一种光轴实时校准方法及系统

摘要

本发明公开一种光轴实时校准方法及系统，方法包括：步骤A、初始化采集设备；步骤B、获取靶纸的一幅图像，所述靶纸上包括正方形和长方形图案；步骤C、对所述图像进行空间转换；步骤D、对所述图像进行二值化处理；步骤E、获取处理后的图像中的正方形和长方形图案；步骤F、统计正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标；步骤G、根据所述正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标计算出水平偏离角度和垂直偏离角度；步骤H、根据所述水平偏离角度和垂直偏离角度进行实时校准。本发明通过靶纸，并使用图形算法实时采集图像进行分析，获取光轴的水平及垂直偏离角度，极大地提高了生产效率及产品的光学系统光轴的一致性。

权利要求

1.一种光轴实时校准方法，其特征在于，包括：步骤A、初始化采集设备；

步骤B、获取靶纸的一幅图像，所述靶纸上包括正方形和长方形图案；

步骤C、对所述图像进行空间转换；

步骤D、对所述图像进行二值化处理；

步骤E、获取处理后的图像中的正方形和长方形图案；

步骤F、统计正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标；

步骤G、根据所述正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标计算出水平偏离角度和垂直偏离角度；

步骤H、根据所述水平偏离角度和垂直偏离角度进行实时校准。

2.根据权利要求1所述的光轴实时校准方法，其特征在于，所述步骤G具体包括：G1、按如下公式计算出水平偏离角度：

(p2.x – p1.x )/2 = (p1.x – pstarndard.x)/angx，其中，pstandard.x 为标准点的横坐标，（p1.x，p1.y）为正方形的中心坐标，p2.x为长方形的中心横坐标，angx为水平偏离度数；

G2、按如下公式计算出垂直偏离角度：

(p2.x – p1.x )/2= (p1.y– pstarndard.y)/angy，其中，pstandard.y 为标准点的纵坐标，angy为竖直偏离度数。

3.根据权利要求1所述的光轴实时校准方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：D1、先对图像进行中值滤波；

D2、再对图像进行二值化处理。

4.根据权利要求1所述的光轴实时校准方法，其特征在于，所述步骤E具体包括：E1、获取二值化处理后的图像中的闭合图案的轮廓；

E2、根据所述轮廓的宽高比和面积阈值，获取图像中的正方形和长方形图案。

5.根据权利要求1所述的光轴实时校准方法，其特征在于，所述步骤H中，校准后满足：abs(p2.y - p1.y) < 60并且abs(p2.x - p1.x) > 125 并且abs(p2.x - p1.x )<145，（p1.x，p1.y）为正方形的中心坐标，（p2.x，p2.y）为长方形的中心坐标。

6.一种光轴实时校准系统，其特征在于，包括：初始化模块，用于初始化采集设备；

图像获取模块，用于获取靶纸的一幅图像，所述靶纸上包括正方形和长方形图案；

空间转换模块，用于对所述图像进行空间转换；

二值化处理模块，用于对所述图像进行二值化处理；

图案获取模块，用于获取处理后的图像中的正方形和长方形图案；

坐标统计模块，用于统计正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标；

偏离计算模块，用于根据所述正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标计算出水平偏离角度和垂直偏离角度；

校准模块，用于根据所述水平偏离角度和垂直偏离角度进行实时校准。

7.根据权利要求6所述的光轴实时校准系统，其特征在于，所述偏离计算模块具体包括：水平偏离计算单元，用于按如下公式计算出水平偏离角度：(p2.x – p1.x )/2 = (p1.x – pstarndard.x)/angx，其中，pstandard.x 为标准点的横坐标，（p1.x，p1.y）为正方形的中心坐标，p2.x为长方形的中心横坐标，angx为水平偏离度数；

垂直偏离计算单元，用于按如下公式计算出垂直偏离角度：(p2.x – p1.x )/2= (p1.y– pstarndard.y)/angy，其中，pstandard.y 为标准点的纵坐标，angy为竖直偏离度数。

8.根据权利要求6所述的光轴实时校准系统，其特征在于，所述二值化处理模块具体包括：中值滤波单元，用于先对图像进行中值滤波；

二值化单元，用于再对图像进行二值化处理。

9.根据权利要求6所述的光轴实时校准系统，其特征在于，所述图案获取模块具体包括：轮廓获取单元，用于获取二值化处理后的图像中的闭合图案的轮廓；

图案获取单元，用于根据所述轮廓的宽高比和面积阈值，获取图像中的正方形和长方形图案。

10.根据权利要求6所述的光轴实时校准系统，其特征在于，所述校准模块中，校准后满足：abs(p2.y - p1.y) < 60并且abs(p2.x - p1.x) > 125 并且abs(p2.x - p1.x )<145，（p1.x，p1.y）为正方形的中心坐标，（p2.x，p2.y）为长方形的中心坐标。

说明书

一种光轴实时校准方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及成像系统领域，尤其涉及一种光轴实时校准方法及系统。

背景技术

[0002] 现有技术中，光学系统中的激光发射镜安装在俯仰角和方位角可精确调节并锁紧的调整机构上；在激光发射镜和信号接收光学件外侧设置后向反射镜组，在视场光阑和中继镜组之间外侧设置照明光源。利用后向反射镜组中角锥棱镜的后向反射特性，先后把代表激光信号接收光轴的视场光阑中心位置、代表激光发射光轴的激光远场光斑位置成像到用于探测目标图像的CCD相机中。调整激光发射镜，使所述两个位置在CCD相机中重合来完成光轴校准。由于传统校准方法都采用机械，激光等辅助工具来完成一个产品的校准，且要求操作人员通过肉眼来估计光轴的偏离程度，造成生产效率低下，产品精度不高，一致性差。

[0003] 因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

[0004] 鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光轴实时校准方法及系统，旨在解决现有的校准方法效率低、精度不高、一致性差等问题。

[0005] 本发明的技术方案如下：

[0006] 一种光轴实时校准方法，其中，包括：

[0007] 步骤A、初始化采集设备；

[0008] 步骤B、获取靶纸的一幅图像，所述靶纸上包括正方形和长方形图案；

[0009] 步骤C、对所述图像进行空间转换；

[0010] 步骤D、对所述图像进行二值化处理；

[0011] 步骤E、获取处理后的图像中的正方形和长方形图案；

[0012] 步骤F、统计正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标；

[0013] 步骤G、根据所述正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标计算出水平偏离角度和垂直偏离角度；

[0014] 步骤H、根据所述水平偏离角度和垂直偏离角度进行实时校准。

[0015] 所述的光轴实时校准方法，其中，所述步骤G具体包括：

[0016] G1、按如下公式计算出水平偏离角度：

[0017] (p2.x – p1.x )/2 = (p1.x – pstarndard.x)/angx，其中，pstandard.x 为标准点的横坐标，（p1.x，p1.y）为正方形的中心坐标，p2.x为长方形的中心横坐标；

[0018] G2、按如下公式计算出垂直偏离角度：

[0019] (p2.x – p1.x )/2= (p1.y– pstarndard.y)/angy，其中，pstandard.y 为标准点的纵坐标。

[0020] 所述的光轴实时校准方法，其中，所述步骤D具体包括：

[0021] D1、先对图像进行中值滤波；

[0022] D2、再对图像进行二值化处理。

[0023] 所述的光轴实时校准方法，其中，所述步骤E具体包括：

[0024] E1、获取二值化处理后的图像中的闭合图案的轮廓；

[0025] E2、根据所述轮廓的宽高比和面积阈值，获取图像中的正方形和长方形图案。

[0026] 所述的光轴实时校准方法，其中，所述步骤H中，校准后满足：abs(p2.y - p1.y) < 60并且abs(p2.x - p1.x) > 125 并且abs(p2.x - p1.x )<145，（p1.x，p1.y）为正方形的中心坐标，（p2.x，p2.y）为长方形的中心坐标。

[0027] 一种光轴实时校准系统，其中，包括：

[0028] 初始化模块，用于初始化采集设备；

[0029] 图像获取模块，用于获取靶纸的一幅图像，所述靶纸上包括正方形和长方形图案；

[0030] 空间转换模块，用于对所述图像进行空间转换；

[0031] 二值化处理模块，用于对所述图像进行二值化处理；

[0032] 图案获取模块，用于获取处理后的图像中的正方形和长方形图案；

[0033] 坐标统计模块，用于统计正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标；

[0034] 偏离计算模块，用于根据所述正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标计算出水平偏离角度和垂直偏离角度；

[0035] 校准模块，用于根据所述水平偏离角度和垂直偏离角度进行实时校准。

[0036] 所述的光轴实时校准系统，其中，所述偏离计算模块具体包括：

[0037] 水平偏离计算单元，用于按如下公式计算出水平偏离角度：

[0038] (p2.x – p1.x )/2 = (p1.x – pstarndard.x)/angx，其中，pstandard.x 为标准点的横坐标，（p1.x，p1.y）为正方形的中心坐标，p2.x为长方形的中心横坐标；

[0039] 垂直偏离计算单元，用于按如下公式计算出垂直偏离角度：

[0040] (p2.x – p1.x )/2= (p1.y– pstarndard.y)/angy，其中，pstandard.y 为标准点的纵坐标。

[0041] 所述的光轴实时校准系统，其中，所述二值化处理模块具体包括：

[0042] 中值滤波单元，用于先对图像进行中值滤波；

[0043] 二值化单元，用于再对图像进行二值化处理。

[0044] 所述的光轴实时校准系统，其中，所述图案获取模块具体包括：

[0045] 轮廓获取单元，用于获取二值化处理后的图像中的闭合图案的轮廓；

[0046] 图案获取单元，用于根据所述轮廓的宽高比和面积阈值，获取图像中的正方形和长方形图案。

[0047] 所述的光轴实时校准系统，其中，所述校准模块中，校准后满足：abs(p2.y - p1.y) < 60并且abs(p2.x - p1.x) > 125 并且abs(p2.x - p1.x )<145，（p1.x，p1.y）为正方形的中心坐标，（p2.x，p2.y）为长方形的中心坐标。

[0048] 有益效果：本发明通过靶纸（光学靶纸），并使用图形算法实时采集图像进行分析，获取光轴的水平及垂直偏离角度，精度能达到0.05度。 极大地提高了生产效率及产品的光学系统光轴的一致性。本发明的校准方法精度高，操作简单，且不依靠外部辅助装置，使用方便。

附图说明

[0049] 图1为本发明一种光轴实时校准方法较佳实施例的流程图。

[0050] 图2为本发明中二值化处理后的图像。

具体实施方式

[0051] 本发明提供一种光轴实时校准方法及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0052] 请参阅图1，图1为本发明一种光轴实时校准方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括：

[0053] 步骤S1、初始化采集设备；

[0054] 步骤S2、获取靶纸的一幅图像，所述靶纸上包括正方形和长方形图案；

[0055] 步骤S3、对所述图像进行空间转换；

[0056] 步骤S4、对所述图像进行二值化处理；

[0057] 步骤S5、获取处理后的图像中的正方形和长方形图案；

[0058] 步骤S6、统计正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标；

[0059] 步骤S7、根据所述正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标计算出水平偏离角度和垂直偏离角度；

[0060] 步骤S8、根据所述水平偏离角度和垂直偏离角度进行实时校准。

[0061] 本发明提供一套校准好的治具及带刻度的光学chart 图（即光学靶纸，本发明也称靶纸），该靶纸包括一个用于标识中心用的正方形图案和一个与此中心偏离一定角度的长方形图案，当然也可设置其他方便识别的图案。本发明识别到中心区域的正方形，并返回此正方形的中心坐标，以及与此中心偏离特定角度的矩形的中心横坐标，单位为像素。假设是2度的偏离角度，然后返回的像素是60。若本发明识别到的中心坐标与标准坐标的水平偏离值是30（像素）， 那么水平偏离角度就是1度。

[0062] 具体来说，在所述步骤S1中，采集设备可以是一个usb3.0接口的视频采集卡，此视频采集卡提供windows环境下的驱动程序，在上层调用 VFW 框架（视频生成框架）的API，即可完成视频采集卡的初始化和开始图像采集的工作。

[0063] 在所述步骤S2中，在程序中开辟一个缓冲，调用OpenCV 提供的API ， 比如VideoCapture 类的grab接口，或者 VideoCapture& operator >> (CV_OUT Mat& image); 都可以获取到图像，在本实施例中获取到的图像为 640 * 480 大小的BGR888 3通道彩色图像。

[0064] 在所述步骤S3中，图像空间转换就是将彩色图像转变为单颜色的单通道图像，例如本实施例可将 BGR888 3通道彩色图像，转换到单颜色的单通道图像。转换的公式如下[0065] gray = 0.299f * B + 0.587f*G + 0.114f*R，gray为灰度值，这样即可得到灰度图。

[0066] 在所述步骤S4中，其具体包括：

[0067] S41、先对图像进行中值滤波；

[0068] S42、再对图像进行二值化处理。

[0069] 具体地，先对灰度图进行中值滤波处理，例如先做一个 3×3 的中值滤波。进行中值滤波处理是为了减少噪声，当然也可采用均值滤波处理，但其比均值滤波可保留更多的细节。在中值滤波处理之后，可进行二值化处理，二值化处理是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果。

[0070] 在所述步骤S5中，其具体包括：

[0071] S51、获取二值化处理后的图像中的闭合图案的轮廓；

[0072] S52、根据所述轮廓的宽高比和面积阈值，获取图像中的正方形和长方形图案。

[0073] 具体地，先从二值化以后的图像中，找出各个高亮度闭合图案的轮廓，这个轮廓由数目不一的 x,y 坐标对够成，至少有3个坐标对，以构成闭合图案。矩形（包括正方形和长方形）的轮廓有个特点，如果用轮廓的宽度乘以高度得到此轮廓外接矩形的面积，用这个面积减去轮廓包围的面积，那么其差值会很小，如果轮廓包裹的是一个不规则图案，则此差值会比较大。所以根据轮廓的宽高比及面积阈值，获取图像中的正方形和长方形图案，如图2所示。所述的面积阈值是指轮廓的宽度乘以高度得到的值减去轮廓包围的面积的上限，即轮廓的宽度乘以高度得到的值减去轮廓包围的面积需要小于或等于所述面积阈值，才会判定该轮廓为正方形或长方形。另外，所述轮廓应具有一定的大小，例如轮廓的宽度和高度应至少为100个像素，并且至多为1500像素。本发明中，在图像中心位置为正方形图案，侧边具有一长方形图案，长方形图案为竖条形状。

[0074] 在所述步骤S6中，统计正方形的中心坐标和长方形的中心横坐标；根据前述轮廓的位置，可以计算出正方形的中心坐标（p1.x，p1.y）和长方形的中心坐标（p2.x，p2.y），其中p2.x为长方形的中心横坐标。

[0075] 在所述步骤S7中，其具体包括：

[0076] S71、按如下公式计算出水平偏离角度：

[0077] (p2.x – p1.x )/2 = (p1.x – pstarndard.x)/angx，其中，pstandard.x 为标准点的横坐标；其中，angx 为即将显示出来的水平偏离度数，也就是想要求取的水平偏离度数，另外竖直偏离度数可以用angy进行表示。其中的标准点为通过传统光学校准过的产品，通过图像采集后，获取到的正方形中心坐标，此坐标会通过软件记录到文件中，软件启动后，会读取此坐标值。

[0078] S72、按如下公式计算出垂直偏离角度：

[0079] (p2.x – p1.x )/2= (p1.y– pstarndard.y)/angy，其中，pstandard.y 为标准点的纵坐标。

[0080] 在所述步骤S8中，通过现场的图像调试结果得知，竖条的长方形和中心正方形的坐标必须满足如下条件：

[0081] abs(p2.y - p1.y) < 60并且abs(p2.x - p1.x) > 125 并且abs(p2.x - p1.x )<145；上述公式中单位为像素，图像大小为640*480。

[0082] 其中，（p1.x，p1.y）为正方形的中心坐标，（p2.x，p2.y）为长方形的中心坐标。根据此条件，可以获得正确率极高的坐标值，中心正方形和旁边的大竖条矩形的中心坐标。

[0083] 举例说明，假设L为图像中心的正方形A的中心点到旁边细长长方形B的中心线之间的距离，L的计算公式为 ， 其中 =2，r=8.7m，由此算出L=0.30368728m,如果把这个距离20等分，并绘制上刻度线，那么肉眼读出能获取到的精度是0.1度，通过算法分析图像， L 在图形中的对应的像素个数为135个，但是实际生产时，像素的跳动幅度为4个，那么换算过来的精度为0.05度。通过肉眼读取并记录的方式，在此期间手工调整产品的光轴，大概需要4分钟才能处理一个产品，而使用本发明的方法后，大约1分钟即可处理一台，且对工人的压力大大降低。工人只需手工调整光轴直到识别到的正方形的中心点变为蓝色点即可，然后扫描一下条形码，信息即可自动记录。

[0084] 本发明还提供一种光轴实时校准系统，其包括：

[0085] 初始化模块，用于初始化采集设备；

[0086] 图像获取模块，用于获取靶纸的一幅图像，所述靶纸上包括正方形和长方形图案；

[0087] 空间转换模块，用于对所述图像进行空间转换；

[0088] 二值化处理模块，用于对所述图像进行二值化处理；

[0089] 图案获取模块，用于获取处理后的图像中的正方形和长方形图案；

[0090] 坐标统计模块，用于统计正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标；

[0091] 偏离计算模块，用于根据所述正方形图案的中心坐标和长方形图案的中心横坐标计算出水平偏离角度和垂直偏离角度；

[0092] 校准模块，用于根据所述水平偏离角度和垂直偏离角度进行实时校准。

[0093] 进一步，所述偏离计算模块具体包括：

[0094] 水平偏离计算单元，用于按如下公式计算出水平偏离角度：

[0095] (p2.x – p1.x )/2 = (p1.x – pstarndard.x)/angx，其中，pstandard.x 为标准点的横坐标，（p1.x，p1.y）为正方形的中心坐标，p2.x为长方形的中心横坐标；

[0096] 垂直偏离计算单元，用于按如下公式计算出垂直偏离角度：

[0097] (p2.x – p1.x )/2= (p1.y– pstarndard.y)/angy，其中，pstandard.y 为标准点的纵坐标。

[0098] 进一步，所述二值化处理模块具体包括：

[0099] 中值滤波单元，用于先对图像进行中值滤波；

[0100] 二值化单元，用于再对图像进行二值化处理。

[0101] 进一步，所述图案获取模块具体包括：

[0102] 轮廓获取单元，用于获取二值化处理后的图像中的闭合图案的轮廓；

[0103] 图案获取单元，用于根据所述轮廓的宽高比和面积阈值，获取图像中的正方形和长方形图案。

[0104] 进一步，所述校准模块中，校准后满足：abs(p2.y - p1.y) < 60并且abs(p2.x - p1.x) > 125 并且abs(p2.x - p1.x )<145，（p1.x，p1.y）为正方形的中心坐标，（p2.x，p2.y）为长方形的中心坐标。

[0105] 关于上述模块单元的技术细节在前面的方法中已有详述，故不再赘述。

[0106] 综上所述，本发明通过靶纸（光学靶纸），并使用图形算法实时采集图像进行分析，获取光轴的水平及垂直偏离角度，精度能达到0.05度。 极大地提高了生产效率及产品的光学系统光轴的一致性。

[0107] 应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。