诊断设备瞄准微小靶丸的装置和方法

摘要

本发明公开了一种诊断设备瞄准微小靶丸的装置和方法，涉及机器视觉测量技术领域，目的是解决诊断设备瞄准微小靶丸的高精度与造价之间存在矛盾的问题，装置包括光学成像系统、与光学成像系统具有信号传递的图像处理系统，以及设置于靶丸处、其上设置有多条交于靶丸质心且被分为距离已知线段直线的标定板；方法包括确定光学成像系统相距靶丸的距离；标定光学成像系统中的摄像机内外参数；对成像于光学成像系统的靶丸图像，采用亚像素提取方法，精确提取其质心，得到靶丸的三维空间坐标，据此判断探测设备是否高精度瞄准靶丸；如果探测设备未按设定的高精度瞄准靶丸，传递控制参数给诊断平台自动调整姿态，从而实现诊断设备高精度瞄准靶丸的目的。

权利要求

1.诊断设备瞄准微小靶丸的装置，包括设置在诊断设备平台上的探测设备，其特征在于，还包括光学成像系统、与光学成像系统具有信号传递的图像处理系统，以及设置于靶丸处的标定板，其中光学成像系统能够与探测设备同步移动，所述标定板上设置有多条交于靶丸质心的直线，所述直线分为多段已知距离的线段。

2.如权利要求1所述诊断设备瞄准微小靶丸的装置，其特征在于，所述光学成像系统包括长焦光学镜头和CCD成像元件。

3.如权利要求2所述诊断设备瞄准微小靶丸的装置，其特征在于，所述长焦光学镜头和CCD成像元件为一组成像单元，所述装置包括两组成像单元，构成双目CCD成像系统。

4.如权利要求1所述诊断设备瞄准微小靶丸的装置，其特征在于，所述图像处理系统中具有坐标推导模块，通过标定板上直线上各点的三维坐标、各线段的已知距离，推导出靶丸的三维坐标。

5.诊断设备瞄准微小靶丸的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、把靶丸和设置有多条交于靶丸质心直线的标定板设置于靶室的中心位置处； b、根据探测设备与靶丸之间的距离、光学成像系统的镜头焦距，确定安装于诊断平台锥形部位处的光学成像系统相距靶丸的距离； c、利用液晶显示屏产生已知间距的网状方格，利用张正友方法来标定光学成像系统中的摄像机内外参数； d、对成像于光学成像系统的靶丸图像，采用亚像素提取方法，精确提取其质心，得到靶丸的三维空间坐标，据此判断探测设备是否高精度瞄准靶丸； e、如果探测设备未按设定的高精度瞄准靶丸，传递控制参数给诊断平台自动调整姿态，从而实现诊断设备高精度瞄准靶丸的目的。

6.如权利要求5所述诊断设备瞄准微小靶丸的方法，其特征在于，所述步骤c之后还有步骤c0，即调整照明光源，使靶丸和标定板均清晰成像于光学成像系统的视场中。

7.如权利要求5或6所述诊断设备瞄准微小靶丸的方法，其特征在于，所述光学成像系统具有两个长焦光学镜头和与之对应的两个CCD成像元件；所述步骤d中得到靶丸的三维空间坐标的方法是，根据两个CCD成像元件上的靶丸质心的二维坐标和双目视觉方法推导出靶丸的三维空间坐标。

8.如权利要求5或6所述诊断设备瞄准微小靶丸的方法，其特征在于，所述标定板上的直线分为多条已知距离的线段；所述步骤d中得到靶丸的三维空间坐标的方法是，利用标定板上共线的已知距离的线段，采用几何解析法和误差处理方法，得到靶丸的三维空间坐标。

说明书

诊断设备瞄准微小靶丸的装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光核聚变领域的检测装置和方法，主要涉及机器视觉测量技术领域。

[0002] 背景技术

[0003] 对于采用人工方式将探测设备瞄准靶丸的方法在安装调试上存在费力费时、自动化程度不高等缺点，因而在靶场中已不宜采用传统的人工瞄准方法。为便于工程化、自动化和降低运行成本，开发将诊断设备搭载在公共诊断平台上的瞄准技术，达到相关工程技术指标就显得非常重要。

[0004] 诊断设备瞄准微小靶丸的主要方法采用基于机器视觉的检测方法和基于光学的检测方法。采用机器视觉的检测方法涉及摄像机标定方法和空间坐标的测量等技术问题；采用基于光学的检测方法，在诊断平台上搭载两束或多束激光，通过两束激光在靶丸上的位置来判断是否瞄准，该方法的缺点是测量精度差。在摄像机标定方法中，根据标定物的维数，可以分为三维标定、二维标定、一维标定和零维标定（自标定），其中三维标定精度高，缺点是标定装置造价昂贵；二维标定精度较高，方法简便易用。

[0005] 发明内容

[0006] 本发明的目的是解决诊断设备瞄准微小靶丸的高精度与造价之间存在矛盾的问题，提供一种诊断设备瞄准微小靶丸的装置，利用二维标定达到高精度的要求。 [0007] 本发明的另一个目的是利用上述装置使诊断设备瞄准微小靶丸的方法。 [0008] 本发明的目的分别通过下述技术方案来实现：

[0009] 诊断设备瞄准微小靶丸的装置, 包括设置在诊断设备平台上的探测设备，还包括光学成像系统、与光学成像系统具有信号传递的图像处理系统，以及设置于靶丸处的标定板，其中光学成像系统能够与探测设备同步移动。

[0010] 作为本发明的一个实施方式，所述光学成像系统包括长焦光学镜头和CCD成像元件。

[0011] 作为本发明的一个实施方式，所述长焦光学镜头和CCD成像元件为一组成像单元，所述装置包括两组成像单元，构成双目CCD成像系统。

[0012] 作为本发明的一个实施方式，所述标定板上设置有多条交于靶丸质心的直线。 [0013] 作为本发明的一个实施方式，所述直线分为多段已知距离的线段。 [0014] 作为本发明的一个实施方式，所述图像处理系统中具有坐标推导模块，通过标定板上直线上各点的三维坐标、各线段的已知距离，推导出靶丸的三维坐标。 [0015] 诊断设备瞄准微小靶丸的方法，包括如下步骤：

[0016] a.把靶丸和设置有多条交于靶丸质心直线的标定板设置于靶室的中心位置处； [0017] b.根据探测设备与靶丸之间的距离、光学成像系统的镜头焦距，确定安装于诊断平台锥形部位处的光学成像系统相距靶丸的距离；

[0018] c.利用液晶显示屏产生已知间距的网状方格，利用张正友方法来标定光学成像系统中的摄像机内外参数；

[0019] d.对成像于光学成像系统的靶丸图像，采用亚像素提取方法，精确提取其质心，得到靶丸的三维空间坐标，据此判断探测设备是否高精度瞄准靶丸；

[0020] e.如果探测设备未按设定的高精度瞄准靶丸，传递控制参数给诊断平台自动调整姿态，从而实现诊断设备高精度瞄准靶丸的目的。

[0021] 本发明的方法的实施方式之一是，所述步骤c之后还有步骤c0，即调整照明光源，使靶丸和标定板均清晰成像于光学成像系统的视场中。

[0022] 本发明的方法的实施方式之一是，所述光学成像系统具有两个长焦光学镜头和与之对应的两个CCD成像元件；所述步骤d中得到靶丸的三维空间坐标的方法是，根据两个CCD成像元件上的靶丸质心的二维坐标和双目视觉算法推导出靶丸的三维空间坐标。 [0023] 本发明的方法的实施方式之一是，所述标定板上的直线分为多条已知距离的线段；所述步骤d中得到靶丸的三维空间坐标的方法是，利用标定板上共线的已知距离的线段，采用几何解析法和误差处理方法，得到靶丸的三维空间坐标。

[0024] 本发明采用上述结构的装置和/或方法，利用二维标定的方法，造价成本低，瞄准精度高，在三维坐标系统上，两个方向的瞄准精度可以达到±25微米，一个方向的瞄准精度可以达到±100微米。

附图说明

[0025] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

[0026] 图1是本发明中装置的结构及安装示意图；

[0027] 图2是本发明中标定板的结构示意图；

[0028] 图中标号：1是图像处理系统，2是光学长焦镜头，3是CCD成像元件，4是诊断平台，5是探测设备。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

[0030] 如图1，诊断设备瞄准微小靶丸的装置包括设置于诊断平台锥形部位的光学成像系统、与光学成像系统具有信号连接的图像处理系统，以及设置于靶丸处的标定板。其中光学成像系统能够与设置在诊断平台上的探测设备5同步移动。

[0031] 一个实施例中，光学成像系统如图1所示包括两个光学长焦镜头2和分别与之对应的两个CCD成像元件3，光学成像系统安装于诊断平台4的位置根据探测设备1与靶丸之间的距离、光学成像系统的光学长焦镜头2的焦距而确定。

[0032] 如图2所示，标定板上设置有多条交于靶丸质心的直线(如图2中的直线AD1、直线AD2、直线AD3)，每条直线分为距离已知的多条线段(如线段B1C1、C1D1等)。 [0033] 一个实施例中，图像处理系统中具有坐标推导模块，通过标定板上直线上各点的三维坐标、各线段的已知距离，推导出靶丸的三维坐标。图像处理系统主要完成双目CCD摄像机的标定、根据靶丸的二维空间坐标推导出靶丸的三维空间坐标，从而判断探测设备是否瞄准微小靶丸。

[0034] 另一个实施例中，本发明的上述装置还包括光学系统保护装置。 [0035] 利用上述装置使诊断设备瞄准微小靶丸的方法包括如下步骤：

[0036] a.把靶丸和设置有多条交于靶丸质心直线的标定板通过现有的传送机构设置于靶室的中心位置处；

[0037] b.根据探测设备与靶丸之间的距离、光学成像系统的镜头焦距，确定安装于诊断平台锥形部位处的光学成像系统相距靶丸的距离；

[0038] c.利用液晶显示屏产生已知间距的网状方格，利用张正友方法来标定光学成像系统中的摄像机内外参数(即通过在液晶显示屏上绘制15格×15格的棋盘格，调整摄像机和标定液晶显示屏的距离，使得成像清晰。固定立体视觉系统，通过调整液晶显示屏的位置，拍摄5个以上不同方位的液晶显示屏棋盘格相片，利用所获取的照片提取角点的二维坐标通过张正友标定算法求出摄像机的内外参数)；

[0039] c0.调整照明光源，使靶丸和标定板均清晰成像于光学成像系统的视场中。 [0040] d.对成像于光学成像系统的靶丸图像，采用亚像素提取方法，精确提取其质心，得到靶丸的三维空间坐标，据此判断探测设备是否高精度瞄准靶丸；

[0041] e.如果探测设备未按设定的高精度瞄准靶丸，传递控制参数给诊断平台自动调整姿态，从而实现诊断设备高精度瞄准靶丸的目的。

[0042] 目前亚像素提取质心定位方法主要有空间矩方法、拟合法、数字相关法、基于阶跃模型的边缘检测等。矩方法主要应用于圆、椭圆和矩形等中心对称目标以及边缘和角点等目标的亚像素定位中；基于最小二乘法的拟合法主要适用于目标特性满足已知或假定函数形式，拟合法具有良好的抗噪声的特点；而相关法精度受模板和相关运算选取的影响。在众多的亚像素提取方法中，空间矩方法以其精度高、计算过程相对简单、不受数据加性和乘性因素的影响等诸多优点，在现代高精度图像测量系统中得到了广泛的应用。本实施例中采用基于空间矩的方法进行亚像素提取质心。

[0043] 一个实施例中，上述光学成像系统包括两个光学长焦镜头2和分别与之对应的两个CCD成像元件3，构成双目CCD成像系统，根据两个CCD成像元件上的靶丸质心的二维坐标和双目视觉算法推导出靶丸的三维空间坐标。

[0044] 另一个实施例中，上述光学成像系统可以只包括一个光学长焦镜头和与之对应的CCD成像元件，利用图2的标定板在CCD上的成像来得到靶丸的三维空间坐标，具体过程是：如图2中，由于A、B1、C1、D1四点共线，并且已知各线段之间的距离，B1、C1、D1三点在成像系统坐标系中的坐标上已知，利用B1、C1、D1中任意两点即可求出A点的空间坐标。在实际计算中，为提高精度，可以采用D1、B1、A；D1、C1、A；B1、C1、A三种组合求出A点的三维坐标，然后取其平均值，还可以加入其它直线的各线段组合求出A点的三维坐标，进一步取平均值，减少各种误差的影响。本实施例中，为了提高系统可靠性，可以采用双目CCD成像系统，通过两个CCD成像得到A点的两组三维坐标数据，再通过加权平均的方法提高精度。 [0045] 在一个实施例中，可以按上述两种方法得到的靶丸质心(A点)的三组三维坐标，若三组数据一致，则表明测试结果可靠。若可靠，采用平均法给出控制参数，并传递给诊断平台以调整姿态，从而实现诊断设备高精度瞄准靶丸的目的。若不可靠，重新进行测量。 [0046] 采用上述装置和方法，瞄准精度主要取决于如下几方面的因素： [0047] (1)LCD显示屏的点距物理参数，点距参数越小，摄像机标定的内外参数精度越高；

[0048] (2)亚像素提取的精度，提取精度越高，得到的三维坐标越精确； [0049] (3)与微小靶丸一起构成的标定物中已知距离的加工精度越高，推导出的三维坐标越 精确；

[0050] (4)光学长焦镜头的光学质量要高，尽量降低其光学畸变。

[0051] 因此，要提高诊断设备瞄准靶丸的精度，可从这四个方面入手。为提高系统的可靠性，采用上述两种方法来推导靶丸的三维空间坐标，从而更可靠地判断探测设备是否瞄准靶丸。采用本装置和方法，如图1所示，可达到在x和y方向上的瞄准精度±25微米，在z方向(图1中的轴线方向)上的测量精度能达到±100微米。

[0052] 采用上述装置与三维标定的方法相比，可大大降低造价成本。

[0053] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

[0054] 本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

[0055] 本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。