A，將標(biāo)定板背面的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C前置，在數(shù)碼單反相機(jī)E、標(biāo)定板A相對(duì)位置不變的前提下拍攝一張標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C的照片。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C上各網(wǎng)格線的空間位置(xMal， yreal)和對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)坐標(biāo)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(jì)算得到標(biāo)定系數(shù)。本步驟可由本發(fā)明自帶軟件“OpticalDistortion”包含的“放大率標(biāo)定” 模塊實(shí)現(xiàn)。標(biāo)定系數(shù)只與數(shù)碼單反相機(jī)和標(biāo)定板的相對(duì)位置有關(guān)，因此當(dāng)檢測(cè)多塊座艙玻璃時(shí)，如果能夠保證檢測(cè)過程中數(shù)碼單反相機(jī)、標(biāo)定板的相對(duì)位置不變，則可以只進(jìn)行一次放大率標(biāo)定。步驟二的實(shí)施條件是保證步驟1的實(shí)施條件不變，用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C像取代標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖B。步驟三運(yùn)用光學(xué)流動(dòng)法計(jì)算從基準(zhǔn)圖像到畸變圖像的變形場(chǎng)。透光玻璃存在光學(xué)畸變場(chǎng)真值2，該變形場(chǎng)為矢量場(chǎng)，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(zhǔn)圖像1疊加上該光學(xué)畸變場(chǎng)真值2的結(jié)果，疊加公式為J (Xi, Yj) = I (Xi+U (Xi, Yj), Yj+v (Xi, y」))。對(duì)于待測(cè)試玻璃而言，該光學(xué)畸變場(chǎng)真值2未知，因此使用金字塔迭代式光學(xué)流動(dòng)法(已另申請(qǐng)專利)計(jì)算從基準(zhǔn)圖像1到畸變圖像3的變形場(chǎng)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(shù)、迭代次數(shù)、窗格形狀、誤差容限等計(jì)算參數(shù)，得到該光學(xué)畸變場(chǎng)計(jì)算值4。在實(shí)際的計(jì)算中需要用到本發(fā)明自帶軟件 "OpticalDistortion".由變形計(jì)算參數(shù)校驗(yàn)?zāi)KIV檢驗(yàn)所給參數(shù)是否合理，保證光學(xué)畸變場(chǎng)計(jì)算值4是光學(xué)畸變場(chǎng)真值2的有效近似，然后運(yùn)用變形計(jì)算模塊II計(jì)算透光玻璃的變形場(chǎng)。步驟三的實(shí)施條件是1)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖包含豐富的灰度級(jí)明暗細(xì)節(jié)變化；2)根據(jù)實(shí)際變形場(chǎng)的特征調(diào)整金字塔迭代式光學(xué)流動(dòng)法的計(jì)算參數(shù)。本發(fā)明自帶專用軟件〃 OpticalDistortion"包含了金字塔迭代式光學(xué)流動(dòng)法的計(jì)算參數(shù)評(píng)估功能。在上述兩個(gè)條件滿足的情況下，光學(xué)流動(dòng)法計(jì)算變形場(chǎng)的精度大于99%。步驟四虛擬正交網(wǎng)格變形。專用計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成由水平線和垂直線組成的虛擬正交網(wǎng)格5，其數(shù)學(xué)形式為L(zhǎng)(x，y)，網(wǎng)格線寬度一個(gè)像素，線間距離固定，網(wǎng)格線數(shù)可自行在軟件中設(shè)置，如圖2所示。將虛擬正交網(wǎng)格中每一條水平/垂直線疊加由步驟三得到的變形場(chǎng)計(jì)算值u' (x，y)和ν' (X，y)，疊加公式為L(zhǎng)' (xi yj) = L(Xi+u' (xi Yj), Yj+v' (Xi，y」))。例如圖2中水平網(wǎng)格線10疊加上當(dāng)?shù)刈冃螆?chǎng)后成為變形網(wǎng)格線 11。正交網(wǎng)格的所有網(wǎng)格線均按照上述方式變形，即組成虛擬變形網(wǎng)格6。該步驟由軟件 “OpticalDistortion”中的光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊III實(shí)現(xiàn)。步驟四的實(shí)施條件是選取合適的網(wǎng)格線數(shù)，網(wǎng)格線數(shù)決定了步驟五-步驟六的光學(xué)畸變檢測(cè)分辨率，分辨率并非越高越好，而應(yīng)該符合人眼分辨率的極限。步驟五變形網(wǎng)格線最大斜率搜索。專用計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算任意網(wǎng)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(duì)邊與鄰邊長(zhǎng)度的比值表示該條網(wǎng)格線的光學(xué)畸變值。該步驟由軟件“OpticalDistortion”中的光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊III實(shí)現(xiàn)。步驟六全視場(chǎng)光學(xué)畸變概率密度統(tǒng)計(jì)。軟件“OpticalDistortion”自動(dòng)統(tǒng)計(jì)步驟五中得到的每條水平/垂直網(wǎng)格線的光學(xué)畸變值，得到虛擬變形網(wǎng)格6的水平方向光學(xué)畸變7和垂直方向光學(xué)畸變8，給出光學(xué)畸變極值點(diǎn)在玻璃表面的分布，并統(tǒng)計(jì)全視場(chǎng)范圍內(nèi)光學(xué)畸變概率密度分布9。2、本發(fā)明一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分是包括專用計(jì)算機(jī)G和數(shù)碼單反相機(jī)E在內(nèi)的數(shù)字化照相裝置，以實(shí)現(xiàn)圖像的采集、存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)。所述硬件部分即數(shù)字化照相裝置，如圖5所示，它包括:A-標(biāo)定板；B-標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖；C-標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖；D-測(cè)試支架；E-數(shù)碼單反相機(jī)；F-三腳架；G-專用計(jì)算機(jī)；H-待測(cè)試玻璃試件。它們之間的位置連接關(guān)系是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖B和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C分別粘貼于標(biāo)定板 A的正面和背面；待測(cè)試玻璃試件H安裝于測(cè)試支架D上，通過調(diào)整測(cè)試支架D的高度保證待測(cè)試玻璃試件H與標(biāo)定板A的幾何中心在同一水平面內(nèi)，其直線距離Ll需精確測(cè)定；數(shù)碼單反相機(jī)E由三腳架F支撐，置于待測(cè)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(diào)整數(shù)碼單反相機(jī)E的姿態(tài)，以保證其光學(xué)主軸通過待測(cè)試玻璃試件H的幾何中心并垂直于標(biāo)定板A，數(shù)碼單反相機(jī)E與待測(cè)試玻璃試件H的幾何中心水平距離L2需精確測(cè)定；數(shù)碼單反相機(jī)E與專用計(jì)算機(jī)G通過相機(jī)自帶數(shù)據(jù)線連接。該標(biāo)定板A置于鋁合金支架之上，可水平移動(dòng)和前后翻轉(zhuǎn)。標(biāo)定板A正面貼有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖B，背面貼有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C。該標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖B用于提供待測(cè)試玻璃光學(xué)畸變的目標(biāo)物。由于使用金字塔迭代式光學(xué)流動(dòng)方法計(jì)算相機(jī)拍攝得到的基準(zhǔn)圖像和畸變圖像之間對(duì)應(yīng)位置上的變形量，因此標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖需包含豐富的灰度級(jí)明暗變化。該標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C用于提供確定相機(jī)標(biāo)定系數(shù)的空間位置信息。遵循國(guó)軍標(biāo) 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(wǎng)格，網(wǎng)格線的寬度和相鄰直線間距根據(jù)實(shí)際情況選定。該測(cè)試支架D是金屬結(jié)構(gòu)支架，用于以實(shí)際安裝角支撐、固定待測(cè)試光學(xué)玻璃試件。支架的外形和尺寸與待測(cè)試玻璃的實(shí)際安裝框架一致，可沿水平、垂直方向移動(dòng)，自身剛度足夠大，確保安裝待測(cè)試玻璃后不發(fā)生明顯變形。該數(shù)碼單反相機(jī)E配有高素質(zhì)變焦鏡頭和快門控制線，并通過數(shù)據(jù)線與專用計(jì)算機(jī)G連接，拍攝圖像直接傳輸至計(jì)算機(jī)G進(jìn)行后處理。該三腳架F是穩(wěn)重、堅(jiān)固的金屬結(jié)構(gòu)架，為數(shù)碼單反相機(jī)E提供有效支撐，云臺(tái)上配有兩方向水平儀，便于調(diào)整相機(jī)水平。該專用計(jì)算機(jī)G安裝有數(shù)碼單反相機(jī)控制軟件、專用檢測(cè)軟件 “OpticalDistortion”及軟件運(yùn)行環(huán)境，并配有激光打印機(jī)用于打印測(cè)試報(bào)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(biāo)定模塊I、變形計(jì)算模塊II、光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊III、變形計(jì)算參數(shù)校驗(yàn)?zāi)KIV和檢測(cè)報(bào)告模塊V等五大功能模塊，其工作流程見圖6。通過標(biāo)定模塊I從標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖獲得標(biāo)定系數(shù)，作為輸入變量供變形計(jì)算模塊II和光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊III調(diào)用。變形計(jì)算參數(shù)校驗(yàn)?zāi)KIV根據(jù)圖像質(zhì)量、最大變形程度等實(shí)際情況確認(rèn)光流層數(shù)、迭代次數(shù)、窗格形狀及誤差容限等計(jì)算參數(shù)，并通過蒙特卡洛模擬法確保變形場(chǎng)計(jì)算精度大于99%。變形計(jì)算模塊Π依據(jù)步驟三的方法，使用經(jīng)確認(rèn)的計(jì)算參數(shù)計(jì)算從基準(zhǔn)圖像到畸變圖像的變形場(chǎng)。其后光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊III依據(jù)步驟四-步驟六，由變形場(chǎng)計(jì)算得到光學(xué)畸變極值點(diǎn)分布和光學(xué)畸變概率密度分布，并作為輸入?yún)?shù)傳遞給檢測(cè)報(bào)告模塊V，最后自動(dòng)生成試件的檢測(cè)報(bào)告。其中，該標(biāo)定板A的長(zhǎng)度為2米、高為1.8米。(3)優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀及檢測(cè)方法，它基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，結(jié)合光學(xué)流動(dòng)法，可獲得透光玻璃全視場(chǎng)范圍內(nèi)的光學(xué)畸變分布情況和數(shù)值大小，具有全視區(qū)測(cè)量、自動(dòng)化程度高、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)單塊玻璃檢測(cè)時(shí)間小于15分鐘。相對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)畸變測(cè)量方法，本發(fā)明具有很好的優(yōu)勢(shì)。


圖1為本發(fā)明一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)方法的流程框圖；圖2為虛擬正交網(wǎng)格及變形網(wǎng)格線的光學(xué)畸變計(jì)算示意圖；圖3為玻璃表面光學(xué)畸變極值點(diǎn)分布示意圖；圖4(a)為斜率形式的垂直分量光學(xué)畸變分布圖；圖4(b)為斜率形式的水平分量光學(xué)畸變分布圖；圖4(c)為斜率形式的垂直分量光學(xué)畸變概率分布圖；圖4(d)為為斜率形式的水平分量光學(xué)畸變概率分布圖；圖5為本發(fā)明一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖；；圖 6 為軟件 “OpticalDistortion” 流程圖。圖1中具體標(biāo)號(hào)如下1-基準(zhǔn)圖像；2-光學(xué)畸變場(chǎng)真值2 ；3-畸變圖像；4-光學(xué)畸變場(chǎng)計(jì)算值；5_虛擬正交網(wǎng)格；6-虛擬變形網(wǎng)格；7-水平方向光學(xué)畸變；8-垂直方向光學(xué)畸變；9-全視區(qū)光學(xué)
8畸變概率密度分布。I (x, y)為基準(zhǔn)圖像1的二維灰度矩陣表達(dá)式；J(x, y)為畸變圖像3的二維灰度矩陣表達(dá)式；u (x, y)為水平方向光學(xué)畸變場(chǎng)真值2的二維矩陣表達(dá)式；ν (x, y)為垂直方向光學(xué)畸變場(chǎng)真值2的二維矩陣表達(dá)式；u' (x, y)為水平方向光學(xué)畸變場(chǎng)計(jì)算值4的二維矩陣表達(dá)式；ν' (x, y)為垂直方向光學(xué)畸變場(chǎng)計(jì)算值4的二維矩陣表達(dá)式；χ, y為數(shù)碼單反相機(jī)CXD芯片上的水平和垂直坐標(biāo)。圖2中具體標(biāo)號(hào)如下10-水平網(wǎng)格線；11-變形網(wǎng)格線；12-最大斜率切線；13-斜率三角形。圖5中具體標(biāo)號(hào)如下A-標(biāo)定板；B-標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖；C-標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖；D-測(cè)試支架；E-數(shù)碼單反相機(jī)；F-三腳架；G-專用計(jì)算機(jī)；H-待測(cè)試玻璃試件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。見圖5、圖6，本發(fā)明一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分是包括專用計(jì)算機(jī)G和數(shù)碼單反相機(jī)E在內(nèi)的數(shù)字化照相裝置，以實(shí)現(xiàn)圖像的采集、存儲(chǔ)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(biāo)定模塊I、變形計(jì)算模塊II、光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊 III、變形計(jì)算參數(shù)校驗(yàn)?zāi)KIV和檢測(cè)報(bào)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(shí)現(xiàn)。所述硬件部分即數(shù)字化照相裝置如圖5所示，它包括A-標(biāo)定板；B-標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖； C-標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖；D-測(cè)試支架；E-數(shù)碼單反相機(jī)；F-三腳架；G-專用計(jì)算機(jī)；H-待測(cè)試玻璃試件。它們之間的位置連接關(guān)系是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖B和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C分別粘貼于標(biāo)定板A的正面和背面；待測(cè)試玻璃試件H安裝于測(cè)試支架D上，通過調(diào)整測(cè)試支架D的高度保證待測(cè)試玻璃試件H與標(biāo)定板A的幾何中心在同一水平面內(nèi)，其直線距離Ll需精確測(cè)定；數(shù)碼單反相機(jī)E由三腳架F支撐，置于待測(cè)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(diào)整數(shù)碼單反相機(jī)E的姿態(tài)，以保證其光學(xué)主軸通過待測(cè)試玻璃試件H的幾何中心并垂直于標(biāo)定板A，數(shù)碼單反相機(jī)E與待測(cè)試玻璃試件H的幾何中心水平距離L2需精確測(cè)定； 數(shù)碼單反相機(jī)E與專用計(jì)算機(jī)G通過相機(jī)自帶數(shù)據(jù)線連接。實(shí)施例用本發(fā)明涉及的方法和儀器檢測(cè)一塊長(zhǎng)1.2米、高0.8米、具有較大曲面的座艙風(fēng)擋玻璃的全視區(qū)光學(xué)畸變。檢驗(yàn)過程分為獲取基準(zhǔn)圖像和畸變圖像、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖進(jìn)行放大率標(biāo)定、運(yùn)用光學(xué)流動(dòng)法計(jì)算從基準(zhǔn)圖像到畸變圖像的變形場(chǎng)、虛擬正交網(wǎng)格變形、變形網(wǎng)格線的最大斜率搜索、全視場(chǎng)光學(xué)畸變概率密度統(tǒng)計(jì)等主要步驟。見圖1，本發(fā)明一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)方法，該方法具體實(shí)施步驟如下步驟一獲取基準(zhǔn)圖像和畸變圖像。將待測(cè)試玻璃試件H以與水平線呈40度夾角的實(shí)際安裝角安裝在測(cè)試支架D上。調(diào)整測(cè)試支架D的高度以保證待測(cè)試玻璃試件H的幾何中心與標(biāo)定板A的幾何中心在同一水平面內(nèi)，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(shù)碼單反相機(jī)E，該相機(jī)配有EF18-55IS變焦鏡頭和RS-80N3快門線。三腳架F的型號(hào)是曼富圖055PR0。調(diào)整三腳架云臺(tái)，使數(shù)碼單反相機(jī)E的光學(xué)主軸通過待測(cè)試玻璃試件H的幾何中心并垂直于標(biāo)定板A。數(shù)碼單反相機(jī)E和待測(cè)試玻璃試件 H幾何中心的水平距離L2 = 2. 1336m。設(shè)置數(shù)碼單反相機(jī)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(shè)為f8. 0，透過待測(cè)試玻璃試件H拍攝標(biāo)定板A上的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖B，拍攝過程中使用快門線進(jìn)行對(duì)焦和拍攝，得到待測(cè)試玻璃試件H的畸變圖像。其后移開待測(cè)試玻璃試件H，使用相同的曝光參數(shù)組合拍攝標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C，得到基準(zhǔn)圖像。在整個(gè)拍攝過程中，確保數(shù)碼單反相機(jī)E、標(biāo)定板A和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖B不發(fā)生移動(dòng)。步驟二 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C進(jìn)行放大率標(biāo)定。翻轉(zhuǎn)標(biāo)定板A，將標(biāo)定板背面的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C前置，該標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C的網(wǎng)格線寬度1. 0mm、相鄰直線間距25. 4mm。移開待測(cè)試玻璃試件H，在數(shù)碼單反相機(jī)E、標(biāo)定板A相對(duì)位置不變的前提下拍攝一張標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C照片。將圖像導(dǎo)入軟件“OpticalDistortion”，輸入網(wǎng)格線交點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)(以厘米為單位)和像素坐標(biāo)，按照公式(a)，計(jì)算出標(biāo)定系數(shù)^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(yùn)用光學(xué)流動(dòng)法計(jì)算從基準(zhǔn)圖像1到畸變圖像3的變形場(chǎng)。使用數(shù)據(jù)線將步驟一和步驟二得到的基準(zhǔn)圖像1、畸變圖像3和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖C傳輸至專用計(jì)算機(jī)G。打開軟件“OpticalDistortion”，使用變形計(jì)算參數(shù)校驗(yàn)?zāi)KIV確認(rèn)光流層數(shù)、迭代次數(shù)、窗格形狀及誤差容限等計(jì)算參數(shù)。在本例中，光流層數(shù)為4層，迭代次數(shù)為5次，窗格形狀為30 個(gè)像素的高斯窗口，誤差容限為10_5，經(jīng)蒙特卡洛模擬法檢驗(yàn)，此計(jì)算參數(shù)組合下，光學(xué)流動(dòng)方法計(jì)算得到的變形場(chǎng)計(jì)算值與真實(shí)值之間的誤差小于1%，即計(jì)算精度大于99%。確定上述計(jì)算參數(shù)之后，調(diào)用變形計(jì)算模塊II計(jì)算從基準(zhǔn)圖像1到畸變圖像3的變形場(chǎng)。步驟四虛擬正交網(wǎng)格變形。進(jìn)入軟件“OpticalDistortion”的光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊 III，輸入網(wǎng)格線的數(shù)目，程序?qū)凑占夹g(shù)方案中步驟四的方法，生成變形后的網(wǎng)格。步驟五變形網(wǎng)格線的最大斜率搜索。完成步驟四后，程序自動(dòng)計(jì)算任意網(wǎng)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(duì)邊與鄰邊長(zhǎng)度的比值表示該條網(wǎng)格線的光學(xué)畸變值。步驟六全視場(chǎng)光學(xué)畸變概率密度統(tǒng)計(jì)。軟件“OpticalDistortion”自動(dòng)統(tǒng)計(jì)步驟五中得到的每條水平/垂直網(wǎng)格線的光學(xué)畸變值，得到虛擬變形網(wǎng)格6的水平方向光學(xué)畸變7和垂直方向光學(xué)畸變8，給出光學(xué)畸變極值點(diǎn)在玻璃表面的分布，該實(shí)例中如圖3所示，并統(tǒng)計(jì)全視場(chǎng)范圍內(nèi)光學(xué)畸變概率密度分布9，該實(shí)例中如圖4(a)-(d)所示。
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權(quán)利要求
1.一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀，其特征在于該檢測(cè)儀由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分是包括專用計(jì)算機(jī)(G)和數(shù)碼單反相機(jī)(E)在內(nèi)的數(shù)字化照相裝置，以實(shí)現(xiàn)圖像的采集、存儲(chǔ)和處理；軟件部分指自帶專用軟件“OpticalDistortion” ；所述硬件部分即數(shù)字化照相裝置，它包括標(biāo)定板(A)、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖(B)、標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖 (C)、測(cè)試支架(D)、數(shù)碼單反相機(jī)(E)、三腳架(F)、專用計(jì)算機(jī)(G)及待測(cè)試玻璃試件(H)； 其中，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖(B)和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖(C)分別粘貼于標(biāo)定板(A)的正面和背面；待測(cè)試玻璃試件(H)安裝于測(cè)試支架(D)上，通過調(diào)整測(cè)試支架(D)的高度保證待測(cè)試玻璃試件(H) 與標(biāo)定板(A)的幾何中心在同一水平面內(nèi)，其直線距離Ll需精確測(cè)定；數(shù)碼單反相機(jī)(E) 由三腳架(F)支撐，置于待測(cè)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(diào)整數(shù)碼單反相機(jī)(E)的姿態(tài)，以保證其光學(xué)主軸通過待測(cè)試玻璃試件(H)的幾何中心并垂直于標(biāo)定板(A)，數(shù)碼單反相機(jī)(E)與待測(cè)試玻璃試件(H)的幾何中心水平距離L2需精確測(cè)定；數(shù)碼單反相機(jī)(E)與專用計(jì)算機(jī)(G)通過相機(jī)自帶數(shù)據(jù)線連接；該標(biāo)定板(A)置于鋁合金支架之上，可水平移動(dòng)和前后翻轉(zhuǎn)；標(biāo)定板(A)正面貼有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖(B)，背面貼有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖(C)；該標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖(B)用于提供待測(cè)試玻璃光學(xué)畸變的目標(biāo)物，由于使用金字塔迭代式光學(xué)流動(dòng)方法計(jì)算相機(jī)拍攝得到的基準(zhǔn)圖像和畸變圖像之間對(duì)應(yīng)位置上的變形量，因此標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖需包含豐富的灰度級(jí)明暗變化；該標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖(C)用于提供確定相機(jī)標(biāo)定系數(shù)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(wǎng)格，網(wǎng)格線的寬度和相鄰直線間距根據(jù)實(shí)際情況選定；該測(cè)試支架(D)是金屬結(jié)構(gòu)支架，用于以實(shí)際安裝角支撐、固定待測(cè)試光學(xué)玻璃試件； 支架的外形和尺寸與待測(cè)試玻璃的實(shí)際安裝框架一致，沿水平、垂直方向移動(dòng)，自身剛度足夠大，確保安裝待測(cè)試玻璃后不發(fā)生明顯變形；該數(shù)碼單反相機(jī)(E)配有高素質(zhì)變焦鏡頭和快門控制線，并通過數(shù)據(jù)線與專用計(jì)算機(jī) (G)連接，拍攝圖像直接傳輸至專用計(jì)算機(jī)(G)進(jìn)行后處理；該三腳架(F)是穩(wěn)重、堅(jiān)固的金屬結(jié)構(gòu)架，為數(shù)碼單反相機(jī)(E)提供有效支撐，云臺(tái)上配有兩方向水平儀，便于調(diào)整相機(jī)水平；該專用計(jì)算機(jī)(G)安裝有數(shù)碼單反相機(jī)控制軟件、專用檢測(cè)軟件 “OpticalDistortion”及軟件運(yùn)行環(huán)境，并配有激光打印機(jī)用于打印測(cè)試報(bào)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(biāo)定模塊I、變形計(jì)算模塊II、光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊III、變形計(jì)算參數(shù)校驗(yàn)?zāi)KIV和檢測(cè)報(bào)告模塊V五大功能模塊；通過標(biāo)定模塊I從標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖獲得標(biāo)定系數(shù)，作為輸入變量供變形計(jì)算模塊II和光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊III調(diào)用；變形計(jì)算參數(shù)校驗(yàn)?zāi)KIV根據(jù)圖像質(zhì)量、最大變形程度確認(rèn)光流層數(shù)、迭代次數(shù)、窗格形狀及誤差容限計(jì)算參數(shù)，并通過蒙特卡洛模擬法確保變形場(chǎng)計(jì)算精度大于99% ；變形計(jì)算模塊II依據(jù)步驟三的方法，使用經(jīng)確認(rèn)的計(jì)算參數(shù)計(jì)算從基準(zhǔn)圖像到畸變圖像的變形場(chǎng)；其后光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊III依據(jù)步驟四-步驟六，由變形場(chǎng)計(jì)算得到光學(xué)畸變極值點(diǎn)分布和光學(xué)畸變概率密度分布，并作為輸入?yún)?shù)傳遞給檢測(cè)報(bào)告模塊V，最后自動(dòng)生成試件的檢測(cè)報(bào)告。
2.一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)方法，其特征在于該方法具體實(shí)施步驟如下步驟一獲取基準(zhǔn)圖像和畸變圖像；使用數(shù)碼單反相機(jī)(E)，在預(yù)定位置上采用固定拍攝參數(shù)分別直接和透過待測(cè)試玻璃試件(H)拍攝標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖(B)，得到數(shù)字化形式的基準(zhǔn)圖像⑴和畸變圖像(3)；基準(zhǔn)圖像⑴和畸變圖像(3)的數(shù)學(xué)表達(dá)為I(x，y)和J(x，y)， 其中X，y分別是數(shù)碼相機(jī)CXD芯片上的水平和垂直坐標(biāo)，I (x, y)和J(x，y)為二維灰度矩陣，每個(gè)點(diǎn)的值代表圖像的灰度，該矩陣的大小與相機(jī)的分辨率相同，使用二維坐標(biāo)(Xi，yP 表示CXD平面上的任意像素單元；步驟二 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖進(jìn)行放大率標(biāo)定；數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片以像素為長(zhǎng)度單位，而實(shí)際玻璃的尺寸以厘米、米為長(zhǎng)度單位；為了從照片上準(zhǔn)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(zhǎng)度的映射函數(shù)，這里使用雙線性映射函數(shù)，其數(shù)學(xué)形式為Xreal — aiXpix+b1ypis+C1Yreal = Β2Χρ χ^2Υρ χ+02(a)其中，0w，yPix)是數(shù)碼相片上任意二維空間點(diǎn)的像素坐標(biāo)，以像素為單位；(、al， Yreal)是該點(diǎn)映射到玻璃表面的實(shí)際物理坐標(biāo)，以厘米為單位；ap bi、C1和a2、b2、C2是待求的映射系數(shù)即標(biāo)定系數(shù)；為了獲得相機(jī)的標(biāo)定系數(shù)，需要在完成步驟一以后后翻轉(zhuǎn)標(biāo)定板 (A)，將標(biāo)定板背面的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖(C)前置，在數(shù)碼單反相機(jī)、標(biāo)定板相對(duì)位置不變的前提下拍攝一張標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖(C)的照片；標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖(C)上各網(wǎng)格線的空間位置Ureal，yMal)和對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)坐標(biāo)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(jì)算得到標(biāo)定系數(shù)；本步驟由自帶軟件“OpticalDistortion”包含的“放大率標(biāo)定”模塊實(shí)現(xiàn)；標(biāo)定系數(shù)只與數(shù)碼單反相機(jī)和標(biāo)定板的相對(duì)位置有關(guān)，因此當(dāng)檢測(cè)多塊座艙玻璃時(shí)，如果能夠保證檢測(cè)過程中數(shù)碼單反相機(jī)、標(biāo)定板的相對(duì)位置不變，則只進(jìn)行一次放大率標(biāo)定；步驟三運(yùn)用光學(xué)流動(dòng)法計(jì)算從基準(zhǔn)圖像到畸變圖像的變形場(chǎng)；透光玻璃存在光學(xué)畸變場(chǎng)真值O)，該變形場(chǎng)為矢量場(chǎng)，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(zhǔn)圖像(1)疊加上該光學(xué)畸變場(chǎng)真值O)的結(jié)果，疊加公式為J (Xi，Yj) = I (Xi+U (Xi, Yj) , Yj+V (Xi, Yj))對(duì)于待測(cè)試玻璃而言，該光學(xué)畸變場(chǎng)真值( 未知，因此使用金字塔迭代式光學(xué)流動(dòng)法計(jì)算從基準(zhǔn)圖像⑴到畸變圖像⑶的變形場(chǎng)U' (x, y)和ν' (x, y)；給定光流層數(shù)、 迭代次數(shù)、窗格形狀、誤差容限計(jì)算參數(shù)，得到該光學(xué)畸變場(chǎng)計(jì)算值；實(shí)際計(jì)算中要用到自帶軟件“OpticalDistortion”，由變形計(jì)算參數(shù)校驗(yàn)?zāi)KIV檢驗(yàn)所給參數(shù)是否合理， 保證光學(xué)畸變場(chǎng)計(jì)算值(4)是光學(xué)畸變場(chǎng)真值O)的有效近似，然后運(yùn)用變形計(jì)算模塊II 計(jì)算透光玻璃的變形場(chǎng)；步驟四虛擬正交網(wǎng)格變形；專用計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成由水平線和垂直線組成的虛擬正交網(wǎng)格(5)，其數(shù)學(xué)形式為L(zhǎng)(x，y)，網(wǎng)格線寬度一個(gè)像素，線間距離固定，網(wǎng)格線數(shù)自行在軟件中設(shè)置，將虛擬正交網(wǎng)格中每一條水平/垂直線疊加由步驟三得到的變形場(chǎng)計(jì)算值 u' (X，y)禾P ν' (X，y)，疊加公式為L(zhǎng)' (χ” yj) = L(Xi+u' (χ” yj), yj+v' (xi Yj))； 正交網(wǎng)格的所有網(wǎng)格線均按照上述方式變形，即組成虛擬變形網(wǎng)格(6)；該步驟由軟件 “OpticalDistortion”中的光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊III實(shí)現(xiàn)；步驟五變形網(wǎng)格線最大斜率搜索；專用計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算任意網(wǎng)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(duì)邊與鄰邊長(zhǎng)度的比值表示該條網(wǎng)格線的光學(xué)畸變值；該步驟由軟件 “OpticalDistortion”中的光學(xué)畸變?cè)u(píng)估模塊III實(shí)現(xiàn)；步驟六全視場(chǎng)光學(xué)畸變概率密度統(tǒng)計(jì)；軟件“OpticalDistortion”自動(dòng)統(tǒng)計(jì)步驟五中得到的每條水平/垂直網(wǎng)格線的光學(xué)畸變值，得到虛擬變形網(wǎng)格(6)的水平方向光學(xué)畸變(7)和垂直方向光學(xué)畸變(8)，給出光學(xué)畸變極值點(diǎn)在玻璃表面的分布，并統(tǒng)計(jì)全視場(chǎng)范圍內(nèi)光學(xué)畸變概率密度分布(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀，其特征在于該標(biāo)定板㈧的長(zhǎng)度為2米、高為1.8米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)方法，其特征在于步驟一的實(shí)施條件是1)選取適用的高分辨率數(shù)碼單反相機(jī)及配套鏡頭；幻兩次拍照時(shí)相機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖的空間位置關(guān)系不發(fā)生改變；3)兩次拍照時(shí)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(jù)權(quán)利要求2所述的一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)方法，其特征在于步驟二的實(shí)施條件是保證步驟一的實(shí)施條件不變，用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖(C)像取代標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖(B)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)方法，其特征在于步驟三的實(shí)施條件是1)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖包含豐富的灰度級(jí)明暗細(xì)節(jié)變化；2)根據(jù)實(shí)際變形場(chǎng)的特征調(diào)整金字塔迭代式光學(xué)流動(dòng)法的計(jì)算參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)方法，其特征在于步驟四的實(shí)施條件是選取合適的網(wǎng)格線數(shù)，網(wǎng)格線數(shù)決定了步驟五-步驟六的光學(xué)畸變檢測(cè)分辨率，分辨率并非越高越好，而應(yīng)該符合人眼分辨率的極限。
全文摘要
一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)儀，它由硬件和軟件兩部分組成；硬件是數(shù)字化照相裝置，它包括標(biāo)定板、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖、標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖、測(cè)試支架、數(shù)碼單反相機(jī)、三腳架、專用計(jì)算機(jī)和待測(cè)試玻璃試件；標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格圖分別粘貼于標(biāo)定板的正、背面；待測(cè)試玻璃試件安裝于測(cè)試支架上，數(shù)碼單反相機(jī)置于待測(cè)試玻璃試件的正后方，通過三腳架上的兩方向水平儀調(diào)整數(shù)碼單反相機(jī)的姿態(tài)，保證其光學(xué)主軸通過待測(cè)試玻璃試件的幾何中心并垂直于標(biāo)定板，數(shù)碼單反相機(jī)與專用計(jì)算機(jī)通過相機(jī)自帶數(shù)據(jù)線連接；所述軟件即自帶的專用軟件“OpticalDistortion”。一種透光玻璃光學(xué)畸變數(shù)字化檢測(cè)方法，它有六大步驟。本發(fā)明具有全視區(qū)測(cè)量、自動(dòng)化程度高、檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M11/02GK102519710SQ20111033970
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者潘翀, 王晉軍, 王洪平, 王立峰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)