下視系統(tǒng)靶面誤差技術(shù)研究

李禮，王紅

（國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541002）

0 引 言

下視系統(tǒng)由鏡頭、光電模塊和控制模塊等部件組成。由于人工等因素在生產(chǎn)及裝配下視系統(tǒng)部件時(shí)，其靶面與下視系統(tǒng)內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)安裝定位面必然存在誤差，導(dǎo)致地垂點(diǎn)位置未能夠在理想光軸上，也就是地垂點(diǎn)不能夠在成像面的中心，最終導(dǎo)致成像與原像存在誤差，該誤差就是所謂的靶面安裝誤差。下視系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離工作時(shí)，其安裝誤差是否能夠在合適的范圍內(nèi)將直接影響圖像采集的精度。由于下視系統(tǒng)一般高空作業(yè)，所以它的工作距離非常大，最終的結(jié)果就是微小的誤差都可能被無(wú)限放大，非常影響工作精度。因此下視系統(tǒng)在裝配出廠前都會(huì)對(duì)誤差進(jìn)行測(cè)試標(biāo)校，盡可能的通過(guò)提高加工框架精度、裝配精度等物理手段和軟件手段使其安裝誤差在可接受范圍內(nèi)。

下視系統(tǒng)中任何誤差對(duì)采集的圖像的影響都將最終表現(xiàn)在像差上。通過(guò)結(jié)合實(shí)際加工和裝配情況，理論推導(dǎo)誤差模型及考慮在實(shí)際加工裝配時(shí)所可能產(chǎn)生的靶面安裝誤差影響因素，得到綜合考慮靶面指向安裝誤差以及判斷依據(jù)，并通過(guò)軟件剪切手段進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試測(cè)試將地垂點(diǎn)移到成像中心，使成像面處于中心位置。

下視系統(tǒng)成像模型為小孔成像，坐標(biāo)系有三大系：即世界坐標(biāo)系、下視系統(tǒng)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 下視系統(tǒng)測(cè)量常用坐標(biāo)系及理想下視系統(tǒng)成像模型

記空間點(diǎn)在世界坐標(biāo)系和下視系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為（，，）、=（X，Y，Z），其投影圖像坐標(biāo)為=（，），圖像主點(diǎn)為（C，C），等效焦距為（F，F），則理想下視系統(tǒng)成像共線方程為：

1 裝配誤差模型

1.1 下視系統(tǒng)誤差分析

在生產(chǎn)下視系統(tǒng)時(shí)，一般情況下能夠優(yōu)化的是系統(tǒng)誤差，因?yàn)樵撜`差可以通過(guò)各種技術(shù)手段進(jìn)行無(wú)限的降低，從而達(dá)到理想情況。但是隨機(jī)誤差是消除不了的，因?yàn)樗鼤?huì)隨環(huán)境的改變發(fā)生變化。因此在工程上會(huì)通過(guò)固定好的技術(shù)流程進(jìn)行系統(tǒng)誤差的修正。

下視系統(tǒng)靶面安裝誤差包括相對(duì)安裝位置誤差和相對(duì)指向安裝誤差。相對(duì)安裝位置誤差主要就是指各個(gè)部件在裝配時(shí)它們之間的相對(duì)固定距離，也就是所謂的下視系統(tǒng)的內(nèi)參，因此下視系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間的相對(duì)位置的安裝精度直接影響到采集圖像的質(zhì)量，故在裝配時(shí)需對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和修訂。通常情況下下視系統(tǒng)光軸與機(jī)械結(jié)構(gòu)Z 軸相同，而當(dāng)在裝配過(guò)程中光電模塊未能夠與所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)達(dá)到平行吻合，也就是機(jī)械結(jié)構(gòu)的中心軸未能夠與鏡頭的光軸重合，結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致光軸與像面不垂直，即地垂點(diǎn)未能夠在所設(shè)計(jì)的像面中心。當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離工作時(shí)，所采集的圖像就會(huì)發(fā)生偏移，導(dǎo)致圖像發(fā)生誤差，質(zhì)量嚴(yán)重降低，最終影響匹配精度。

1.2 靶面指向安裝誤差模型

下視系統(tǒng)靶面指向安裝誤差是指下視系統(tǒng)光電模塊的光敏面與所配套的鏡頭模塊光軸相互不垂直所造成，也就是地垂點(diǎn)未達(dá)到理想值。如圖2所示為下視系統(tǒng)靶面指向安裝誤差示意圖。

圖2 下視系統(tǒng)靶面指向安裝誤差示意圖

系與實(shí)際下視系統(tǒng)坐標(biāo)系間的偏差用歐拉角表示為=（，，），依次為繞相應(yīng)xyz軸的旋轉(zhuǎn)角度；空間點(diǎn)理想坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)間的偏差為（dX，dX，dZ），則有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系：

式中R（）、R（）、R（）表示旋轉(zhuǎn)矩陣，考慮到指向安裝誤差為小量，則有：

忽略二階小量，化簡(jiǎn)（3）式得到：

移項(xiàng)得到：

對(duì)共線方程（1）式兩邊求全微分，化簡(jiǎn)得到：

將（5）式帶入（6）式得到：

將（1）式右邊代入（7）式得到指向安裝誤差模型：

根據(jù)（1）式和（8）式則可得到下視系統(tǒng)非線性成像模型即考慮靶面安裝誤差的成像模型：

2 調(diào)試方法研究

2.1 硬件誤差分析及調(diào)試

因?yàn)橛屑庸?、安裝誤差，所以光心坐標(biāo)會(huì)有偏差。故需要先排除加工、安裝所帶來(lái)的誤差。具體確定步驟分為兩步：

（1）首先將多目標(biāo)準(zhǔn)直儀固定在兩軸或者三軸平移臺(tái)上，三軸平移臺(tái)固定在光學(xué)平臺(tái)（或自制平臺(tái)）上。

（2）將轉(zhuǎn)臺(tái)與多目標(biāo)準(zhǔn)直儀固定在同一平臺(tái)上，并粗調(diào)整平移臺(tái)，目測(cè)多目標(biāo)準(zhǔn)直儀與轉(zhuǎn)臺(tái)基本在同一水平線上。

（3）將設(shè)計(jì)的工裝固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，并保證兩者接觸緊密，無(wú)松動(dòng)，且要保證在啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和多目標(biāo)準(zhǔn)直儀之前確保所有參數(shù)均符合要求。

（4）在未放產(chǎn)品時(shí)將多目標(biāo)準(zhǔn)直儀的光軸與工裝的中心調(diào)整到同一水平線，之后將校準(zhǔn)后的平面反射鏡粘貼在工裝的表面（工裝表面的平整度為秒級(jí)別），利用多目標(biāo)準(zhǔn)直儀發(fā)出十字準(zhǔn)直光束，光束照射到反射鏡后返回，被準(zhǔn)直儀上的探測(cè)器探測(cè)到并沒(méi)有角度產(chǎn)生，也就是出射光線與反射光線重合，這樣做的目的是保證多目標(biāo)準(zhǔn)直儀的光軸與工裝的基準(zhǔn)面垂直。

（5）將鏡頭和光電模塊安裝到專(zhuān)用調(diào)整臺(tái)上，保證產(chǎn)品與工裝的基準(zhǔn)面相互平行。通過(guò)多目標(biāo)準(zhǔn)直儀調(diào)整專(zhuān)用調(diào)整臺(tái)，并且使其與基準(zhǔn)面垂直。多目標(biāo)準(zhǔn)直儀的光軸與鏡頭的光軸基本同軸。在室內(nèi)照度小于0.1lx 條件下下視系統(tǒng)開(kāi)始工作，如果環(huán)境光照太強(qiáng)，需調(diào)整曝光度，改變?cè)鲆嬷嫡{(diào)整到合適值后采集圖像，圖像中心可看到一小亮斑，即為光心位置。

（6）將采集的圖像進(jìn)行坐標(biāo)值讀取得到光學(xué)坐標(biāo)值。

（7）將坐標(biāo)值帶入公式中進(jìn)行修正。

（8）光心的理想坐標(biāo)即為成像面的中心坐標(biāo)，因?yàn)橛屑庸ぁ惭b誤差，所以坐標(biāo)有偏離。通過(guò)改變幾個(gè)角度位置信息得到單軸伺服機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸與基準(zhǔn)面的垂直度誤差和光心坐標(biāo)。伺服機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸與基準(zhǔn)面的垂直度誤差在允許范圍內(nèi)，且通過(guò)調(diào)整下視系統(tǒng)的圖像坐標(biāo)使光心滿足要求。經(jīng)過(guò)調(diào)整下視系統(tǒng)的圖像坐標(biāo)后，光心坐標(biāo)仍然不符合要求，需要將鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)180°重新安裝，確定誤差原因。若光心坐標(biāo)有2～3個(gè)象元的變化，表明鏡頭有加工或者安裝誤差，若偏離量減小，說(shuō)明安裝正確；若轉(zhuǎn)動(dòng)鏡頭后光心坐標(biāo)仍然沒(méi)有變化，說(shuō)明從軸筒到殼體之間工序的加工、裝配超差。

2.2 軟件誤差分析及調(diào)試

為了能夠在裝配下視系統(tǒng)時(shí)使得光電模塊的成像面的像心與鏡頭的光心在一條光軸上，不僅需要通過(guò)硬件調(diào)試裝配，而且需要配合后端處理軟件進(jìn)行調(diào)試。后端圖像處理的目的就是為了讓光心在圖像的中心。目前圖像處理中圖像分割技術(shù)有很多種，本文所用的是剪切圖像處理技術(shù)，通過(guò)對(duì)圖像的剪切，能夠讓最終的成像中心位于光心。剪切原理如圖4所示，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到安裝誤差等因素，故設(shè)計(jì)的光電模塊實(shí)際象元大小為516×516，但在裝配后所使用象元大小為512×512，在安裝調(diào)試時(shí)就會(huì)有4×4 的象元區(qū)域可調(diào)整，如圖中黑色框圖所示。

圖4 確定圖像中心原理

通過(guò)利用算法將處理軟件中的trace（，）坐標(biāo)進(jìn)行特定修改后，圖像最終的成像面將發(fā)生改變，而像心也將發(fā)生改變，如圖紅色點(diǎn)和淺藍(lán)色點(diǎn)所示。當(dāng)把左上角作為原點(diǎn)，為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，那通過(guò)軟件能夠調(diào)整坐標(biāo)為（，）對(duì)應(yīng)（0～3，0～3），中心坐標(biāo)為（256，256）。選取圖像中心算法公式為：

具體實(shí)施方式：

（1）通過(guò)利用圖3所示測(cè)試設(shè)備進(jìn)行像心的測(cè)試。利用硬件調(diào)試步驟，將不裝配殼體組件的光電模塊安裝上鏡頭后，通過(guò)調(diào)試工裝安裝到專(zhuān)用調(diào)整臺(tái)上，通過(guò)分束鏡使得平行光與專(zhuān)用調(diào)整臺(tái)的基準(zhǔn)面垂直，并且平行光與鏡頭的光軸基本同軸。在室內(nèi)照度小于0.1lx 條件下下視系統(tǒng)開(kāi)始工作，如果環(huán)境光照太強(qiáng)，需調(diào)整曝光度，改變?cè)鲆嬷嫡{(diào)整到合適值后采集圖像，圖像中心可看到一小亮斑，即為光心位置。

圖3 測(cè)試設(shè)備布局圖

（2）通過(guò)調(diào)整trace 坐標(biāo)進(jìn)行定位。前文也提到，像心坐標(biāo)的理想值為（256×256），因?yàn)橛屑庸ぐ惭b誤差，所以坐標(biāo)有偏差。通過(guò)三個(gè)角度位置的圖像得到轉(zhuǎn)軸與基準(zhǔn)面的垂直度誤差和像點(diǎn)坐標(biāo)。轉(zhuǎn)軸與基準(zhǔn)面的垂直誤差在允許范圍內(nèi)，且通過(guò)調(diào)整下視系統(tǒng)的圖像坐標(biāo)（trace 坐標(biāo)）使像點(diǎn)坐標(biāo)滿足要求。經(jīng)過(guò)trace 坐標(biāo)調(diào)整像心點(diǎn)坐標(biāo)扔不符合要求，需要將鏡頭轉(zhuǎn)180°重新安裝，確定誤差原因：若像心點(diǎn)坐標(biāo)有2～3 個(gè)像元的變化，表明鏡頭有加工或安裝誤差；偏離量減小為正確安裝；若像心點(diǎn)坐標(biāo)沒(méi)有變化，表明從軸筒到殼體之間工序的加工、裝配超差。

3 結(jié) 論

由于工藝水平的限制，下視系統(tǒng)靶面不可避免地存在鏡頭和光電模塊的位置安裝誤差和指向安裝誤差，為了消除靶面裝配誤差的影響，通過(guò)結(jié)合實(shí)際加工和裝配情況，理論推導(dǎo)誤差模型及考慮在實(shí)際加工裝配時(shí)所可能產(chǎn)生的靶面安裝誤差影響因素，得到綜合考慮靶面指向安裝誤差以及判斷依據(jù)。通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)以及利用后端處理軟件，能夠非常便捷的實(shí)現(xiàn)軟硬件的調(diào)試，為下視系統(tǒng)的流水線生成提供了非常好的調(diào)試方案。