数字式光学自准直方法研究

摘要

本课题研究的数字式光学自准直方法,在传统光学自准直原理的基础上,使用高精度数字摄像机接收光学自准直图像,通过标准数据接口传输至计算机,采用数字图像处理技术和亚像素定位算法对采集的图像进行处理和分析,利用双频激光干涉仪和精密转台在系统全量程范围内完成标定,并与双频激光干涉仪的测量结果进行了比对。
　　 本课题建立并研究了数字式光学自准直系统。本系统在传统光学自准直方法的基础上,使用高精度数字摄像机接收自准直图像,将图像送入计算机,利用软件进行数据分析和处理。
　　 本课题对数字摄像机接收的自准直图像进行了图像处理和定位算法研究。对自准直图像的处理包括预处理和图像分割等；本课题着重研究了图像十字线的亚像素定位算法,提出了基于灰度的高斯曲线最小二乘拟合算法,得到目标直线上的点中心,对这些中心点作最小二乘直线拟合,得到直线的精确位置,联立目标十字的两直线方程求出十字中心和像素的偏移,进而计算出待测角度。
　　 本课题研究了系统的标定方法。利用HP5528A双频激光干涉仪和精密转台完成了系统标定。本课题详细讨论了标定装置的调整方法,研究了转台步长及用作标定的角度间隔对标定的影响。将插值法与双频激光干涉仪的测量结果进行了比对；与分段三次样条插值法相比,分段线性插值法具有测量精度高、计算简单等优点。
　　 比对结果表明,选取的标定间隔从4秒到100秒变化时,均差在零秒上下波动,标准差在0.4秒波动。随着标定间隔的增加,均差波动加大,标准差也逐渐变大,但两者的变化都极为缓慢,均差绝对值均不超过0.3秒,标准差也不超过0.6秒。经过四次实验,得到系统重复性(标准差)均小于1秒。
　　 本方法主要用于小角度、直线度、垂直度等的测量,与传统的光学自准直方法相比,消除了人眼疲劳和人为误差的影响。在数控机床加工等领域,可以实现小角度的自动测量,极大地提高了测量效率,具有重要的应用价值和现实意义。