一種基于圖像模糊度的平面傾斜度測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種平面傾斜度檢測技術,尤其是涉及一種基于圖像模糊度的平面傾 斜度測量方法。
【背景技術】
[0002] 平面傾斜度測量是角度測量的重要應用方向。隨著生產和科學的不斷發展,平面 的傾斜度測量越來越廣泛地被應用于機械、光學、航空、航天和航海等各個領域。
[0003] 目前,常用沿兩個相互正交方向的傾斜角來定量描述平面傾斜度。然而,由于現有 的傾斜儀的一個共同特點是只能測量一個方向的傾斜角,因此需要兩兩組合才能完整測量 平面的傾斜度。由平面傾斜度的定量描述可知,需要在工裝上保證兩個傾斜儀相互之間正 交,才能準確獲取平面傾斜度,然而保證兩個傾斜儀相互之間正交在精密測量中是非常難 做到的。此外,現有的傾斜儀大多采用重力擺結構,這種結構對測量樣品姿態有一定的要 求,并且擺動結構達到平衡需要一定時間,從而限制了測量速度,在一些自動化實時測量場 合這是無法忍受的。
[0004] 另一種平面傾斜度測量方法是通過重建平面上若干點的三維坐標,使用平面擬合 技術,得到空間平面方程,從而通過計算得出平面沿兩個方向的傾斜角。光學顯微鏡是一種 常用的三維微測量儀器,其可以用來測量平面上點的三維坐標,但是,光學顯微鏡具有視場 小、離焦現象嚴重、景深淺等缺點,直接利用光學顯微鏡不適合用來測量深度差比較大的傾 斜平面,從而難以實現平面傾斜度測量。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是提供一種基于圖像模糊度的平面傾斜度測量方法, 其能夠利用離焦信息獲取傾斜平面上的三維散點的信息,能夠很好地克服光學顯微鏡景深 淺的缺點,從而能夠實現平面傾斜度測量,且其測量過程簡單、測量效率高。
[0006] 本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為:一種基于圖像模糊度的平面傾斜 度測量方法,其特征在于包括以下步驟:
[0007] ①將上表面和下表面均為平面的被測物體放置于光學顯微鏡的升降載物臺上;然 后在被測物體的上表面上放置一塊上表面上陣列有實心圓點的標定板作為測量樣本,其 中,標定板的下表面與被測物體的上表面面接觸,實心圓點的直徑為d毫米,相鄰兩個實心 圓點的中心之間的間距為e毫米,d〈e ;
[0008] ②控制光學顯微鏡的升降載物臺上升和下降,在光學顯微鏡的目鏡觀察到的標定 板圖像最清晰時控制光學顯微鏡的升降載物臺停止升降;然后以Az微米為步長控制光學 顯微鏡的升降載物臺上升Μ次后停止上升,此時光學顯微鏡的升降載物臺已上升ΔζΧΜ 微米,其中,Μ為正整數;接著以Δζ微米為步長控制光學顯微鏡的升降載物臺下降Ν次后 停止下降,并在每次下降后采集一幅光學顯微鏡的目鏡觀察到的標定板圖像,共采集得到Ν 幅標定板圖像,其中,Ν為正整數,N e [2Μ-3, 2Μ+3];
[0009] ③在每幅標定板圖像中劃定一個最大矩形區域作為測量參考區域,所有標定板圖 像中的測量參考區域的尺寸大小相同,所有標定板圖像中的測量參考區域中包含的實心圓 點的總個數相同,且每幅標定板圖像中的測量參考區域中的實心圓點為完整的實心圓點, 每幅標定板圖像中的測量參考區域的每條邊緣與該幅標定板圖像對應的圖像邊界的距離 至少為§毫米;
[0010] ④找出每幅標定板圖像中的測量參考區域中的每個實心圓點的中心;
[0011] ⑤按序疊放所有標定板圖像,并使所有標定板圖像中的測量參考區域對齊;然后 建立三維坐標系,三維坐標系的原點為第一幅標定板圖像中的測量參考區域中的左上角的 實心圓點的中心,三維坐標系的X軸的正方向為指向第一幅標定板圖像中的測量參考區域 中與左上角的實心圓點相鄰的一個實心圓點的中心的方向,三維坐標系的Y軸的正方向為 指向第一幅標定板圖像中的測量參考區域中與左上角的實心圓點相鄰的另一個實心圓點 的中心的方向,三維坐標系的Z軸的正方向為指向與其他標定板圖像垂直的方向,則將采 集第k幅標定板圖像時光學顯微鏡的升降載物臺的高度位置確定為(k-1) X Δ Z ;
[0012] ⑥計算N幅標定板圖像中的測量參考區域中位于同一行同一列的所有實心圓點 的中心在三維坐標系下的X軸方向的坐標位置和Y軸方向的坐標位置,將N幅標定板圖像 中的測量參考區域中位于第i行第j列的所有實心圓點的中心在三維坐標系下的X軸方向 的坐標位置和Y軸方向的坐標位置對應記為Xi,.j和y (i-1) Xe,y (j-1) Xe, 其中,i為正整數,i的初始值為1,1 < i < W,j為正整數,j的初始值為1,1 < j < H,W表 示每幅標定板圖像中的測量參考區域中在寬度方向上包含的實心圓點的總個數,H表示每 幅標定板圖像中的測量參考區域中在高度方向上包含的實心圓點的總個數,即每幅標定板 圖像中的測量參考區域中包含的實心圓點的總個數為WXH,W和Η均為正整數;
[0013] ⑦計算Ν幅標定板圖像中的測量參考區域中位于同一行同一列的所有實心圓點 中的最清晰實心圓點的中心在三維坐標系下的Ζ軸方向的坐標位置,將Ν幅標定板圖像中 的測量參考區域中位于第i行第j列的所有實心圓點中的最清晰實心圓點的中心在三維 坐標系下的Z軸方向的坐標位置記為Zli ],Zli ]的獲取過程為:⑦-1、以每幅標定板圖像中 的測量參考區域中位于第i行第j列的實心圓點的中心為圓心,并以r個像素點為半徑, 劃定圓形區域作為模糊度評價區域,其中,r的取值要求使得模糊度評價區域內僅包含該實 心圓點;⑦-2、利用Tenengrad函數,計算每幅標定板圖像中的測量參考區域中位于第i行 第j列的實心圓點對應的模糊度評價區域的Tenengrad函數值,N個實心圓點共對應N個 Tenengrad函數值,將第k個Tenengrad函數值記為Gk,其中,k為正整數,k的初始值為1, 1 < k < N ;⑦-3、將采集每幅標定板圖像時光學顯微鏡的升降載物臺的高度位置與對應 的Tenengrad函數值組成數據對,將采集第k幅標定板圖像時光學顯微鏡的升降載物臺的 高度位置與Gk組成的數據對記為((k-1) X Az,Gk);然后利用二次多項式曲線擬合函數,對 N個數據對進行二次曲線擬合,得到相應的二次曲線;⑦-4、計算相應的二次曲線中的極值 點的橫坐標;⑦-5、將相應的二次曲線中的極值點的橫坐標作為N幅標定板圖像中的測量 參考區域中位于第i行第j列的所有實心圓點中的最清晰實心圓點的中心在三維坐標系下 的Z軸方向的坐標位置,而得到的在三維坐標系下的Z軸方向的坐標位置對應的實心圓心 即為最清晰實心圓點;
[0014] ⑧將N幅標定板圖像中的測量參考區域中位于同一行同一列的所有實心圓點的 中心在三維坐標系下的X軸方向的坐標位置和Y軸方向的坐標位置及位于同一行同一列的 所有實心圓點中的最清晰實心圓點的中心在三維坐標系下的Z軸方向的坐標位置對應的 一個點作為一個三維散點,共得到WXΗ個三維散點,Xli j、yi, j及z h j對應的三維散點的三維 坐標為;然后利用平面擬合函數,對得到的WXH個三維散點進行平面擬合, 得到相應的空間平面方程z = bi+bjjX+t^y,其中,z表示空間平面上的點在Z軸方向的坐標 位置,X表示空間平面上的點在X軸方向的坐標位置,y表示空間平面上的點在Y軸方向的 坐標位置,bp 132和b 3均為系數;
[0015] ⑨計算被測物體的上表面沿三維坐標系下的X軸方向的傾斜角和沿三維坐標系 下的Y軸方向的傾斜角,對應記為9丨和Θ 2,QiZtan Yl/b;;),02=tan WbJ,其中, tan 為求反正切函數。
[0016] 所述的步驟①中的標定板的上表面上橫向陣列有至少100個實心圓點且縱向也 陣列有至少100個實心圓點。
[0017] 所述的步驟①中的d的取值范圍為0. 02~0. 03毫米,e的取值范圍為0. 08~ 0. 12毫米。
[0018] 所述的步驟②中的Δ z的取值范圍為1. 8~2. 2微米,M e [50, 100]。
[0019] 所述的步驟②中光學顯微鏡的目鏡觀察到的標定板圖像的采集采用攝像機,攝像 機對準光學顯微鏡的目鏡。
[0020] 所述的步驟④的具體過程為:④-1、對每幅標定板圖像中的測量參考區域中的每 個實心圓點進行二值化處理,得到每幅標定板圖像中的測量參考區域中的每個實心圓點的 二值化圖像;④_2、采用連通區域標記算法,提取出每幅標定板圖像中的測量參考區域中 的每個實心圓點的二值化圖像的中心像素點及其在對應的標定板圖像中的坐標位置,并作 為相應的實心圓點的中心及其在對應的標定板圖像中的坐標位置。
[0021] 所述的步驟⑤中三維坐標系的X軸的正方向為指向第一幅標定板圖像中的測量 參考區域中與左上角的實心圓點右相鄰的實心圓點的中心的方向,三維坐標系的Y軸的正 方向為指向第一幅標定板圖像中的測量參考區域中與左上角的實心圓點下相鄰的實心圓 點的中心的方向。
[0022] 與現有技術相比,本發明的優點在于:
[0023] 1)本發明方法為非接觸式測量方法,其所使用的測量裝置僅需要光學顯微鏡的升 降載物臺和目鏡及標定板,結構簡單,并且對所使用的測量裝置中的各個部件之間的位置 關系沒有嚴格工裝要求,使得本發明方法應用起來十分便捷。
[0024] 2)本發明方法通過利用離焦信息(即Tenengrad函數值)獲取傾斜平面上的三維 散點的三維