本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量與視覺(jué)檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于視覺(jué)測(cè)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(lái)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如航空測(cè)繪、醫(yī)學(xué)成像、大型復(fù)雜曲面的三維檢測(cè)、機(jī)械零件的自動(dòng)識(shí)別與幾何測(cè)量等領(lǐng)域。視覺(jué)檢測(cè)不但可以提高檢測(cè)精度，更是很多常規(guī)檢測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)的有效解決途徑。

被檢測(cè)物體圖像的獲取是視覺(jué)檢測(cè)研究的基礎(chǔ)。視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能從工業(yè)相機(jī)獲取的圖像出發(fā)，通過(guò)確定圖像中二維像點(diǎn)與實(shí)際物體點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此識(shí)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(cè)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(cè)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(huì)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(duì)于大尺寸物體測(cè)量中，物距是焦距的百倍甚至千倍，安裝誤差在測(cè)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(cè)量精度，必須對(duì)工業(yè)相機(jī)所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，以便對(duì)系統(tǒng)的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

現(xiàn)有的檢測(cè)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(duì)現(xiàn)有視覺(jué)測(cè)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(duì)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(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于視覺(jué)測(cè)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(duì)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(jué)測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)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(huà)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(huà)出偏移距離與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖；

步驟f、化簡(jiǎn)步驟c建立的第三坐標(biāo)差方程，畫(huà)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(duì)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(jué)測(cè)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(jué)測(cè)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(jué)測(cè)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(huà)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(duì)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(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于視覺(jué)測(cè)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(duì)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(duì)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(jué)測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)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(huà)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(huà)出偏移距離與坐標(biāo)差關(guān)系三維圖；

步驟f、化簡(jiǎn)步驟c建立的第三坐標(biāo)差方程，畫(huà)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(duì)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(jué)測(cè)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(jué)測(cè)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(jué)測(cè)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(jué)測(cè)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(huà)出ΔX₁，ΔY₃與k、曲線分布圖。

為了對(duì)以上實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)解釋說(shuō)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(duì)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(lái)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)。