一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种平面倾斜度检测技术，尤其是涉及一种基于图像模糊度的平面倾 斜度测量方法。
【背景技术】
[0002] 平面倾斜度测量是角度测量的重要应用方向。随着生产和科学的不断发展，平面 的倾斜度测量越来越广泛地被应用于机械、光学、航空、航天和航海等各个领域。
[0003] 目前，常用沿两个相互正交方向的倾斜角来定量描述平面倾斜度。然而，由于现有 的倾斜仪的一个共同特点是只能测量一个方向的倾斜角，因此需要两两组合才能完整测量 平面的倾斜度。由平面倾斜度的定量描述可知，需要在工装上保证两个倾斜仪相互之间正 交，才能准确获取平面倾斜度，然而保证两个倾斜仪相互之间正交在精密测量中是非常难 做到的。此外，现有的倾斜仪大多采用重力摆结构，这种结构对测量样品姿态有一定的要 求，并且摆动结构达到平衡需要一定时间，从而限制了测量速度，在一些自动化实时测量场 合这是无法忍受的。
[0004] 另一种平面倾斜度测量方法是通过重建平面上若干点的三维坐标，使用平面拟合 技术，得到空间平面方程，从而通过计算得出平面沿两个方向的倾斜角。光学显微镜是一种 常用的三维微测量仪器，其可以用来测量平面上点的三维坐标，但是，光学显微镜具有视场 小、离焦现象严重、景深浅等缺点，直接利用光学显微镜不适合用来测量深度差比较大的倾 斜平面，从而难以实现平面倾斜度测量。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于图像模糊度的平面倾斜度测量方法， 其能够利用离焦信息获取倾斜平面上的三维散点的信息，能够很好地克服光学显微镜景深 浅的缺点，从而能够实现平面倾斜度测量，且其测量过程简单、测量效率高。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于图像模糊度的平面倾斜 度测量方法，其特征在于包括以下步骤：
[0007] ①将上表面和下表面均为平面的被测物体放置于光学显微镜的升降载物台上；然 后在被测物体的上表面上放置一块上表面上阵列有实心圆点的标定板作为测量样本，其 中，标定板的下表面与被测物体的上表面面接触，实心圆点的直径为d毫米，相邻两个实心 圆点的中心之间的间距为e毫米，d〈e ;
[0008] ②控制光学显微镜的升降载物台上升和下降，在光学显微镜的目镜观察到的标定 板图像最清晰时控制光学显微镜的升降载物台停止升降；然后以Az微米为步长控制光学 显微镜的升降载物台上升Μ次后停止上升，此时光学显微镜的升降载物台已上升ΔζΧΜ 微米，其中，Μ为正整数；接着以Δζ微米为步长控制光学显微镜的升降载物台下降Ν次后 停止下降，并在每次下降后采集一幅光学显微镜的目镜观察到的标定板图像，共采集得到Ν 幅标定板图像，其中，Ν为正整数，N e [2Μ-3, 2Μ+3];
[0009] ③在每幅标定板图像中划定一个最大矩形区域作为测量参考区域，所有标定板图 像中的测量参考区域的尺寸大小相同，所有标定板图像中的测量参考区域中包含的实心圆 点的总个数相同，且每幅标定板图像中的测量参考区域中的实心圆点为完整的实心圆点， 每幅标定板图像中的测量参考区域的每条边缘与该幅标定板图像对应的图像边界的距离 至少为§毫米；
[0010] ④找出每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的中心；
[0011] ⑤按序叠放所有标定板图像，并使所有标定板图像中的测量参考区域对齐；然后 建立三维坐标系，三维坐标系的原点为第一幅标定板图像中的测量参考区域中的左上角的 实心圆点的中心，三维坐标系的X轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域 中与左上角的实心圆点相邻的一个实心圆点的中心的方向，三维坐标系的Y轴的正方向为 指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点相邻的另一个实心圆点 的中心的方向，三维坐标系的Z轴的正方向为指向与其他标定板图像垂直的方向，则将采 集第k幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的高度位置确定为（k-1) X Δ Z ;
[0012] ⑥计算N幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点 的中心在三维坐标系下的X轴方向的坐标位置和Y轴方向的坐标位置，将N幅标定板图像 中的测量参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点的中心在三维坐标系下的X轴方向 的坐标位置和Y轴方向的坐标位置对应记为Xi,.j和y (i-1) Xe，y (j-1) Xe， 其中，i为正整数，i的初始值为1，1 < i < W，j为正整数，j的初始值为1，1 < j < H，W表 示每幅标定板图像中的测量参考区域中在宽度方向上包含的实心圆点的总个数，H表示每 幅标定板图像中的测量参考区域中在高度方向上包含的实心圆点的总个数，即每幅标定板 图像中的测量参考区域中包含的实心圆点的总个数为WXH，W和Η均为正整数；
[0013] ⑦计算Ν幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点 中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Ζ轴方向的坐标位置，将Ν幅标定板图像中 的测量参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维 坐标系下的Z轴方向的坐标位置记为Zli ]，Zli ]的获取过程为：⑦-1、以每幅标定板图像中 的测量参考区域中位于第i行第j列的实心圆点的中心为圆心，并以r个像素点为半径， 划定圆形区域作为模糊度评价区域，其中，r的取值要求使得模糊度评价区域内仅包含该实 心圆点；⑦-2、利用Tenengrad函数，计算每幅标定板图像中的测量参考区域中位于第i行 第j列的实心圆点对应的模糊度评价区域的Tenengrad函数值，N个实心圆点共对应N个 Tenengrad函数值，将第k个Tenengrad函数值记为Gk，其中，k为正整数，k的初始值为1， 1 < k < N ;⑦-3、将采集每幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的高度位置与对应 的Tenengrad函数值组成数据对，将采集第k幅标定板图像时光学显微镜的升降载物台的 高度位置与Gk组成的数据对记为（(k-1) X Az，Gk);然后利用二次多项式曲线拟合函数，对 N个数据对进行二次曲线拟合，得到相应的二次曲线；⑦-4、计算相应的二次曲线中的极值 点的横坐标；⑦-5、将相应的二次曲线中的极值点的横坐标作为N幅标定板图像中的测量 参考区域中位于第i行第j列的所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下 的Z轴方向的坐标位置，而得到的在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置对应的实心圆心 即为最清晰实心圆点；
[0014] ⑧将N幅标定板图像中的测量参考区域中位于同一行同一列的所有实心圆点的 中心在三维坐标系下的X轴方向的坐标位置和Y轴方向的坐标位置及位于同一行同一列的 所有实心圆点中的最清晰实心圆点的中心在三维坐标系下的Z轴方向的坐标位置对应的 一个点作为一个三维散点，共得到WXΗ个三维散点，Xli j、yi, j及z h j对应的三维散点的三维 坐标为;然后利用平面拟合函数，对得到的WXH个三维散点进行平面拟合， 得到相应的空间平面方程z = bi+bjjX+t^y，其中，z表示空间平面上的点在Z轴方向的坐标 位置，X表示空间平面上的点在X轴方向的坐标位置，y表示空间平面上的点在Y轴方向的 坐标位置，bp 132和b 3均为系数；
[0015] ⑨计算被测物体的上表面沿三维坐标系下的X轴方向的倾斜角和沿三维坐标系 下的Y轴方向的倾斜角，对应记为9丨和Θ 2，QiZtan Yl/b；；)，02=tan WbJ，其中， tan 为求反正切函数。
[0016] 所述的步骤①中的标定板的上表面上横向阵列有至少100个实心圆点且纵向也 阵列有至少100个实心圆点。
[0017] 所述的步骤①中的d的取值范围为0. 02~0. 03毫米，e的取值范围为0. 08~ 0. 12毫米。
[0018] 所述的步骤②中的Δ z的取值范围为1. 8~2. 2微米，M e [50, 100]。
[0019] 所述的步骤②中光学显微镜的目镜观察到的标定板图像的采集采用摄像机，摄像 机对准光学显微镜的目镜。
[0020] 所述的步骤④的具体过程为：④-1、对每幅标定板图像中的测量参考区域中的每 个实心圆点进行二值化处理，得到每幅标定板图像中的测量参考区域中的每个实心圆点的 二值化图像；④_2、采用连通区域标记算法，提取出每幅标定板图像中的测量参考区域中 的每个实心圆点的二值化图像的中心像素点及其在对应的标定板图像中的坐标位置，并作 为相应的实心圆点的中心及其在对应的标定板图像中的坐标位置。
[0021] 所述的步骤⑤中三维坐标系的X轴的正方向为指向第一幅标定板图像中的测量 参考区域中与左上角的实心圆点右相邻的实心圆点的中心的方向，三维坐标系的Y轴的正 方向为指向第一幅标定板图像中的测量参考区域中与左上角的实心圆点下相邻的实心圆 点的中心的方向。
[0022] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0023] 1)本发明方法为非接触式测量方法，其所使用的测量装置仅需要光学显微镜的升 降载物台和目镜及标定板，结构简单，并且对所使用的测量装置中的各个部件之间的位置 关系没有严格工装要求，使得本发明方法应用起来十分便捷。
[0024] 2)本发明方法通过利用离焦信息（即Tenengrad函数值）获取倾斜平面上的三维 散点的三维