专利名称：一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪的制作方法
技术领域：
一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪(-)技术领域[0001]本实用新型涉及一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪，它是一种高效数字化检测透光玻璃光学畸变装置，属于自动检测技术领域。背景技术：
[0002]光学畸变是指由透明件(通常指玻璃)不均勻性引起的光学角度偏差的变化率。 光学畸变产生的原因是玻璃由于工艺、材料、镀膜、曲率等因素造成表面折射率的分布非均勻，使通过的光线产生偏离，从而使透过玻璃观察到的物像变形。对于汽车、飞机等交通工具来说，驾驶舱挡风玻璃作为驾驶员观察舱外环境的中介物，其光学质量直接影响到驾驶员对舱外状况的判断。如果透光玻璃的光学畸变程度较大，则易使驾驶员的眼睛产生疲劳， 导致交通事故的发生。因此对透光玻璃的光学畸变进行检测成为非常重要的工作。[0003]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)和航空工业标准《透明件光学畸变试验方法》(HB7398. 1-96)，发现通常使用的畸变检测方法包括投影(线)测量法、投影(逐点) 测量法、网格板测量法等。其中，网格板测量法因其测试方法直观、操作步骤简单、对测试仪器要求不高等因素而被广为采用。传统的网格板测量法使用胶片相机拍摄透过玻璃试件看到的正交网格板图像，将胶片冲洗放大后由人工判读网格线变形程度，从而确定光学畸变， 存在着测试数据费时费力、精度和效率较低的缺点，检测一块透光玻璃往往需要一天以上的时间。本实用新型基于网格板测量法的基本思想，但使用全新的计算机数字图像处理技术，通过两次拍照获得数码相片、使用自行开发的后处理软件自动处理，即可获得透光玻璃全视场范围内的光学畸变分布情况和数值大�。哂腥忧饬�、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)实用新型内容[0004](1)目的[0005]本实用新型的目的在于提供一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪，它可完全替代国军标GJB503-88和航空工业标准HB7398. 1-96中的网格板测量方法，并基于该方法设计了一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪，用以实现透光玻璃全视区范围内光学畸变的高精度快速检测。[0006](2)技术方案[0007]1、本实用新型一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪，该检测仪由硬件部分和软件部分组成。硬件部分是包括专用计算机G和数码单反相机E在内的数字化照相装置，以实现图像的采集、存储和处理。软件部分主要指本实用新型自带专用软件 “OpticalDistortion”，本实用新型的所有方法均在该软件中实现。[0008]所述硬件部分即数字化照相装置，如图5所示，它包括A-标定板；B-标准测试图；C-标准网格图；D-测试支架；E-数码单反相机；F-三脚架；G-专用计算机；H-待测试玻璃试件。它们之间的位置连接关系是标准测试图B和标准网格图C分别粘贴于标定板 A的正面和背面；待测试玻璃试件H安装于测试支架D上，通过调整测试支架D的高度保证待测试玻璃试件H与标定板A的几何中心在同一水平面内，其直线距离Ll需精确测定；数码单反相机E由三脚架F支撑，置于待测试玻璃试件H的正后方，通过三脚架F上的两方向水平仪调整数码单反相机E的姿态，以保证其光学主轴通过待测试玻璃试件H的几何中心并垂直于标定板A，数码单反相机E与待测试玻璃试件H的几何中心水平距离L2需精确测定；数码单反相机E与专用计算机G通过相机自带数据线连接。[0009]该标定板A置于铝合金支架之上，可水平移动和前后翻转。标定板A正面贴有标准测试图B，背面贴有标准网格图C。[0010]该标准测试图B用于提供待测试玻璃光学畸变的目标物。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，因此标准测试图需包含丰富的灰度级明暗变化。[0011]该标准网格图C用于提供确定相机标定系数的空间位置信息。遵循国军标 GJB503-88的规定，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。[0012]该测试支架D是金属结构支架，用于以实际安装角支撑、固定待测试光学玻璃试件。支架的外形和尺寸与待测试玻璃的实际安装框架一致，可沿水平、垂直方向移动，自身刚度足够大，确保安装待测试玻璃后不发生明显变形。[0013]该数码单反相机E配有高素质变焦镜头和快门控制线，并通过数据线与专用计算机G连接，拍摄图像直接传输至计算机G进行后处理。[0014]该三脚架F是稳重、坚固的金属结构架，为数码单反相机E提供有效支撑，云台上配有两方向水平仪，便于调整相机水平。[0015]该专用计算机G安装有数码单反相机控制软件、专用检测软件 “OpticalDistortion”及软件运行环境，并配有激光打印机用于打印测试报告。[0016]所述软件部分即“Optical Distortion”软件，它是本实用新型专用自带的专用软件，该软件包含了标定�？镮、变形计算�？镮I、光学畸变评估�？镮II、变形计算参数校验�？镮V和检测报告�？閂等五大功能�？椋涔ぷ髁鞒碳�6。通过标定�？镮从标准网格图获得标定系数，作为输入变量供变形计算�？镮I和光学畸变评估�？镮II调用。变形计算参数校验�？镮V根据图像质量、最大变形程度等实际情况确认光流层数、迭代次数、 窗格形状及误差容限等计算参数，并通过蒙特卡洛模拟法确保变形场计算精度大于99%。 变形计算�？棣耙谰莶街枞姆椒ǎ褂镁啡系募扑悴问扑愦踊纪枷竦交渫枷竦谋湫纬 Ｆ浜蠊庋Щ淦拦滥？镮II依据步骤四-步骤六，由变形场计算得到光学畸变极值点分布和光学畸变概率密度分布，并作为输入参数传递给检测报告�？閂，最后自动生成试件的检测报告。[0017]其中，该标定板A的长度为2米、高为1.8米。[0018]2、一种透光玻璃光学畸变数字化检测方法，该方法具体实施步骤如下[0019]步骤一获取基准图像和畸变图像。如图5所示。使用数码单反相机E，在预定位置上采用固定拍摄参数分别直接和透过待测试玻璃试件H拍摄标准测试图B，得到数字化形式的基准图像1和畸变图像3(图1)。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χ，y分别是数码单反相机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(Xi，&)表示CXD平面上的任意像素单兀。[0020]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；幻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；幻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。[0021]步骤二 对标准网格图进行放大率标定。数码单反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[0022]Xreal = aiXp^+biYp^+C![0023]yreal = a2xpix+b2ypix+c2(a)[0024]其中，(Xpix，ypix)是数码相片上任意二维空间点的像素坐标，以像素为单位；(xMal， Yreal)是该点映射到玻璃表面的实际物理坐标，以厘米为单位；％、b” C1和a2、b2、C2是待求的映射系数(或称标定系数)。为了获得数码单反相机的标定系数，需要在完成步骤一以后后翻转标定板A，将标定板背面的标准网格图C前置，在数码单反相机E、标定板A相对位置不变的前提下拍摄一张标准网格图C的照片。标准网格图C上各网格线的空间位置(xMal， yreal)和对应像素点坐标Upix，ypix)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。本步骤可由本实用新型自带软件“OpticalDistortion”包含的“放大率标定”�？槭迪�。标定系数只与数码单反相机和标定板的相对位置有关，因此当检测多块座舱玻璃时，如果能够保证检测过程中数码单反相机、标定板的相对位置不变，则可以只进行一次放大率标定。[0025]步骤二的实施条件是保证步骤1的实施条件不变，用标准网格图C像取代标准测试图B。[0026]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�。煞纸馕椒至縰 (x，y)(以像素为单位)和垂直分量ν (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[0027]J (Xi，Yj) = I (Xi+u (Xi，Yj)，yj+v (Xi，Yj))。[0028]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ν' (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。在实际的计算中需要用到本实用新型自带软件 "OpticalDistortion".由变形计算参数校验�？镮V检验所给参数是否合理，保证光学畸变场计算值4是光学畸变场真值2的有效近似，然后运用变形计算模块II计算透光玻璃的变形场。[0029]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的计算参数。本实用新型自带专用软件〃 OpticalDistortion"包含了金字塔迭代式光学流动法的计算参数评估功能。在上述两个条件满足的情况下，光学流动法计算变形场的精度大于99%。[0030]步骤四虚拟正交网格变形。专用计算机自动生成由水平线和垂直线组成的虚拟正交网格5，其数学形式为L(x，y)，网格线宽度一个像素，线间距离固定，网格线数可自行在软件中设置，如图2所示。将虚拟正交网格中每一条水平/垂直线叠加由步骤三得到的变形场计算值u' (x，y)和ν' (X，y)，叠加公式为L' (xi yj) = L(Xi+u' (xi Yj), Yj+v' (Xi，y」))。例如图2中水平网格线10叠加上当地变形场后成为变形网格线 11。正交网格的所有网格线均按照上述方式变形，即组成虚拟变形网格6。该步骤由软件 “OpticalDistortion”中的光学畸变评估�？镮II实现。[0031]步骤四的实施条件是选取合适的网格线数，网格线数决定了步骤五-步骤六的光学畸变检测分辨率，分辨率并非越高越好，而应该符合人眼分辨率的极限。[0032]步骤五变形网格线最大斜率搜索。专用计算机自动计算任意网格线上每一像素的斜率，搜索得到最大斜率位置，画出最大斜率处的切线(如图2中最大斜率切线12)，并组成斜率三角形13，用斜率三角形对边与邻边长度的比值表示该条网格线的光学畸变值。该步骤由软件“OpticalDistortion”中的光学畸变评估�？镮II实现。[0033]步骤六全视场光学畸变概率密度统计。软件“OpticalDistortion”自动统计步骤五中得到的每条水平/垂直网格线的光学畸变值，得到虚拟变形网格6的水平方向光学畸变7和垂直方向光学畸变8，给出光学畸变极值点在玻璃表面的分布，并统计全视场范围内光学畸变概率密度分布9。[0034](3)优点及功效本实用新型一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪，它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分布情况和数值大�。哂腥忧饬�、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。相对传统的光学畸变测量方法，本实用新型具有很好的优势。
[0035]图1为数字化光学畸变检测方法的实施流程图；[0036]图2为虚拟正交网格及变形网格线的光学畸变计算示意图；[0037]图3为玻璃表面光学畸变极值点分布示意图；[0038]图4(a)为斜率形式的垂直分量光学畸变分布图；[0039]图4(b)为斜率形式的水平分量光学畸变分布图；[0040]图4(c)为斜率形式的垂直分量光学畸变概率分布图；[0041]图4(d)为为斜率形式的水平分量光学畸变概率分布图；[0042]图5为本实用新型一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪结构示意图；[0043]图 6 为软件 “OpticalDistortion” 流程图。[0044]图1中具体标号如下[0045]1-基准图像；2-光学畸变场真值2 ；3-畸变图像；4-光学畸变场计算值；5_虚拟正交网格；6-虚拟变形网格；7-水平方向光学畸变；8-垂直方向光学畸变；9-全视区光学畸变概率密度分布。[0046]I (x, y)为基准图像1的二维灰度矩阵表达式；[0047]J(x, y)为畸变图像3的二维灰度矩阵表达式；[0048]u (x, y)为水平方向光学畸变场真值2的二维矩阵表达式；[0049]ν (x, y)为垂直方向光学畸变场真值2的二维矩阵表达式；[0050]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；[0051]ν' (x, y)为垂直方向光学畸变场计算值4的二维矩阵表达式；[0052]χ, y为数码单反相机CXD芯片上的水平和垂直坐标。[0053]图2中具体标号如下[0054]10-水平网格线；11-变形网格线；12-最大斜率切线；13-斜率三角形。[0055]图5中具体标号如下[0056]A-标定板；B-标准测试图；C-标准网格图；D-测试支架；E-数码单反相机；F-三脚架；G-专用计算机；H-待测试玻璃试件。
具体实施方式
[0057]
以下结合附图及实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的说明。[0058]见图5、图6，本实用新型一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪，该检测仪由硬件部分和软件部分组成。硬件部分是包括专用计算机G和数码单反相机E在内的数字化照相装置，以实现图像的采集、存储和处理。软件部分主要指本实用新型自带专用软件“OpticalDistortion”，该软件包含了标定�？镮、变形计算�？镮I、光学畸变评估�？� III、变形计算参数校验�？镮V和检测报告模块V等五大功能模块，其工作流程见图6。[0059]所述硬件部分即数字化照相装置如图5所示，它包括A-标定板；B-标准测试图； C-标准网格图；D-测试支架；E-数码单反相机；F-三脚架；G-专用计算机；H-待测试玻璃试件。它们之间的位置连接关系是标准测试图B和标准网格图C分别粘贴于标定板A的正面和背面；待测试玻璃试件H安装于测试支架D上，通过调整测试支架D的高度保证待测试玻璃试件H与标定板A的几何中心在同一水平面内，其直线距离Ll需精确测定；数码单反相机E由三脚架F支撑，置于待测试玻璃试件H的正后方，通过三脚架F上的两方向水平仪调整数码单反相机E的姿态，以保证其光学主轴通过待测试玻璃试件H的几何中心并垂直于标定板A，数码单反相机E与待测试玻璃试件H的几何中心水平距离L2需精确测定； 数码单反相机E与专用计算机G通过相机自带数据线连接。[0060]实施例用本实用新型检测一块长1.2米、高0.8米、具有较大曲面的座舱风挡玻璃的全视区光学畸变。[0061]检验过程分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、虚拟正交网格变形、变形网格线的最大斜率搜索、全视场光学畸变概率密度统计等主要步骤。[0062]见图1，一种透光玻璃光学畸变数字化检测方法，该方法具体实施步骤如下[0063]步骤一获取基准图像和畸变图像。将待测试玻璃试件H以与水平线呈40度夹角的实际安装角安装在测试支架D上。调整测试支架D的高度以保证待测试玻璃试件H的几何中心与标定板A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E0S-550D作为拍摄数码单反相机E，该相机配有EF18-55IS变焦镜头和RS-80N3快门线。三脚架F的型号是曼富图055PR0。调整三脚架云台，使数码单反相机E的光学主轴通过待测试玻璃试件H的几何中心并垂直于标定板A。数码单反相机E和待测试玻璃试件 H几何中心的水平距离L2 = 2. 1336m。设置数码单反相机E的镜头焦距为55mm、感光度为 IS0100,使用光圈优先模式，光圈设为f8. 0，透过待测试玻璃试件H拍摄标定板A上的标准测试图B，拍摄过程中使用快门线进行对焦和拍摄，得到待测试玻璃试件H的畸变图像。其后移开待测试玻璃试件H，使用相同的曝光参数组合拍摄标准网格图C，得到基准图像。在整个拍摄过程中，确保数码单反相机E、标定板A和标准测试图B不发生移动。[0064]步骤二 对标准网格图C进行放大率标定。翻转标定板A，将标定板背面的标准网格图C前置，该标准网格图C的网格线宽度1. 0mm、相邻直线间距25. 4mm。移开待测试玻璃试件H，在数码单反相机E、标定板A相对位置不变的前提下拍摄一张标准网格图C照片。将图像导入软件“OpticalDistortion”，输入网格线交点的真实坐标(以厘米为单位)和像素坐标，按照公式(a)，计算出标定系数^ipbpc1和 、132、￡2。在本例中[0065]B1 = 0. 083631747023037、Id1 = 0、C1 = 0 ；[0066]a2 = O^b2 = 0. 083631747023037、C2 = 0。[0067]步骤三运用光学流动法计算从基准图像1到畸变图像3的变形场。使用数据线将步骤一和步骤二得到的基准图像1、畸变图像3和标准网格图C传输至专用计算机G。打开软件“OpticalDistortion”，使用变形计算参数校验�？镮V确认光流层数、迭代次数、窗格形状及误差容限等计算参数。在本例中，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，经蒙特卡洛模拟法检验，此计算参数组合下，光学流动方法计算得到的变形场计算值与真实值之间的误差小于1%，即计算精度大于99%。确定上述计算参数之后，调用变形计算�？镮I计算从基准图像1到畸变图像3的变形场。[0068]步骤四虚拟正交网格变形。进入软件“OpticalDistortion”的光学畸变评估�？� III，[0069]输入网格线的数目，程序将按照技术方案中步骤四的方法，生成变形后的网格。[0070]步骤五变形网格线的最大斜率搜索。完成步骤四后，程序自动计算任意网格线上每一像素的斜率，搜索得到最大斜率位置，画出最大斜率处的切线(如图2中最大斜率切线 12)，并组成斜率三角形13，用斜率三角形对边与邻边长度的比值表示该条网格线的光学畸变值。[0071]步骤六全视场光学畸变概率密度统计。软件“OpticalDistortion”自动统计步骤五中得到的每条水平/垂直网格线的光学畸变值，得到虚拟变形网格6的水平方向光学畸变7和垂直方向光学畸变8，给出光学畸变极值点在玻璃表面的分布，该实例中如图3所示，并统计全视场范围内光学畸变概率密度分布9，该实例中如图4(a)-(d)所示。
权利要求1.一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪，该检测仪由硬件部分和软件部分组成，其特征在于其硬件部分是包括专用电脑(G)和数码单反相机(E)在内的数字化照相装置，该数字化照相装置，它包括标定板(A)、标准测试图(B)、标准网格图(C)、测试支架(D)、数码单反相机(E)、三脚架(F)、专用计算机(G)及待测试玻璃试(H)件；其中，标准测试图(B)和标准网格图(C)分别粘贴于标定板(A)的正面和背面，待测试玻璃试件(H)安装于测试支架(D)上，通过调整测试支架(D)的高度保证待测试玻璃试件(H)与标定板(A)的几何中心在同一水平面内；数码单反相机(E)由三脚架(F)支撑，置于待测试玻璃试件(H)的正后方，通过三脚架(F)上的两方向水平仪调整数码单反相机(E)的姿态，以保证其光学主轴通过待测试玻璃试件(H)的几何中心并垂直于标定板(A)；数码单反相机(E)与专用计算机 (G)通过相机自带数据线连接；该标定板(A)置于铝合金支架之上；标定板(A)正面贴有标准测试图(B)，背面贴有标准网格图(C)；该标准测试图(B)包含丰富的灰度级明暗变化；该标准网格图(C)是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；该测试支架(D)是金属结构支架，支架的外形和尺寸与待测试玻璃的实际安装框架一致；该数码单反相机(E)配有高素质变焦镜头和快门控制线，并通过数据线与专用计算机 (G)连接，拍摄图像直接传输至专用计算机(G)进行后处理； 该三脚架(F)是金属结构架，云台上配有两方向水平仪； 该专用计算机(G)配有激光打印机。
2.根据权利要求1所述的一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪，其特征在于该标定板㈧的长度为2米、高为1.8米。
专利摘要一种透光玻璃光学畸变数字化检测仪，它由硬件和软件两部分组成；硬件是数字化照相装置，它包括标定板、标准测试图、标准网格图、测试支架、数码单反相机、三脚架、专用计算机和待测试玻璃试件；标准测试图和标准网格图分别粘贴于标定板的正、背面；待测试玻璃试件安装于测试支架上，数码单反相机置于待测试玻璃试件的正后方，通过三脚架上的两方向水平仪调整数码单反相机的姿态，保证其光学主轴通过待测试玻璃试件的几何中心并垂直于标定板，数码单反相机与专用计算机通过相机自带数据线连接；所述软件即自带的专用软件“OpticalDistortion”。本实用新型具有全视区测量、自动化程度高、检测精度高的优点。
文档编号G01M11/02GK202305179SQ20112042550
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者潘翀, 王晋军, 王洪平, 王立峰 申请人:北京航空航天大学
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