CN102507446A - 一种透光玻璃光学角偏差的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种透光玻璃光学角偏差的检测方法，它有五大步骤：步骤一：获取基准图像和畸变图像；步骤二：对标准网格图进行放大率标定；步骤三：运用光学流动法计算从基准图像到畸变图像的变形场；步骤四：通过变形场计算光学角偏差；步骤五：对光学角偏差进行统计分析。本发明基于数字图像处理技术，结合光学流动法，可以获得透光玻璃全视场范围内的光学畸变角偏差分布情况和数值大小，具有全视区测量、自动化程度高、检测精度高等优点，它在自动检测技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。

Description

一种透光玻璃光学角偏差的检测方法

(一)技术领域

本发明涉及一种透光玻璃光学角偏差的检测方法，属于自动检测技术领域。

(二)背景技术

当光通过光学介质时，有多种效应使光线偏离原来应有的传播轨迹。因此当人们透过产生上述现象的光学介质去观察物体时，会感觉到被观察物体图像发生了变化。描述影响光线传播的参数包括光学角偏差、光线的平移、光畸变、清晰度、光透射比和色度等。光学角偏差是描述光线通过透明材料后所引起的光线传播方向变化的物理量，是评价透明材料的重要光学参数之一。对于汽车、飞机等交通工具来说，驾驶舱挡风玻璃是驾驶员观察外部环境的中介物，其光学质量的好坏直接影响驾驶员对外部环境的判断。如果透光玻璃的光学角偏差过大，景物变形严重，容易导致驾驶员驾驶疲劳和定位错误，严重的还会导致交通事故的发生。因此，精确测定透光玻璃的光学角偏差对透光玻璃的质量检验和制造显得极其重要。

检索我国国家标准《汽车安全玻璃试验方法》(GB/T5137.2-2002)、国家军用标准《飞机夹层玻璃通用试验方法》(国军标GJB50388)，发现通常使用的角偏差检测方法包括：投影测量法、准直望远镜测量法等。投影测量法是用投影仪将一组刻线投影到屏幕上，通过对比安装透镜前后刻线位置变化得到角偏差，此方法只能达到分级的精度；准直望远镜测量法，是由准直镜出射一束平行光，经透光玻璃后进入一个望远镜***，通过读取望远镜刻度板的值得到光束的角偏差，此方法可以达到秒级的精度。但是这些方法都属于单点测量方法，存在测试数据费时费力、测量精度和效率较低的缺点。本专利申请是基于图像处理技术提出了一种全视场检测角偏差的方法。通过两次拍照获得数码相片，然后使用该方法，即可获得透光玻璃全视场范围内的光学畸变角偏差分布情况和数值大小，具有全视区测量、自动化程度高、检测精度高等优点，能够实现单块玻璃检测时间小于15分钟。

(三)发明内容

(1)目的：本发明的目的在于提供一种透光玻璃光学角偏差的检测方法，它是一种具有全视场、高精度、自动化、高效率的透光玻璃光学角偏差检测方法。

(2)技术方案

本发明一种透光玻璃光学角偏差的检测方法，其流程框图见图2所示，该方法具体步骤如下：

步骤一：获取基准图像和畸变图像。图像采集部分如图1所示。使用数码单反相机B，在特定位置上采用固定拍摄参数分别直接和透过待测试透光玻璃D拍摄标准测试图G，得到数字化形式的基准图像1(图2)和畸变图像3(图2)，基准图像1和畸变图像3的数学表达为I(x，y)和J(x，y)，其中x，y分别是数码相机CCD芯片上的水平和垂直坐标，I(x，y)和J(x，y)为二维灰度矩阵，每个点的值代表图像的灰度(灰度越大颜色越深，灰度越小颜色越浅)，该矩阵的大小与相机的分辨率相同。使用二维坐标(x_i，y_j)表示CCD平面上的任意像素单元。

步骤一的实施条件是：1)选取适用的高分辨率数码单反相机及配套镜头；2)两次拍照时数码单反相机和标准测试图的空间位置关系不发生改变；3)两次拍照时的环境光照条件不发生改变，选择明亮光线充足的光照环境。

步骤二：对标准网格图进行放大率标定。数码相机拍摄的照片以像素为长度单位，而实际玻璃的尺寸以厘米、米等为长度单位(本专利申请以厘米为单位)。为了从照片上准确量度出玻璃表面的位置信息，需要获得从照片像素到物理长度的映射函数。本专利申请使用双线性映射函数，其数学形式为：

x_real＝a₁x_pix+b₁y_pix+c₁

y_real＝a₂x_pix+b₂y_pix+c₂                        (a)

其中，(x_pix，y_pix)是数码相片上任意二维空间点的像素坐标，以像素为单位；(x_real，y_real)是该点映射到玻璃表面的实际物理坐标，以厘米为单位；a₁、b₁、c₁和a₂ b₂、c₂是待求的映射系数(或称标定系数)。为了获得相机的标定系数，需要在完成步骤一后将标准网格图H放置在与标准测试图像G相同的位置(即图1中的标准测试图和标准网格图的安放区域F)。在数码单反相机B、测试图像支架E相对位置不变的前提下，移除待测透光玻璃D，拍摄一张标准网格图H的照片。标准网格图H上各网格线的空间位置(x_real，y_real)和对应像素点坐标(x_pix，y_pix)精确可知，因此使用基于最小二乘的双线性拟合算法计算得到标定系数。

步骤二的实施条件是：保证步骤一的实施条件不变，用标准网格图像(H)取代标准测试图(G)。

步骤三：运用光学流动法计算从基准图像到畸变图像的变形场。计算流程如图2所示。透光玻璃存在光学畸变场真值2，该变形场为矢量场，可分解为水平分量u(x，y)(以像素为单位)和垂直分量v(x，y)(以像素为单位)，畸变图像3正是基准图像1叠加上该光学畸变场真值2的结果，叠加公式为：

J(x_i，y_j)＝I(x_i+u(x_i，y_j)，y_j+v(x_i，y_j))。

对于待测试玻璃而言，该光学畸变场真值2未知，因此使用金字塔迭代式光学流动法(已另申请专利)计算从基准图像1到畸变图像3的变形场u′(x，y)(以像素为单位)和v′(x，y)(以像素为单位)。给定光流层数、迭代次数、窗格形状、误差容限等计算参数，得到该光学畸变场计算值4。该光学畸变场计算值4是光学畸变场真值2的有效近似。计算流程如图2所示。

步骤三的实施条件是：1)标准测试图(G)包含丰富的灰度级明暗细节变化；2)根据实际变形场的特征调整金字塔迭代式光学流动法的计算参数。

步骤四：通过变形场计算光学角偏差。在步骤二中已得到畸变图像3的有效近似变形场u′(x，y)(以像素为单位)和v′(x，y)(以像素为单位)，通过步骤二标定的放大率系数将其转换成到真实的物理空间为u_real′(x，y)(本专利申请以厘米为单位)，v_real′(x，y)(本专利申请以厘米为单位)。根据公式：

可计算出每一个点的光学角偏差。其中D代表图1中的L1，即待测透光玻璃与标准测试图和标准网格图的安放区域之间的距离。u_real′(x，y)、v_real′(x，y)代表真实空间中的水平和垂直变形量，tan^-1代表反正切函数。

步骤五：对光学角偏差进行统计分析。得到全视场的光学角偏差为一二维矩阵，每一点的值代表该点的光学角偏差。对该矩阵进行统计分析可以求得平均角偏差、最大角偏差、最小角偏差以及各个点的光学角偏差，便于透光玻璃全视区范围内角偏差整体大小的评估。上述各步骤中，步骤一的实施条件是：1)选取合适的高分辨率数码单反相机及配套镜头，镜头具有较好的光学素质；2)两次拍照时相机和标准测试图的空间位置关系不发生改变；3)两次拍照时的环境光照条件不发生改变，选择明亮光线充足的光照环境。

步骤二的实施条件是：保证步骤一的实施条件不变，用标准网格图H像取代标准测试图G。步骤三的实施条件是：1)标准测试图包含丰富的灰度级明暗细节变化；2)根据实际变形场的特征调整金字塔迭代式光学流动法(已另申请专利)的计算参数。

(3)优点及功效

本发明基于数字图像处理技术，结合光学流动法，可获得透光玻璃全视场范围内的光学畸变角偏差分布情况和数值大小，具有全视区测量、自动化程度高、检测精度高等优点，能够实现单块玻璃检测时间小于15分钟。相对传统的光学角偏差测量方法，本发明具有很好的优势。

(四)附图说明

图1为图像采集示意图

图2为本发明方法流程图

图3为本发明方法计算得到的光学角偏差计算结果

图1中具体标号如下：

A为三脚架，用于固定数码单反相机B；

B为数码单反相机，用于采集基准图像和畸变图像；

C为透光玻璃支架，用于固定待测透光玻璃D；

D为待测透光玻璃；

E为测试图像支架，用于安放标准测试图像和标准网格图像；

F为标准测试图和标准网格图的安放区域；

G为标准测试图，用于提供待测透光玻璃D光学角偏差的目标物。由于使用金字塔迭代式光学流动方法计算相机拍摄得到的基准图像和畸变图像之间对应位置上的变形量，因此标准测试图G需包含丰富的灰度级明暗变化。

H为标准网格图，用于提供确定相机标定系数的空间位置信息。在白色背景纸上打印上纵横排列成行的黑色直线，组成正交网格，网格线的宽度和相邻直线间距根据实际情况选定。

L1待测透光玻璃D与标准测试图和标准网格图的安放区域F之间的距离。

L2为数码单反相机B与待测透光玻璃D之间的距离。

图2中的符号说明如下：

1-基准图像；2-光学畸变场真值；3-畸变图像；4-光学畸变场计算值；

I(x，y)为基准图像1的二维灰度矩阵表达式；

J(x，y)为畸变图像3的二维灰度矩阵表达式；

u(x，y)为水平方向光学畸变场真值2的二维矩阵表达式；

v(x，y)为垂直方向光学畸变场真值2的二维矩阵表达式；

u′(x，y)为水平方向光学畸变场计算值4的二维矩阵表达式；

v′(x，y)为垂直方向光学畸变场计算值4的二维矩阵表达式；

x，y为数码单反相机CCD芯片上的水平和垂直坐标。

(五)具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本专利申请的技术方案做进一步的说明。

实施例用专利申请涉及的方法检测一块长1.2米、高0.8米、最大曲率半径为5米的座舱风挡玻璃的全视区光学角偏差。

检测过程分别为获取基准图像和畸变图像、对标准网格图进行放大率标定、运用光学流动法计算从基准图像到畸变图像的变形场、通过变形场计算光学角偏差、对光学角偏差进行统计分析五个部分。

本发明一种透光玻璃光学角偏差的检测方法，见图2所示，该方法具体实施步骤如下：

步骤一：获得基准图像和畸变图像。见图1，将待测透光玻璃D以与水平线呈40度夹角的实际安装角安装在透光玻璃支架C上。调整透光玻璃支架C的高度以保证待测透光玻璃D的几何中心与安放区域F的几何中心在同一水平面内，两者的水平方向直线距离L1＝3.048m。选用佳能EOS-550D作为数码单反相机B，该相机配有EF18-55IS变焦镜头和RS-80N3快门线。三脚架A的型号是曼富图055PRO。调整三脚架云台，使数码单反相机B的光学主轴通过待测透光玻璃D的几何中心并垂直于测试图像支架E。数码单反相机B和待测透光玻璃D几何中心的水平距离L2＝2.1336m。设置数码单反相机B的镜头焦距为55mm、感光度为ISO100，使用光圈优先模式，光圈设为f8.0，透过待测透光玻璃D拍测试图像支架E上的标准测试图G，拍摄过程中使用快门线进行对焦和拍摄，得到待测透光玻璃D的畸变图像。其后移开待测透光玻璃D，使用相同的曝光参数组合拍摄标准测试图G，得到基准图像。在整个拍摄过程中，确保数码单反相机B、测试图像支架E和标准测试图G不发生移动。

步骤二：对标准网格图进行放大率标定。在F上安放标准网格图H，该标准网格图的网格线宽度1.0mm、相邻直线间距25.4mm。移开待测透光玻璃D，在数码单反相机B、测试图像支架E相对位置不变的前提下拍摄一张标准网格图照片。选择网格线交点作为计算点，读出交点的真实坐标(以厘米为单位)和像素坐标，按照公式(a)，计算出标定系数a₁、b₁、c₁和a₂、b₂、c₂。在本例中

a₁＝0.083631747023037、b₁＝0、c₁＝0；

a₂＝0、b₂＝0.083631747023037、c₂＝0。

步骤三：运用光学流动法计算从基准图像到畸变图像的变形场。设置计算参数，本例中光流层数为4层，迭代次数为5次，窗格形状为30个像素的高斯窗口，误差容限为10-5，经反复检验，此计算参数组合下，光学流动方法计算得到的光学畸变场计算值与光学畸变场真值之间的误差小于1％，即计算精度大于99％。

步骤四：通过变形场计算光学角偏差。将计算出的变形场带入公式(a)得到以厘米为单位的真实变形场。然后按照公式(b)计算全视场的光学角偏差。计算结果如图3所示。

步骤五：对光学角偏差进行统计分析。得到全视场的光学角偏差后可以求得平均角偏差、最大角偏差、最小角偏差以及各个点的光学角偏差，便于数据分析。该实施例的部分统计结果如下：

平均角偏差：6分38秒；

X坐标：-60.1cm，Y坐标：54.1cm，该点角偏差(最大)：13分24秒；

X坐标：-18.7cm，Y坐标：-38.0cm，该点角偏差(最小)：2分9秒；

最大最小的差值：11分15秒。

Claims (4)

1.一种透光玻璃光学角偏差的检测方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：获取基准图像和畸变图像；使用数码单反相机(B)，在特定位置上采用固定拍摄参数分别直接和透过待测试透光玻璃(D)拍摄标准测试图(G)，得到数字化形式的基准图像(1)和畸变图像(3)，基准图像(1)和畸变图像(3)的数学表达为I(x，y)和J(x，y)，其中x，y分别是数码相机CCD芯片上的水平和垂直坐标，I(x，y)和J(x，y)为二维灰度矩阵，每个点的值代表图像的灰度，灰度越大颜色越深，灰度越小颜色越浅，该矩阵的大小与相机的分辨率相同；使用二维坐标(x_i，y_i)表示CCD平面上的任意像素单元；

步骤二：对标准网格图进行放大率标定；数码相机拍摄的照片以像素为长度单位，而实际玻璃的尺寸以厘米、米为长度单位；为了从照片上准确量度出玻璃表面的位置信息，需要获得从照片像素到物理长度的映射函数，这里使用双线性映射函数，其数学形式为：

x_real＝a₁x_pix+b₁y_pix+c₁

y_real＝a₂x_pix+b₂y_pix+c₂                        (a)

其中，(x_pix，y_pix)是数码相片上任意二维空间点的像素坐标，以像素为单位；(x_real，y_rea1)是该点映射到玻璃表面的实际物理坐标，以厘米为单位；a₁、b₁、c₁和a₂ b₂、c₂是待求的映射系数即标定系数；为了获得相机的标定系数，需要在完成步骤一后将标准网格图(H)放置在与标准测试图像(G)相同的位置(F)处；在数码单反相机(B)、测试图像支架(E)相对位置不变的前提下，移除待测透光玻璃(D)，拍摄一张标准网格图(H)的照片；标准网格图(H)上各网格线的空间位置(x_real，y_real)和对应像素点坐标(x_pix，y_pix)精确可知，因此使用基于最小二乘的双线性拟合算法计算得到标定系数；

步骤三：运用光学流动法计算从基准图像到畸变图像的变形场；透光玻璃存在光学畸变场真值(2)，该变形场为矢量场，可分解为水平分量u(x，y)和垂直分量v(x，y)，畸变图像(3)正是基准图像(1)叠加上该光学畸变场真值(2)的结果，叠加公式为：

J(x_i，y_j)＝I(x_i+u(x_i，y_j)，y_j+v(x_i，y_j))

对于待测试玻璃而言，该光学畸变场真值(2)未知，因此使用金字塔迭代式光学流动法计算从基准图像(1)到畸变图像(3)的变形场u′(x，y)和v′(x，y)；给定光流层数、迭代次数、窗格形状、误差容限计算参数，得到该光学畸变场计算值(4)；该光学畸变场计算值(4)是光学畸变场真值(2)的有效近似；

步骤四：通过变形场计算光学角偏差；在步骤二中已得到畸变图像(3)的有效近似变形场u′(x，y)和v′(x，y)，通过步骤二标定的放大率系数将其转换成到真实的物理空间为u_real′(x，y)，v_real′(x，y)，单位为厘米，根据公式：

可计算出每一个点的光学角偏差，其中(D)为(L1)，即待测透光玻璃与标准测试图和标准网格图的安放区域之间的距离，u_real′(x，y)、v_real′(x，y)代表真实空间中的水平和垂直变形量，tan^-1代表反正切函数；

步骤五：对光学角偏差进行统计分析，得到全视场的光学角偏差为一二维矩阵，每一点的值代表该点的光学角偏差；对该矩阵进行统计分析可以求得平均角偏差、最大角偏差、最小角偏差以及各个点的光学角偏差，便于透光玻璃全视区范围内角偏差整体大小的评估。

2.根据权利要求1所述的一种透光玻璃光学角偏差的检测方法，其特征在于：步骤一的实施条件是：1)选取适用的高分辨率数码单反相机及配套镜头；2)两次拍照时数码单反相机和标准测试图的空间位置关系不发生改变；3)两次拍照时的环境光照条件不发生改变，选择明亮光线充足的光照环境。

3.根据权利要求1所述的一种透光玻璃光学角偏差的检测方法，其特征在于：步骤二的实施条件是：保证步骤一的实施条件不变，用标准网格图像(H)取代标准测试图(G)。

4.根据权利要求1所述的一种透光玻璃光学角偏差的检测方法，其特征在于：步骤三的实施条件是：1)标准测试图(G)包含丰富的灰度级明暗细节变化；2)根据实际变形场的特征调整金字塔迭代式光学流动法的计算参数。

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