本發(fā)明屬于光學(xué)測量與視覺檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法。

背景技術(shù)：

近年來，機(jī)器視覺技術(shù)與視覺檢測技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如航空測繪、醫(yī)學(xué)成像、大型復(fù)雜曲面的三維檢測、機(jī)械零件的自動識別與幾何測量等領(lǐng)域。視覺檢測不但可以提高檢測精度，更是很多常規(guī)檢測方法無法實(shí)現(xiàn)時(shí)的有效解決途徑。

被檢測物體圖像的獲取是視覺檢測研究的基礎(chǔ)。視覺檢測系統(tǒng)應(yīng)能從工業(yè)相機(jī)獲取的圖像出發(fā)，通過確定圖像中二維像點(diǎn)與實(shí)際物體點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系，由此識別環(huán)境中的物體，從而進(jìn)行三維重建。

在利用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行檢測中，相機(jī)所產(chǎn)生的誤差是系統(tǒng)中的主要誤差，它影響系統(tǒng)的測量精度。由于制造水平的限制，實(shí)際相機(jī)圖像傳感器位置會偏移理想圖像傳感器位置從而存在位置安裝誤差導(dǎo)致像素點(diǎn)發(fā)生偏移，使拍攝結(jié)果不精確。在工業(yè)相機(jī)工作中，尤其對于大尺寸物體測量中，物距是焦距的百倍甚至千倍，安裝誤差在測量結(jié)果中可能被放大上千倍，所以相機(jī)圖像傳感器安裝誤差嚴(yán)重影響測量精度，必須對工業(yè)相機(jī)所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，以便對系統(tǒng)的精度進(jìn)行評價(jià)。

現(xiàn)有的檢測技術(shù)中，大多考慮相機(jī)鏡頭畸變誤差，很少考慮相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝位置誤差導(dǎo)致的像素點(diǎn)偏移，本發(fā)明針對現(xiàn)有視覺測量技術(shù)不足，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，推導(dǎo)出存在安裝誤差的誤差模型及成像模型，對相機(jī)圖像傳感器安裝位置誤差進(jìn)行了較系統(tǒng)和深入的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明公開了一種基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法，該方法綜合考慮了鏡頭畸變誤差和相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝位置誤差，對相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置發(fā)生偏移所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析與檢校，進(jìn)而提高三維重建精度。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法，包括以下步驟：

步驟a、通過分析相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置存在的偏移夾角誤差，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)與理想成像點(diǎn)的第一坐標(biāo)差方程；

步驟b、通過分析相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置存在的偏移距離誤差，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)與理想成像點(diǎn)的第二坐標(biāo)差方程；

步驟c、通過分析相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置存在的偏移旋轉(zhuǎn)角度誤差，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)與理想成像點(diǎn)的第三坐標(biāo)差方程；

步驟d、利用步驟a建立的第一坐標(biāo)差方程，畫出偏移夾角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖；

步驟e、利用步驟b建立的第二坐標(biāo)差方程，畫出偏移距離與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖；

步驟f、化簡步驟c建立的第三坐標(biāo)差方程，畫出偏移旋轉(zhuǎn)角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖；

步驟g、進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，將標(biāo)定板某一標(biāo)定點(diǎn)設(shè)為標(biāo)志點(diǎn)，利用標(biāo)定出的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)反推出該標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)值，與真實(shí)坐標(biāo)值進(jìn)行對比，計(jì)算坐標(biāo)偏移量；

步驟h、計(jì)算出相機(jī)鏡頭畸變誤差；

步驟i、利用步驟g得到的坐標(biāo)偏移量減去步驟h得到的鏡頭畸變誤差，利用步驟d得到的偏移夾角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖、步驟e得到的偏移距離與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖和步驟f得到的偏移旋轉(zhuǎn)角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖，找出圖像傳感器偏移夾角最優(yōu)解、偏移距離最優(yōu)解和偏移旋轉(zhuǎn)角最優(yōu)解。

上述基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法，所述步驟a具體為：

以相機(jī)的光心作為原點(diǎn)建立相機(jī)坐標(biāo)系O-XYZ，Z軸與相機(jī)光軸重合，X、Y軸與圖像傳感器平行，o為Z軸與圖像傳感器交點(diǎn)，Oo為相機(jī)的焦距f；則圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)坐標(biāo)與理想成像點(diǎn)坐標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系中Y軸偏移量ΔY₁和Z軸偏移量ΔZ₁分別為：

式中，f表示相機(jī)焦距，φ₁表示入射光線與z軸夾角，λ表示圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置的夾角。

上述基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法，所述步驟b具體為：

以相機(jī)的光心作為原點(diǎn)建立相機(jī)坐標(biāo)系O-XYZ，Z軸與相機(jī)光軸重合，X、Y軸與圖像傳感器平行，o為Z軸與圖像傳感器交點(diǎn)；則圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)坐標(biāo)與理想成像點(diǎn)坐標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系中Y軸偏移量ΔY₂和Z軸偏移量ΔZ₂分別為：

ΔY₂＝Δf·tanφ₂

ΔZ₂＝Δf

式中，Δf表示圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置的偏離量，φ₂表示入射光線與Z軸夾角。

上述基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法，所述步驟c具體為：

以相機(jī)的光心作為原點(diǎn)建立相機(jī)坐標(biāo)系O-XYZ，Z軸與相機(jī)光軸重合，X、Y軸與圖像傳感器平行，o為Z軸與圖像傳感器交點(diǎn)；將相機(jī)光軸與圖像傳感器的交點(diǎn)定義為理想成像面與實(shí)際成像面坐標(biāo)軸原點(diǎn)，o-xy為理想成像面坐標(biāo)系，o-x′y′為實(shí)際成像面坐標(biāo)系，x、y軸，x′、y′軸均與圖像傳感器平行；則圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)坐標(biāo)與理想成像點(diǎn)坐標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系中Y軸偏移量ΔY₃和X軸偏移量ΔX₁分別為：

式中，a，b為成像點(diǎn)在理想成像面坐標(biāo)系o-xy中的理想成像坐標(biāo)，為偏離旋轉(zhuǎn)角。

所述步驟f具體為：

令：

b＝a·tan k

r²＝a²+b²＝a²+a²·tan²k＝b²·cot²k+b²

則：

進(jìn)而畫出ΔX₁，ΔY₃與k、曲線分布圖。

有益效果：本發(fā)明綜合考慮了鏡頭畸變誤差和相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝位置誤差，對相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置發(fā)生偏移所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析與檢校，進(jìn)而提高三維重建精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法的流程圖。

圖2是相機(jī)坐標(biāo)系與圖像傳感器坐標(biāo)系之間的對應(yīng)關(guān)系圖。

圖3是理想成像面與實(shí)際成像面存在夾角誤差時(shí)的數(shù)學(xué)關(guān)系圖。

圖4是理想成像面與實(shí)際成像面存在偏離誤差時(shí)的數(shù)學(xué)關(guān)系圖。

圖5是理想成像面與實(shí)際成像面存在旋轉(zhuǎn)角偏離誤差時(shí)的數(shù)學(xué)關(guān)系圖。

圖6是偏移夾角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖一。

圖7是偏移夾角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖二。

圖8是偏移距離與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖。

圖9是偏移旋轉(zhuǎn)角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖一。

圖10是偏移旋轉(zhuǎn)角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖二。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

具體實(shí)施例一

本實(shí)施例的基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法，流程圖如圖1所示，該方法包括以下步驟：

步驟a、通過分析相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置存在的偏移夾角誤差，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)與理想成像點(diǎn)的第一坐標(biāo)差方程；

步驟b、通過分析相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置存在的偏移距離誤差，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)與理想成像點(diǎn)的第二坐標(biāo)差方程；

步驟c、通過分析相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置存在的偏移旋轉(zhuǎn)角度誤差，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)與理想成像點(diǎn)的第三坐標(biāo)差方程；

步驟d、利用步驟a建立的第一坐標(biāo)差方程，畫出偏移夾角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖；

步驟e、利用步驟b建立的第二坐標(biāo)差方程，畫出偏移距離與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖；

步驟f、化簡步驟c建立的第三坐標(biāo)差方程，畫出偏移旋轉(zhuǎn)角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖；

步驟g、進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，將標(biāo)定板某一標(biāo)定點(diǎn)設(shè)為標(biāo)志點(diǎn)，利用標(biāo)定出的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)反推出該標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)值，與真實(shí)坐標(biāo)值進(jìn)行對比，計(jì)算坐標(biāo)偏移量；

步驟h、計(jì)算出相機(jī)鏡頭畸變誤差；

步驟i、利用步驟g得到的坐標(biāo)偏移量減去步驟h得到的鏡頭畸變誤差，利用步驟d得到的偏移夾角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖、步驟e得到的偏移距離與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖和步驟f得到的偏移旋轉(zhuǎn)角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖，找出圖像傳感器偏移夾角最優(yōu)解、偏移距離最優(yōu)解和偏移旋轉(zhuǎn)角最優(yōu)解。

具體實(shí)施例二

本實(shí)施例的基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法，在具體實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步限定步驟a具體為：

以相機(jī)的光心作為原點(diǎn)建立相機(jī)坐標(biāo)系O-XYZ，Z軸與相機(jī)光軸重合，X、Y軸與圖像傳感器平行，o為Z軸與圖像傳感器交點(diǎn)，Oo為相機(jī)的焦距f；則圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)坐標(biāo)與理想成像點(diǎn)坐標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系中Y軸偏移量ΔY₁和Z軸偏移量ΔZ₁分別為：

式中，f表示相機(jī)焦距，φ₁表示入射光線與z軸夾角，λ表示圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置的夾角。

具體實(shí)施例三

本實(shí)施例的基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法，在具體實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步限定步驟b具體為：

以相機(jī)的光心作為原點(diǎn)建立相機(jī)坐標(biāo)系O-XYZ，Z軸與相機(jī)光軸重合，X、Y軸與圖像傳感器平行，o為Z軸與圖像傳感器交點(diǎn)；則圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)坐標(biāo)與理想成像點(diǎn)坐標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系中Y軸偏移量ΔY₂和Z軸偏移量ΔZ₂分別為：

ΔY₂＝Δf·tanφ₂

ΔZ₂＝Δf

式中，Δf表示圖像傳感器實(shí)際安裝位置與理想安裝位置的偏離量，φ₂表示入射光線與Z軸夾角。

具體實(shí)施例四

本實(shí)施例的基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法，在具體實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步限定步驟c具體為：

以相機(jī)的光心作為原點(diǎn)建立相機(jī)坐標(biāo)系O-XYZ，Z軸與相機(jī)光軸重合，X、Y軸與圖像傳感器平行，o為Z軸與圖像傳感器交點(diǎn)；將相機(jī)光軸與圖像傳感器的交點(diǎn)定義為理想成像面與實(shí)際成像面坐標(biāo)軸原點(diǎn)，o-xy為理想成像面坐標(biāo)系，o-x′y′為實(shí)際成像面坐標(biāo)系，x、y軸，x′、y′軸均與圖像傳感器平行；則圖像傳感器中實(shí)際成像點(diǎn)坐標(biāo)與理想成像點(diǎn)坐標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系中Y軸偏移量ΔY₃和X軸偏移量ΔX₁分別為：

式中，a，b為成像點(diǎn)在理想成像面坐標(biāo)系o-xy中的理想成像坐標(biāo)，為偏離旋轉(zhuǎn)角。

具體實(shí)施例五

本實(shí)施例的基于視覺測量的相機(jī)內(nèi)部圖像傳感器安裝誤差分離方法，在具體實(shí)施例四的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步限定所述步驟f具體為：

令：

b＝a·tan k

r²＝a²+b²＝a²+a²·tan²k＝b²·cot²k+b²

則：

進(jìn)而畫出ΔX₁，ΔY₃與k、曲線分布圖。

為了對以上實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)解釋說明，附上了幾幅圖，其中：

圖2是相機(jī)坐標(biāo)系與圖像傳感器坐標(biāo)系之間的對應(yīng)關(guān)系圖；

圖3是理想成像面與實(shí)際成像面存在夾角誤差時(shí)的數(shù)學(xué)關(guān)系圖；

圖4是理想成像面與實(shí)際成像面存在偏離誤差時(shí)的數(shù)學(xué)關(guān)系圖；

圖5是理想成像面與實(shí)際成像面存在旋轉(zhuǎn)角偏離誤差時(shí)的數(shù)學(xué)關(guān)系圖；

圖6和圖7是偏移夾角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖；

圖8是偏移距離與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖；

圖9和圖10是偏移旋轉(zhuǎn)角與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖。

此外，在步驟h中，圖像點(diǎn)在相機(jī)在鏡頭畸變下的坐標(biāo)可以表示為：

其中，(x_u,y_u)為由相機(jī)線性模型計(jì)算出來的圖像點(diǎn)坐標(biāo)(x_d,y_d)是實(shí)際圖像點(diǎn)的坐標(biāo)；δ_x和δ_y是非線性畸變值，可表示為：

式中，k₁、k₂、p₁、p₂、s₁、s₂為非線性畸變參數(shù)。