CN101050998A - 基于对称测量的ccd成像光轴与配光屏幕的垂直标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配光性能测量，尤其涉及面阵CCD摄像机成像法进行配光性能测量的方法。为提供一种简单定位方法，没有繁琐的定位过程，能减小误差，本发明采用的技术方案是，A.使由一个圆环和圆环内过圆环中心的一个条带组成的圆环靶标平面平行置于配光屏幕中垂线下方，CCD摄像机放置在与圆环靶心等高的前方，CCD镜头的中心大致与圆环靶标中心等高，CCD摄像机用于对前照灯在配光屏幕上所发光形进行成像以及对其照度进行测量；B.使条带中线与配光屏幕中垂线重合；C.进一步调节CCD摄像机至：横轴上三个矩形宽度相等，在纵轴上的那个分布矩形的两外侧至CCD像面中心距离相等。本发明主要用于配光性能测量。

Description

基于对称测量的CCD成像光轴与配光屏幕的垂直标定方法

技术领域

本发明涉及垂直标定方法，尤其涉及基于对称测量的CCD成像光轴与配光屏幕的垂直标定方法。

背景技术

利用面阵CCD摄像机成像法测量车辆前照灯配光性能的原理式通常为如下表达形式：

$E^{\′}=\frac{\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\τ}\·E}{{4F}^2}{\cos }^4\mathrm{\ω}$ 公式(1)

其中，E为配光测试屏幕上测试点处的照度，E′为该测试点在CCD像面上对应成像点处的照度，F为摄像机镜头的光圈数，ρ为屏幕反射率，τ为摄像机物镜的透过率，ω为屏幕测试点到摄像机物镜中心的连线与摄像机成像光轴的夹角，

测量原理如图1所示。而原理式(1)得到满足的测量条件是摄像机成像光轴要垂直于测试屏幕，即图1中的CCD摄像机成像光轴应垂直测试屏幕于o点。

利用摄像机或望远镜光轴准直目标的方法常用的是水准仪判别法，即先通过水准仪将两个目标调水平，再利用水准仪中的十字丝及其交点调节两目标光轴的准直。这个过程较为繁琐，首先要在屏幕上的O点和CCD摄像机成像光轴与CCD镜头的交点处各贴有一带刻度的十字线靶标，构成十字线的直线应分别水平和垂直，之后以屏幕上的靶标为基准，通过观察水准仪调节CCD的位置，直至使系统满足以下条件：1.水准仪中的十字丝中心与两靶标中心分别重合；2.从水准仪目镜中观察到的其镜头的边缘与屏幕上靶标十字线的交点到该十字线中心的距离都相等；3.将水准仪水平旋转180°后，在CCD处的靶标上得到与第2条相同的效果。此时即完成了准直的定位。该准直定位方法存在如下缺点：1.定位繁琐，成功的准直定位是建立在大量重复性的调整工作之上；2.存在视准轴误差；3.存在人为读数误差。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供简单定位方法，没有繁琐的定位过程，能减小误差，本发明采用的技术方案是：

一种基于对称测量的CCD摄像机成像光轴与配光屏幕的垂直标定方法，包括下列步骤

A.使由一个圆环和圆环内过圆环中心的一个条带组成的圆环靶标平面平行置于配光屏幕中垂线下方，圆环外半径为R，条带中线过圆环中心，条带宽度与圆环宽度相等，屏幕中垂线与过圆环中心的铅直线重合，CCD摄像机放置在与圆环靶心等高的前方，CCD镜头的中心大致与圆环靶标中心等高，CCD摄像机用于对前照灯在配光屏幕上所发光形进行成像以及对其照度进行测量；

B.使条带中线与配光屏幕中垂线重合：调节CCD摄像机，使圆环靶标清晰地成像在CCD像面上，设CCD摄像机成像光轴与CCD像面的交点为CCD像面坐标原点，设过此原点且平行于像元行的轴为横轴，平行于像元列的轴为纵轴；

C.进一步调节CCD摄像机，使靶标在CCD像面横轴上的灰度分布呈三个矩形状，在纵轴上呈一个矩形分布，调节至：若横轴上这三个矩形宽度相等，则CCD像面横轴就与配光屏幕水平方向平行，若横轴上靠外边两分布矩形的外侧距CCD像面中心距离相等且都为r，在纵轴上的那个分布矩形的两外侧至CCD像面中心距离相等且都为r′，此时，CCD像面横轴就与配光屏幕水平方向平行，并且CCD摄像机光轴就与配光屏幕垂直。

其中，所说的调节至若横轴上这三个矩形宽度相等，若横轴上靠外边两分布矩形的外侧距CCD像面中心距离相等且都为r进一步包括下列步骤，并借助于计算机软件实现：

1、利用函数的刷新功能对图像的更新做出及时反应，并在屏幕上画出定位十字线，设置采集帧数，在采集的过程中调节CCD摄像机的五维调整架，使镜头平面和屏幕近似平行以达到粗略调整的目的；

2、在CCD摄像机成像光轴与配光屏幕的垂直标定中，通过边缘梯度算子找到目标图像的边缘位置，即边缘处的灰度梯度具有梯度极值：

设置X轴或Y轴扫描各点的灰度值：

判断坐标是否大于X₀、Y₀，若大于则退出程序，若否则进入下一步，X₀、Y₀为设定的扫描区域边界坐标；

求相邻像素的梯度；

冒泡法找最大的三个梯度值；

判断梯度的绝对值是否大于阀值，若是则记录该点的坐标并划线，若否则再重新进行扫描。

本发明可取得下列效果：

首先，采用一个圆环靶标，直接进行调节，准直定位方法简单，没有繁琐的定位过程。

其次，圆环靶标，不存在视准轴误差。

再有，数据读取与处理可由软件完成，读数误差非常小。

附图说明

图1是现有技术测量示意图。

图2是本发明光轴准直原理图。

图3是圆环靶标及其图像分布。

图4是粗调菜单界面。

图5是设置采集帧数。

图6是显示粗调结果。

图7是细调过程流程图。

图8是粗调使圆环中心对准十字线。

图9是细调光轴准直结果。

图中，1为配光屏幕，2为前照灯，3为CCD摄像机，4为靶标。

具体实施方式

1.标定原理：

本文的标定工作是进行摩托车前照灯配光性能的成像测试前提条件，测试原理如图1所示。为使摄像机成像光轴要垂直于测试屏幕，即图1中的CCD摄像机成像光轴应垂直测试屏幕于o点。本实验采用对称测量法，用CCD摄像机对配光测试屏幕上的圆环靶标成像，测试原理如图2所示：

在图2中，圆环靶标平面平行置于配光屏幕中垂线下方，屏幕中垂线与过圆环中心的铅直线重合。CCD摄像机放置在与圆环靶心等高的前方，CCD镜头的中心大致与圆环靶标中心等高，CCD摄像机用于对前照灯在配光屏幕上所发光形进行成像以及对其照度进行测量。圆环靶标由一个圆环和圆环内过圆环中心的一个条带组成，如图3(a)所示。圆环外半径为R，条带中线过圆环中心，条带宽度与圆环宽度相等。相等的宽度用于标定CCD摄像机的旋转位置。标定时，条带中线与配光屏幕中垂线重合。调节CCD摄像机，使圆环靶标清晰地成像在CCD像面上。设CCD摄像机成像光轴与CCD像面的交点为CCD像面坐标原点，设过此原点且平行于像元行的轴为横轴，平行于像元列的轴为纵轴。进一步调节CCD摄像机，使靶标在CCD像面横轴上的光强分布呈三个矩形状，在纵轴上呈一个矩形分布，如图3(b)、(c)所示。若横轴上这三个矩形宽度相等，则CCD像面横轴就与配光屏幕水平方向平行。若横轴上靠外边两分布矩形的外侧距CCD像面中心距离相等且都为r，在纵轴上的那个分布矩形的两外侧至CCD像面中心距离相等且都为r′，此时，CCD像面横轴就与配光屏幕水平方向平行，并且CCD摄像机光轴就与配光屏幕垂直。此时，成像的横向放大率在CCD像面横方向上为β_x＝r/R，在纵方向上为β_y＝r′/R，若r＝r′，则β_x＝β_y。

设在CCD像面横轴方向上，两相邻像元中心间距为d_x，在纵轴方向上，两相邻像元中心间距为d_y，圆环成像半径r在横轴上占n_x个像元，在纵轴上占n_y个像元，则有：

$\left\{\begin{array}{c}r=d_x\·n_x\\ r^{\′}=d_y\·n_y\end{array}\right.$ 公式(2)

所以：

${\mathrm{\β}}_x=\frac{d_x}{R}{n}_x$ ${\mathrm{\β}}_y=\frac{d_y}{R}{n}_y$ 公式(3)

横向放大率与纵向放大率的比值 $k=\frac{{\mathrm{\β}}_x}{{\mathrm{\β}}_y}$

则有：                        d_xn_x＝kd_yn_y               公式(4)

若CCD像面的横向放大率β_x和纵向放大率β_y相等时，则n_x与n_y的关系就为

$n_y=\frac{d_x}{d_y}{n}_x$ 公式(5)

若CCD像面的横向放大率β_x和纵向放大率β_y相等时，则n_x与n_y的关系就为

$n_y=\frac{d_x}{d_y}{n}_x$ 公式(6)

由于CCD像元与CCD图像像素一一对应，因此，在图像中，若圆环外径在行方向与列方向上所占像素数之间满足关系式(5)或(6)时，则摄像机光轴就被调至与配光屏幕垂直。

2.标定系统构成

2.1硬件

CCD摄像机、五维调节架、圆环靶标、配光屏幕、激光笔。

2.2软件

为了更加精确地进行标定，我们开发了“摩托车前照灯配光性能测试位置标定”软件。该软件是以Visual C++6.0为开发工具进行编写的。实践证明，该软件具有操作简便，运行顺畅等特点。

2.2.1标定的过程与软件介绍

要进行标定等工作必须首先进行精确的定位。上文已经说过CCD定位的原理，下面具体介绍一下软件的操作过程。

2.2.1.1利用粗调进行大概定位

我们知道，测试屏幕的尺寸与CCD成像面的尺寸相差很大，如何保证两者之间的平行和准直是一个需要面对的问题。利用“粗调”进行大概定位，可以很方便的解决这个问题。具体界面与流程如下

利用函数的刷新功能对图像的更新做出及时反应，并在屏幕上画出定位十字线，设置采集帧数，在采集的过程中调节CCD摄像机的五维调整架，使镜头平面和屏幕近似平行以达到粗略调整的目的。

经过调整，可以使得靶标落在十字线的中央，如图6所示。

2.2.1.2利用细调功能进行精确定位

在CCD摄像机成像光轴与配光屏幕的垂直标定中，通过边缘梯度算子找到目标图像的边缘位置，即边缘处的灰度梯度具有梯度极值。具体方法见软件流程图7。

但采用梯度算法比较容易受噪声或图像中非目标区域的影响，这些影响常会在变换后直方图的对应位置上出现虚极值而干扰正确阈值的选取，故使用前一般应进行滤波处理，本系统利用图像采集卡自带的滤波电路进行滤波。

圆环靶标的图像边缘检测方法采用边缘检测技术。由于被检测的圆环靶标的边缘处灰度对比很强，所以在编写软件时选用了梯度算子。

所谓梯度就是函数在某点处具有的最大方向导数的向量。当物体与背景有明显对比度时，物体的边界处于图像梯度最高的点上，梯度模算子定义为：

G[f(i，j)]＝[(f_x(i，j))²+(f_y(i，j))²]^1/2                      公式(7)

为了运算方便这里采用了近似算法Roberts梯度算子

G[|f(i，j)-f(i+1，j+1)|+|f(i+1，j)-f(i，j+1)|]                公式(8)

检测时软件对圆环的水平和竖直中心线上的像素进行逐点扫描，当检测到灰度值梯度最大的几个点时，证明在这一方向上图像灰度经历了白黑，黑白的变化过程，这几个点就是圆环的边界点。

实际操作中首先从中心沿水平线向左或右分别扫描各个象素点的灰度值，并判断象素坐标是否大于设定的扫描区域边界坐标X₀或Y₀，如果不在扫描范围之内，则退出扫描；反之，则求相邻两象素之间灰度的梯度值

$\mathrm{GradWl}=\frac{\mathrm{gx}2-\mathrm{gx}1}{\mathrm{\Δx}}$ 公式(9)

其中gx1、gx2为相邻两象素之间的灰度值，Δx为两象素之间的距离，这里取单位1。接着判断梯度的绝对值abs(GradWl)是否大于阀值Grad-valve，若为真，记录该点坐标并画垂线标记，若为假，继续扫描灰度值，直到扫描完毕。利用边缘梯度算子的方法，我们可以找到靶标图像的边缘位置，从而达到对面阵CCD摄像机光轴与配光屏幕进行垂直标定的目的。

3面阵CCD摄像机成像光轴与配光屏幕的垂直标定实验过程与结果

3.1实验步骤：

3.1.1在配光测试屏幕上防止圆环靶标。靶标中心距离屏幕左右边缘各3m，距离地面高度与摄像机高度相等，为H＝570mm。

3.1.2连接CCD摄像机与计算机，打开前照灯配光性能测试软件进行实时采集。

3.1.3在软件菜单中选择测量装置标定系统→调节成像光轴垂直测试屏幕→粗调。此时实时采集的图像中会出现红色十字线，十字线的中心点位于CCD摄像机的成像中心，即图像中的(367，288)像素处。

3.1.4改变摄像机的方向会使采集的图像发生改变，调整其旋转俯仰直至图像中圆环靶标的中心移动到红色十字线的中心交点处。

3.1.5停止粗调，重新在菜单中选择测量装置标定系统→调节成像光轴垂直测试屏幕→细调。此时电脑屏幕中显示的结果是图8中方格中的采样结果。仔细调整摄像机的方向尽量使上下左右的边缘对称的像素数相等。

3.2调整结果

调整结果如图9所示。图9(a)为横轴方向上的靶标灰度一维分布结果，图9(b)为纵轴方向上的靶标灰度一维分布结果，图中虚线处表示靶标边缘，最下面一行数字代表像素的个数。该图显示出摄像机光轴已垂直于测试屏幕。

Claims (2)

1.基于对称测量的CCD成像光轴与配光屏幕的垂直标定方法，其特征是，包括下列步骤：

A.使由一个圆环和圆环内过圆环中心的一个条带组成的圆环靶标平面平行置于配光屏幕中垂线下方，圆环外半径为R，条带中线过圆环中心，条带宽度与圆环宽度相等，屏幕中垂线与过圆环中心的铅直线重合，CCD摄像机放置在与圆环靶心等高的前方，CCD镜头的中心大致与圆环靶标中心等高，CCD摄像机用于对前照灯在配光屏幕上所发光形进行成像以及对其照度进行测量；

B.使条带中线与配光屏幕中垂线重合：调节CCD摄像机，使圆环靶标清晰地成像在CCD像面上，设CCD摄像机成像光轴与CCD像面的交点为CCD像面坐标原点，设过此原点且平行于像元行的轴为横轴，平行于像元列的轴为纵轴；

C.进一步调节CCD摄像机，使靶标在CCD像面横轴上的灰度分布呈三个矩形状，在纵轴上呈一个矩形分布，调节至：若横轴上这三个矩形宽度相等，则CCD像面横轴就与配光屏幕水平方向平行，若横轴上靠外边两分布矩形的外侧距CCD像面中心距离相等且都为r，在纵轴上的那个分布矩形的两外侧至CCD像面中心距离相等且都为r′，此时，CCD像面横轴就与配光屏幕水平方向平行，并且CCD摄像机光轴就与配光屏幕垂直。

2.根据权利要求1所述的基于对称测量的CCD成像光轴与配光屏幕的垂直标定方法，其特征是，所说的调节至若横轴上这三个矩形宽度相等，若横轴上靠外边两分布矩形的外侧距CCD像面中心距离相等且都为r，进一步包括下列步骤，并借助于计算机软件实现：

a、利用函数的刷新功能对图像的更新做出及时反应，并在屏幕上画出定位十字线，设置采集帧数，在采集的过程中调节CCD摄像机的五维调整架，使镜头平面和屏幕近似平行以达到粗略调整的目的；

b、在CCD摄像机成像光轴与配光屏幕的垂直标定中，通过边缘梯度算子找到目标图像的边缘位置，即边缘处的灰度梯度具有梯度极值：

设置X轴或Y轴扫描各点的灰度值；

判断坐标是否大于X₀、Y₀，若大于则退出程序，若否则进入下一步，X₀、Y₀为设定的扫描区域边界坐标；

求相邻像素的梯度；

冒泡法找最大的三个梯度值；

判断梯度的绝对值是否大于阀值，若是则记录该点的坐标并划线，若否则再重新进行扫描。

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