CN102338618A - 一种图像测量系统的现场标定和校正方法 - Google Patents

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胡茂杨
王强
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Abstract

本发明所提出的二维图像测量系统的标定和分区线性畸变校正法具有方法简单，精度高的特点：靶标件加工容易、加工精度要求不高；事先不需要对靶标件进行测量；标定过程中靶标件的调整很容易，易于实现现场标定。其步骤包括：加工一个具有一个圆孔的靶标件用于标定，圆心为标定需要的特征点；获取对应特征点；标定参数计算；分区线性畸变校正。

Description

一种图像测量系统的现场标定和校正方法
技术领域
本发明涉及一种图像测量系统的现场标定和校正方法，属于信息技术领域。
背景技术
一般二维图像测量系统主要由照明系统、光学成像系统、CCD摄像机、图像卡和计算机及其软件组成，CCD摄像机把带有尺寸信息的光学信号变为视频信号，经图像采集卡送人计算机处理。因此，图像处理的数据是数字信号，而所得结果的单位是用像素来表示的，如果要给出工件的尺寸，必须建立数图像像素与实际尺寸的对应关系。
目前，二维图像测量系统的标定方法大都采用标准件法，即加工高精度的网格板或圆孔板作为靶标件，将靶标件的精确尺寸传递给数字图像，然后，进行标定。此方法标定结果的重复性与准确度受到靶标件制造精度和测量精度的影响，且标定时调整困难并会带来误差。 
发明内容
为了克服以上缺点，本发明提出一种新的现场标定和分区线性畸变校正法，此方法操作简便，并有较高的精度。
其步骤包括：
 （1）加工靶标件   
加工一个具有一个圆孔的靶标件用于标定，圆心为标定需要的特征点。靶标件的圆孔不要求较高的加工精度，直径一般根据系统的成像区域大小而定。因为圆孔过小，会使圆的成像边缘点过少，图像圆心提取参数稳定性不好；而圆孔过大，会使得标定时圆孔容易偏离标定区域。
（2）对应特征点获取
    二维图像测量系统中，被测工件上某一点在仪器坐系中的坐标由CCD摄像机在仪器坐标系中的坐标值（由导轨上的光栅尺数值来体现）和该点在图像坐标系中的坐标值共同决定，可以表示为。
s =l+f(d),                                     （A）
式中s为待测点在仪器坐标系中的坐标，是需要的测量结果；l为CCD摄像机在仪器坐标系中的坐标值，一般分别由x，y方向导轨上的光栅尺示值来体现；d为该点的图像坐标值以)即为所要标定的图像坐标系和仪器坐标系的转换关系。
由于测量时对同一点来说位置不变，所以，△s=0，则可得△l=－△f(d)。标定时，求出标定特征点在图像坐标系中的位置（Xd,，Yd），并求出此时CCD摄像机在仪器坐标系中的坐标值（X1，Y1）。让CCD摄像机在导轨上移动，可以得到一组标定特征点，并可以获得多组△l和d的对应值，从而可求出f( )。
（3） 标定参数计算
由于图像中心部分畸变较小，所以，采用图像中心部分标定点进行线性标定。
（4）分区线性畸变校正
在视觉检测的研究和应用中，所使用的光学镜头一般都由多片透镜组成。分析时，将这些光学系统按照理想化的小孔成像原理工作，存在着模型误差；摄像机装配过程中可能出现CCD芯片平面与摄像机光轴不严格垂直的情况，这会产生透视误差，因此，二维测量图像存在不同程度的畸变。
本发明采用分区线性畸变修正法进行校正。首先，将前面求出的标定参数代入式(A)，求出图像中心部分各特征点转换到仪器坐标系坐标值的平均值；作为标准值，然后，将所有标定特征点的值代入式(A)，求出的仪器坐标系坐标值s与s的差△s,认为是该标定特征点的畸变值。
标定特征点将图像分成若干区域，因此，可以对每个区域进行线性的畸变校正，尽管每一个区域内存在一定程度的非线性畸变，但是，这种畸变的非线性的影响会因为区域的缩小而减弱。
假设某一区域图像的4个角点坐标分别为A（x1，y1），B（x1，y1）, C（x1，y1）, D（x1，y1）每点的误差分别为fA=f（x1，y1）, fB=f（x1，y1），fC=f（x1，y1）, fD=f（x1，y1）,设该区域内的误差呈线性分布，则该区域的任一点G(x，y)的误差为
Figure 347009DEST_PATH_IMAGE001
                             (B)
    其中, 
Figure 971894DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 330194DEST_PATH_IMAGE003
本发明所提出的二维图像测量系统的标定和分区线性畸变校正法具有方法简单，精度高的特点：靶标件加工容易、加工精度要求不高；事先不需要对靶标件进行测量；标定过程中靶标件的调整很容易，易于实现现场标定。
具体实施方式
下面结合实验数据对本发明做进一步说明
一种图像测量系统的现场标定和校正方法其步骤包括：
 （1）加工靶标件   
加工一个具有一个圆孔的靶标件用于标定，圆心为标定需要的特征点。靶标件的圆孔不要求较高的加工精度，直径一般根据系统的成像区域大小而定。因为圆孔过小，会使圆的成像边缘点过少，图像圆心提取参数稳定性不好；而圆孔过大，会使得标定时圆孔容易偏离标定区域。
（2）对应特征点获取
    二维图像测量系统中，被测工件上某一点在仪器坐系中的坐标由CCD摄像机在仪器坐标系中的坐标值（由导轨上的光栅尺数值来体现）和该点在图像坐标系中的坐标值共同决定，可以表示为。
s =l+f(d),                                     （A）
式中s为待测点在仪器坐标系中的坐标，是需要的测量结果；l为CCD摄像机在仪器坐标系中的坐标值，一般分别由x，y方向导轨上的光栅尺示值来体现；d为该点的图像坐标值以)即为所要标定的图像坐标系和仪器坐标系的转换关系。
由于测量时对同一点来说位置不变，所以，△s=0，则可得△l=－△f(d)。标定时，求出标定特征点在图像坐标系中的位置（Xd,，Yd），并求出此时CCD摄像机在仪器坐标系中的坐标值（X1，Y1）。让CCD摄像机在导轨上移动，可以得到一组标定特征点，并可以获得多组△l和d的对应值，从而可求出f( )。
（3） 标定参数计算
由于图像中心部分畸变较小，所以，采用图像中心部分标定点进行线性标定。
（4）分区线性畸变校正
在视觉检测的研究和应用中，所使用的光学镜头一般都由多片透镜组成。分析时，将这些光学系统按照理想化的小孔成像原理工作，存在着模型误差；摄像机装配过程中可能出现CCD芯片平面与摄像机光轴不严格垂直的情况，这会产生透视误差，因此，二维测量图像存在不同程度的畸变。
本发明采用分区线性畸变修正法进行校正。首先，将前面求出的标定参数代入式(A)，求出图像中心部分各特征点转换到仪器坐标系坐标值的平均值；作为标准值，然后，将所有标定特征点的值代入式(A)，求出的仪器坐标系坐标值s与s的差△s,认为是该标定特征点的畸变值。
标定特征点将图像分成若干区域，因此，可以对每个区域进行线性的畸变校正，尽管每一个区域内存在一定程度的非线性畸变，但是，这种畸变的非线性的影响会因为区域的缩小而减弱。
假设某一区域图像的4个角点坐标分别为A（x1，y1），B（x1，y1）, C（x1，y1）, D（x1，y1）每点的误差分别为fA=f（x1，y1）, fB=f（x1，y1），fC=f（x1，y1）, fD=f（x1，y1）,设该区域内的误差呈线性分布，则该区域的任一点G(x，y)的误差为
Figure 491179DEST_PATH_IMAGE001
                             (B)
    其中, 
Figure 542312DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 654493DEST_PATH_IMAGE003
以把本方法用在电子摄像式刀具预调测量仪上为例，视觉系统参数如下：摄像机为MTV－03X11HC，镜头焦距为50mm，系统采用LED均匀照明。该仪器在使用时由光栅尺提供CCD摄像机的位移数据。
标定时，将靶标件放在CCD摄像机的成像位置上，通过图像处理方法进行调焦，调整靶标件位置使其成像在最清晰位置；将视觉系统在导轨上移动，使靶标特征点先后在CCD摄像机上的所需位置成像，计算并存储各标定特征坐标值；求出标定参数；求出各标定特征点畸变值并存储。对一台仪器进行标定，结果如表l所示，从表中数据可以看出：这种标定方法具有很好的精度和重复性。
表1  标定实验数据
Figure 816484DEST_PATH_IMAGE004
为了验证本文提出的标定方法和畸变校正方法的可行性，CCD摄像机标定完成后，利用该系统对靶标件的特征点在图像中多个位置进行测量，测量结果如表2所示，从表中可以看出：畸变校正后图像测量系统具有较高的精度。
    表2 测量实验结果
Figure 566397DEST_PATH_IMAGE005

Claims (2)

1.一种图像测量系统的现场标定和校正方法其步骤包括：
 （1）加工靶标件   
加工一个具有一个圆孔的靶标件用于标定，圆心为标定需要的特征点；
（2）获取对应特征点  被测工件上某一点在仪器坐系中的坐标由CCD摄像机在仪器坐标系中的坐标值，表示为：
s =l+f(d),                                     （A）
式中s为待测点在仪器坐标系中的坐标，是需要的测量结果；l为CCD摄像机在仪器坐标系中的坐标值，由x，y方向导轨上的光栅尺示值来体现；d为该点的图像坐标值以)即为所要标定的图像坐标系和仪器坐标系的转换关系，求出标定特征点在图像坐标系中的位置（Xd,，Yd），并求出此时CCD摄像机在仪器坐标系中的坐标值（X1，Y1），让CCD摄像机在导轨上移动，可以得到一组标定特征点，并可以获得多组△l和d的对应值，从而可求出f( )，
（3）标定参数计算
采用图像中心部分标定点进行线性标定。
2.根据权利要求1所述的一种图像测量系统的现场标定和校正方法，其校正方法为：
将步骤（3）求出的标定参数代入式(A)，求出图像中心部分各特征点转换到仪器坐标系坐标值的平均值；作为标准值，然后，将所有标定特征点的值代入式(A)，求出的仪器坐标系坐标值s与s的差△s,为该标定特征点的畸变值；
将标定特征点将图像分成若干区域，可以对每个区域进行线性的畸变校正，区域图像的4个角点坐标分别为A（x1，y1），B（x1，y1）, C（x1，y1）, D（x1，y1）每点的误差分别为fA=f（x1，y1）, fB=f（x1，y1），fC=f（x1，y1）, fD=f（x1，y1）,设该区域内的误差呈线性分布，则该区域的任一点G(x，y)的误差为
Figure 766154DEST_PATH_IMAGE001
                             (B)
    其中, 
Figure 152005DEST_PATH_IMAGE002
,
Figure 758567DEST_PATH_IMAGE003
。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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