一种大尺度镜面面型检测系统及其方法与流程

本发明涉及一种大尺度镜面面型检测系统及其方法，属于光学三维表面检测技术领域。

背景技术：

通常情况，镜面面型测量方式主要分为接触式(cmm)和非接触式两类。接触式三坐标测量仪通常是利用探针在待测表面上划动获取三维形貌，测量精度很高，但其检测速度慢（通常数小时以上）、点云数据稀疏，而且可能对待测物体表面造成损坏。非接触式测量技术最具代表的是光学三维测量技术。常见的光学测量测量技术有干涉法、激光三角法、结构光法、摄影测量法等。干涉测量技术且采用相干光，因此该方法具有很高的灵敏度和精度。但对被测物体震动、空间浮尘、环境光强度等要求严格，限制了其应用；结构光技术应用最广的为条纹法，主要分为针对漫反射物体表面进行检测的条纹投影三维测量技术和针对镜面或类镜面物体的条纹反射三维测量技术。两者原理都是利用投影设备将正弦条纹投射到测试物体表面，条纹经表面形貌调制后发生扭曲、变形，通过对采集到的调制条纹进行分析得到物体高度或梯度信息。条纹法测量速度快、高精度、能全场测量，但由于条纹受环境光干扰严重，不适合户外测量。同时由于被测镜面面型变形过大或不连续情况存在，造成图像出现突变、条纹彼此交叉等情况，也都给后期数据处理增加了难度。

基于光学非接触量技术开发的三维测量设备都存在一些局限，诸如单次测试区域小、室外环境条件干扰等。由于其单次检测面积小，很难实现大尺寸物体表面检测，需要附件机械扫描机构，增加了系统的复杂程度。同时，为了获得被测物体的整体面型，需要后期对多幅局部面型结果图进行拼接，这样会造成误差累计，测试精度和检测效率难以保证。

二次镜是二次反射式光热发电极为关键的装置，其主要功能是将定日镜收集的太阳光再次反射至吸热塔位置处，反射的太阳光通过能量转换最终实现电能的产生。对于二次反射来说，经定日镜汇集后的光能量密度更高，其面型偏差造成的光能损失相较于定日镜来说更为严重，所以必须保证二次镜的面型精度以保证光热发电系统收集太阳光的效率。

针对二次镜模组具有大尺寸（6.5m*7.5m）、镜面反射、户外开阔环境（光强变化，风、人员操作造成的震动等）、具备一定测量效率等检测特征，提出本发明所涉及的检测系统和检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对目前技术不能满足现有的需要，提供一种大尺度镜面面型检测系统及其方法，以解决上述背景技术问题。

本发明所采用的技术方案是：一种大尺度镜面面型检测系统，包括至少一套图像采集器，以及编码图案板、数据处理系统组成；所述图像采集器和编码图案板相对分布在待测物体的两侧，图像采集器的镜头以一定仰角且正对编码图案板对待测物体所成的镜像布置，图像采集器的视场要完全覆盖待测物体；数据处理系统通过数据传输线与图像采集器相连，图像采集器采集编码图案板对待测物体所成的镜像后，存储在数据处理系统中。

在本发明中：所述的图像采集器以一定仰角并指向待测物体固定放置；编码图案板以一定倾角固定放置，并且编码图案朝向待测物体。

在本发明中：所述的编码图案板的尺寸与待测物体的尺寸相对应，编码图案板上的编码图案是由若干单元编码图案拼合而成。

一种大尺度镜面面型检测方法，包括如下步骤：

（1）、在待测试区域的水平面上建立测量坐标系，坐标系满足右手系；图像采集器的光心以及待测物体和编码图案板的几何中心在水平面（xy平面）内的投影点过坐标轴x，坐标轴z过待测物体的几何中心；

（2）、调节图像采集器的俯仰角，使其光轴正对编码图案板的镜像所在的虚拟面；

（3）、测绘出待测物体的四个端点坐标值，存储于数据处理系统中；

（4）、控制图像采集器采集待测物体以及编码图案板的图像，并存储在数据处理系统中；

（5）、通过待测物体实测四端点值，依据待测物体的理想模型，生成在测量坐标系下的待测物体的理想面型；

（6）、根据待测物体的理想面型，从图像采集器像面起始进行光线逆追迹；建立像素点与编码图案板上各点的映射关系；

（7）、根据图像采集器采集到的编码图案，计算待测物体表面各点法向量。

本发明的有益效果：

1、本发明结构简单、设计合理，测试效率高、系统成本低，检测系统测试环境要求不高，可适用户外开放空间的物体检测，图像采集设备（图像采集器）彼此是相互独立的，不会相互干扰，检测系统的稳定性较好；

2、针对不同尺度的待测物体，检测系统可灵活匹配以合适的图像采集器数、编码图案板尺寸和单元编码色块尺寸。

附图说明

图1是本发明的系统的示意图；

图2是本发明中一个编码单元图案的示意图；

图3是本发明的具体实施方式的示意图。

图中：1.水平面；2.图像采集器；3.编码图案板；4.数据处理系统；5.待测物体；6.镜像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种大尺度镜面面型检测系统，包括一套图像采集器2，以及编码图案板3、数据处理系统4组成；所述图像采集器2和编码图案板3相对分布在待测物体5的两侧，图像采集器2的镜头以一定仰角且正对编码图案板3对待测物体5所成的镜像布置，图像采集器2的视场要完全覆盖待测物体5；数据处理系统4通过数据传输线与图像采集器2相连，图像采集器2采集编码图案板3对待测物体5所成的镜像6后，存储在数据处理系统4中，经过特定算法处理得出待测物体5表面各点法向量。所述的图像采集器2以一定仰角并指向待测物体5固定放置；编码图案板3以一定倾角固定放置，并且编码图案朝向待测物体5。所述的编码图案板3的尺寸与待测物体5的尺寸相对应。在实际操作中，图像采集器2数目是根据待测物体5的尺寸决定的。如果一个图像采集器2（可以为相机）的有效视场能覆盖整个待测物体5，则一个图像采集器2就能满足测试。如果不能，则需要添加相应的图像采集器2，直至各图像采集器2的重叠视场能覆盖待测物体5。原则上来说，满足测试的情况下，尽量减少图像采集器2的数目，节约系统成本。

如图2所示，编码图案板3上的编码图案是由若干单元编码图案拼合而成，在单元编码图案中，编号10、20、30、40、50、60、70、80分别代表一种颜色的矩形色块，矩形色块尺寸可以根据待检测物体精度、尺寸来确定。符号“★”表示标识符，在编码图案板3内起到坐标定位作用。

如附图3示，假设待测物体5表面上存在任一点a，令其理想法向量51。但在待测物体5在实际生产过、运输的过程中，由于工艺或人为等因素导致a点面型发生了变化，则相应地造成理想法向量51改变成为实际法向量52。由于a点面型（或法向量）的变化，导致了经a点成像在图像采集器2像面上的物点由理想物点b变成实际物点c。设a点理想法向量51与实际法向量52之间的偏差为θ，则易知ba与ac夹角为2θ。由于图像采集器2、待测物体5、编码图案板3彼此之间的空间距离足够远，可忽略待测物体5表面起伏因素对实际物点c影响，则可认为偏差bc是由于实际法向量偏差引起的实际物点对理想物点的偏移量。

编码图案板3与水平面1的夹角为β，图像采集器2的光轴21与水平面1夹角为δ，成像点光线与图像采集器2光轴夹角为γ。

由几何关系可以得到：△bac中，

∠bca=180-β-(δ-γ)

bc/sin(2θ)=ab/sin(∠bca)

如附图3所示，一种大尺度镜面面型检测方法，包括如下步骤：

（1）在待测物体5所处测试区域的水平面1上建立测量坐标系，坐标系满足右手系；图像采集器2的光心以及待测物体5和编码图案板3的几何中心在水平面（xy平面）内的投影点过坐标轴x，坐标轴z过待测物体5的几何中心。（2）、调节图像采集器2的俯仰角，使其光轴正对编码图案板的镜像所在的虚拟面。

（3）、测绘出待测物体5的四个端点坐标值，存储于数据处理系统4中。

（4）、控制图像采集器2采集待测物体5以及编码图案板3的图像，并存储在数据处理系统4中；

（5）、通过待测物体5实测四端点值，依据待测物体5的理想模型，生成在测量坐标系下的待测物体5的理想面型。

（6）、根据待测物体5的理想面型，从图像采集器2像面起始进行光线逆追迹；建立像素点与编码图案板3上各点的映射关系，即是采集器2理想图像与编码图案板3物点的映射关系。

（7）、编码图案板3的图像受到测试物体5面型调制后，图像中各色块出现相应的偏移、变形，通过对比分析图像采集2获取的实际编码图案板3的实际像对应的实际物点与理想物点的空间位置变化，即附图3所示bc值，再根据上面的公式就可以计算处待测物体5各点法向量指向变化。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本发明并不限于以上描述。对于本领域的技术人员而言，任何对本技术方案的同等修改和替代都是在本发明的范围之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。