CCD测量系统的镜头畸变校正新方法
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CCD测量系统的镜头畸变校正新方法页数:4
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畸变校正页数:3
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光学畸变校准原理
光学畸变是光学系统中的一种失真现象，指图像上相邻物体之间的形状和位置发生改变。
为了修正这种畸变，我们需要了解其校准原理。
首先，我们需要了解光学系统的工作原理。
光线在空气中传播时，会受到物体表面反射、折射等影响，最终在相机感光元件上聚焦。
在这个过程中，如果某个部分的光线偏离了原来的路径，就会导致图像失真。
这种失真在图像中表现为形状和位置的变化，这就是我们所说的光学畸变。
接下来，我们来分析光学畸变的校准原理。
为了修正这种畸变，我们通常需要使用畸变校准板。
校准板通常由一系列规则排列的校准点组成，这些校准点在经过畸变校正后应该形成一个规则的几何形状。
因此，我们可以通过比较校正前后的图像差异，来确定图像中每个像素的畸变程度。
一般来说，畸变校准需要以下几个步骤：1. 采集畸变图像：在拍摄畸变物体时，我们需要记录下每个像素的原始位置和亮度值，这可以通过高精度定位系统和图像处理技术来实现。
2. 校准参数标定：在采集完图像后，我们需要利用畸变校准板来确定一系列参数，如透镜焦距、镜头畸变系数等。
这些参数会影响到校正结果的准确性，因此需要精确标定。
3. 图像预处理：在进行校正之前，我们需要对原始图像进行一些预处理操作，如去噪、边缘检测等，以便更好地提取出每个校准点的位置和形状信息。
4. 图像校正：在确定了每个校准点的原始位置和形状信息后，我们可以利用畸变模型对图像进行校正。
通常采用多项式拟合等方法来建立图像像素与其真实位置之间的映射关系，从而修正畸变。
5. 结果评估：最后，我们需要对校正后的图像进行评估，以确定校正效果是否满足要求。
通常采用误差分析等方法来评估校正结果的准确性。
总的来说，光学畸变的校准原理主要包括采集畸变图像、标定参数、预处理、图像校正以及结果评估等步骤。
通过这些步骤，我们可以有效地修正光学系统的畸变现象，提高图像的清晰度和准确性。
在实践中，光学畸变校准技术广泛应用于各种光学系统和设备中，如相机、显微镜、望远镜等。
ccd尺寸检测原理
ccd尺寸检测原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种用于图像传感和信号处理的半导体器件。
在CCD相机中，尺寸检测是一项重要的功能，用于测量物体的尺寸、长度、宽度等参数。
下面将详细介绍CCD尺寸检测的原理。
CCD尺寸检测原理主要包括以下几个方面：1.图像采集：CCD相机通过镜头将待测物体的图像采集下来，并将其转换为电信号。
CCD相机的镜头通过调节焦距和光圈，使得物体在成像平面上得到清晰的图像。
2.图像处理：采集到的图像经过CCD相机内部的图像处理电路进行处理。
主要包括图像增强、滤波、去噪等，以提高图像质量和准确性。
3.特征提取：在图像处理的基础上，需要对待测物体的图像进行特征提取。
常用的特征包括边缘、角点、纹理等。
通过提取这些特征，可以准确地描述待测物体的形状和结构。
4.尺寸测量：在图像的特征提取阶段，可以获取到待测物体的特征点坐标或轮廓线信息。
通过计算这些特征点之间的距离、角度等，可以得到物体的尺寸信息。
5.校正：由于CCD相机的成像存在畸变，需要进行校正处理。
校正的方法包括相机标定和透视变换等。
通过校正，可以消除图像中的畸变，提高尺寸测量的准确性。
6. 算法计算：通过计算机视觉算法，对特征点或轮廓线进行处理和分析，得到物体的尺寸信息。
常用的算法包括边缘检测算法（如Sobel算子、Canny算子）、霍夫变换、形态学处理等。
7.结果显示：最后，将测量结果显示在显示器上。
可以通过图像标记、文字标注等方式将尺寸信息直观地呈现给用户。
需要注意的是，CCD尺寸检测的准确性和精度受到多种因素的影响，如镜头的质量、光照条件、物体表面的反射性等。
因此，在实际应用中，需要对这些因素进行合理的控制和校正，以提高尺寸检测的准确性。
总结起来，CCD尺寸检测的原理是通过采集物体的图像，进行图像处理和特征提取，然后计算物体的尺寸信息，并通过算法计算和结果显示将尺寸信息呈现给用户。
这种原理在工业自动化、机器人、质检等领域有着广泛的应用。
摄影中的镜头畸变与矫正
摄影中的镜头畸变与矫正摄影是一门艺术，通过镜头捕捉到的画面可以展现出丰富的色彩和细节。
然而，在摄影过程中，我们常常会遇到一些问题，比如镜头畸变。
镜头畸变是指在摄影中，由于镜头的特性或者摄影角度的问题，导致画面中的直线变形或者形状扭曲。
为了解决这个问题，摄影师们常常需要进行镜头畸变的矫正。
一、镜头畸变的类型在摄影中，常见的镜头畸变有以下几种类型：1. 几何畸变：几何畸变是指在画面中的直线变形，分为桶形畸变和枕形畸变两种。
桶形畸变是指画面中的直线向中心凹陷，而枕形畸变则是直线向中心凸起。
2. 透视畸变：透视畸变是指由于摄影角度的问题，导致画面中的物体形状扭曲。
比如在拍摄建筑物时，由于摄影角度的问题，建筑物的上部会显得更窄，而下部会显得更宽。
3. 像散畸变：像散畸变是指在画面中的物体边缘出现色彩偏移或者模糊的现象。
这种畸变通常是由于镜头的光学设计问题导致的。
二、镜头畸变的矫正方法为了解决镜头畸变问题，摄影师们可以采取以下几种方法进行矫正：1. 使用专业镜头：选择质量好的专业镜头可以有效减少镜头畸变的发生。
专业镜头通常采用复杂的光学设计，能够更好地控制畸变问题。
2. 调整摄影角度：通过调整摄影角度，可以减少透视畸变的发生。
比如在拍摄建筑物时，尽量选择合适的角度，避免过度仰拍或者俯拍。
3. 使用软件矫正：现在的摄影后期处理软件中通常都有镜头畸变矫正的功能。
通过对照片进行后期处理，可以对镜头畸变进行矫正。
这种方法可以在一定程度上修复畸变问题，但是可能会损失一些画面细节。
4. 使用特殊镜头：一些特殊的镜头，比如鱼眼镜头，本身就具有一定的畸变效果。
摄影师们可以利用这种特殊镜头来创造出独特的效果。
三、镜头畸变的艺术运用尽管镜头畸变在摄影中被认为是一个问题，但是一些摄影师却将其视为一种艺术手法，并有意地运用在作品中。
通过合理运用镜头畸变，摄影师可以创造出独特的视觉效果，增强作品的表现力。
比如，在人像摄影中，适当的桶形畸变可以使人物的形象更加立体，增强画面的层次感。
摄影中的镜头畸变与校正技巧
摄影中的镜头畸变与校正技巧摄影是一门充满艺术性和技术性的创作形式。
在摄影过程中，摄影师常常会面临各种技术挑战，其中之一就是镜头畸变。
镜头畸变是在拍摄过程中产生的图像变形现象，它可能会影响到照片的质量和真实性。
为了解决这一问题，摄影师需要熟悉镜头畸变的类型和校正技巧。
一、什么是镜头畸变镜头畸变是指镜头在成像过程中引起的图像变形。
它主要分为三种类型：桶形畸变、枕形畸变和畸形畸变。
1. 桶形畸变桶形畸变是在照片中出现图像向中心收缩的现象，形状类似于桶子。
这种畸变通常出现在广角镜头和鱼眼镜头中，由于广角镜头的视角较大，所以图像边缘会向中心收缩。
2. 枕形畸变枕形畸变是在照片中出现图像向边缘收缩的现象，形状类似于枕头。
这种畸变通常出现在长焦镜头中，由于长焦镜头的视角较窄，所以图像边缘会向中心收缩。
3. 畸形畸变畸形畸变是在照片中出现一些不规则的图像变形现象，如弯曲或拉伸等。
这种畸变通常由于镜头的质量较差或者使用不当造成。
二、镜头畸变的校正技巧镜头畸变可以通过以下几种方法进行校正，以保证照片的质量和真实性。
1. 镜头校正大部分相机和摄像机都具有镜头校正功能，可以通过设置菜单中的参数进行校正。
通过选择恰当的校正参数，可以有效减轻或消除镜头畸变。
2. 后期校正在后期处理中，我们可以使用专业的图像编辑软件来进行镜头畸变的校正。
这种方法可以更加精确和灵活地处理畸变问题，同时也可以对图像进行其他的调整和修饰。
3. 畸变校正镜头一些专业的摄影镜头具有畸变校正的功能。
这些镜头内部集成了特殊的光学组件，可以在成像过程中主动校正镜头畸变，提供更加真实和准确的图像。
4. 构图和摄影技巧在实际拍摄中，合理的构图和摄影技巧也可以帮助减轻或掩盖镜头畸变。
通过选择恰当的角度、距离和焦距等因素，可以最大程度地优化图像的透视和比例关系，减少畸变的出现。
总结：镜头畸变是摄影过程中常见的技术挑战之一。
摄影师可以通过了解镜头畸变的类型和校正技巧，有效地解决这一问题，保证照片的质量和真实性。
镜头畸变矫正标定
镜头畸变矫正标定
镜头畸变矫正是一种计算机视觉技术，旨在纠正照片或视频中由镜头畸变引起的图像形变。
镜头畸变分为桶形畸变和垫形畸变两种类型。
桶形畸变是一种常见的镜头畸变，它会使图像中心部分凹陷，形成一个桶状的形变。
垫形畸变则使图像中心部分凸起，呈现垫状形变。
这些畸变会影响图像的几何形状，使直线变形或弯曲。
为了纠正镜头畸变，需要进行相机的标定，即确定相机内参和外参参数。
相机内参包括焦距、光轴偏移和像素尺寸等参数，而相机外参包括相机的位置和姿态参数。
在标定过程中，通常使用棋盘格或者标定板这样的模板作为标定物体。
通过拍摄多张包含标定物体的照片，可以计算出相机的内参和外参参数。
一旦相机标定完成，就可以利用得到的参数进行镜头畸变矫正。
通过对每个像素进行坐标变换，可以将畸变图像恢复为无畸变的原始图像。
这样，人们可以看到更真实、更准确的图像。
镜头畸变矫正在很多领域都有应用，比如计算机视觉、机器人导航和增强现实等。
它可以改善图像质量，提高计算机算法的准确性。
因此，对于需要准确图像的应用来说，镜头畸变矫正是一个重要的步骤。
CCD摄像机的误差及其检校
图 3 行抖动误差 Fig.3 Jitter error of row x g g x
X
X
由此，只要检测出直线的行抖动，即可考虑在 拟合边缘直线时校正，从而提高系统的测量精度。
图 1 平面上点的分布 Fig.1 Distribution of points on plane
图 2 x0、y0 初值确定 Fig.2 Setting initial values of x0 and y0
1
∆ x=k1(x-x0) ， ∆ y=k1(y-y0) 。因此可得：
x + ∆x + l1 x + l 2 y + l3 = 0 l 7 x + l8 y + 1 l x + l 5 y + l6 y + ∆x + 4 = 0 l 7 x + l8 y + 1
（2）
2004-05-08； 修改稿日期 2004-07-10 雷玉堂（1932-） ，男。教授。主要研究方向：光电技术与安全防范。E-mail: itoe@
收稿日期 作者简介
２ ＣＣＤ 摄像机的光学误差
由于 CCD 摄像机的物镜与普通摄影物镜无异， 这部分误差结果可直接应用。 对畸变差的改正，可采用二次多项式拟合法。 畸变差中的线性部分可用二维 DLT（直接线性变 换）算法改正。下面主要讨论非线性误差的改正。 一般非线性的物镜畸变差可表示如下：
∆x = ( x − x 0 (k 1 r 2 + k 3 r 4 + k 3 r 6 Κ Κ )
等因素造成。
１ 概 述
在利用面阵 CCD 摄像机进行实时检测的系统 中，CCD 摄像机所产生的误差是系统中的主要误 差，它影响系统的测量精度。必须对 CCD 摄像机 所产生的误差进行分析与检校，以便对系统的精度 进行评价。 CCD 摄像机所产生的误差主要由它的光 学成像镜头， CCD 器件本身的质量以及图像采集装 置（含图像采集卡等）共同产生，一般分为光学误 差、机械误差和电学误差。 光学误差主要是指影响影像几何精度的 CCD 摄像机的光学镜头所产生的镜头畸变差。它包括径 向畸变差和切向畸变差。镜头的这种畸变差在影像 上一般表现为中心小而周边较大。 机械误差主要是指 CCD 器件质量不好，即 CCD 机械加工安装时造成的 CCD 面阵的几何误 差，即像元排列不规则而使影像产生的几何误差。 它包括像素定位不准，行列不直及相互不垂直等误 差。此外还有 CCD 不同的像元对相同的光强信号 转换得到的灰度值有差异的像元敏感不均匀性误 差。随着现代加工工艺水平的提高，这种误差较其 它误差要小的多。 电学误差主要是指 CCD 在光电信号转换，电 荷在势阱中的传递以及 A/D 转换时所产生的影像 几何误差。它主要包括行同步误差、场同步误差和 像素采样误差。主要原因是光电信号转换不完全、 信号传递滞后以及 CCD 驱动电路电压及频率不稳
X
X
由此，只要检测出直线的行抖动，即可考虑在 拟合边缘直线时校正，从而提高系统的测量精度。
图 1 平面上点的分布 Fig.1 Distribution of points on plane
图 2 x0、y0 初值确定 Fig.2 Setting initial values of x0 and y0
1
∆ x=k1(x-x0) ， ∆ y=k1(y-y0) 。因此可得：
x + ∆x + l1 x + l 2 y + l3 = 0 l 7 x + l8 y + 1 l x + l 5 y + l6 y + ∆x + 4 = 0 l 7 x + l8 y + 1
（2）
2004-05-08； 修改稿日期 2004-07-10 雷玉堂（1932-） ，男。教授。主要研究方向：光电技术与安全防范。E-mail: itoe@
收稿日期 作者简介
２ ＣＣＤ 摄像机的光学误差
由于 CCD 摄像机的物镜与普通摄影物镜无异， 这部分误差结果可直接应用。 对畸变差的改正，可采用二次多项式拟合法。 畸变差中的线性部分可用二维 DLT（直接线性变 换）算法改正。下面主要讨论非线性误差的改正。 一般非线性的物镜畸变差可表示如下：
∆x = ( x − x 0 (k 1 r 2 + k 3 r 4 + k 3 r 6 Κ Κ )
等因素造成。
１ 概 述
在利用面阵 CCD 摄像机进行实时检测的系统 中，CCD 摄像机所产生的误差是系统中的主要误 差，它影响系统的测量精度。必须对 CCD 摄像机 所产生的误差进行分析与检校，以便对系统的精度 进行评价。 CCD 摄像机所产生的误差主要由它的光 学成像镜头， CCD 器件本身的质量以及图像采集装 置（含图像采集卡等）共同产生，一般分为光学误 差、机械误差和电学误差。 光学误差主要是指影响影像几何精度的 CCD 摄像机的光学镜头所产生的镜头畸变差。它包括径 向畸变差和切向畸变差。镜头的这种畸变差在影像 上一般表现为中心小而周边较大。 机械误差主要是指 CCD 器件质量不好，即 CCD 机械加工安装时造成的 CCD 面阵的几何误 差，即像元排列不规则而使影像产生的几何误差。 它包括像素定位不准，行列不直及相互不垂直等误 差。此外还有 CCD 不同的像元对相同的光强信号 转换得到的灰度值有差异的像元敏感不均匀性误 差。随着现代加工工艺水平的提高，这种误差较其 它误差要小的多。 电学误差主要是指 CCD 在光电信号转换，电 荷在势阱中的传递以及 A/D 转换时所产生的影像 几何误差。它主要包括行同步误差、场同步误差和 像素采样误差。主要原因是光电信号转换不完全、 信号传递滞后以及 CCD 驱动电路电压及频率不稳
一种线阵CCD检测系统的调整和标定方法
龙源期刊网
一种线阵ＣＣＤ检测系统的调整和标定方法作者：李俊伟邓文怡刘力双
来源：《现代电子技术》2009年第11期
摘要：论述了一种线阵CCD扫描检测系统调整和标定方法。
建立了检测系统的几何模型；设计了标定靶标；提出了基于靶标图像的视觉系统调整定位方法。
采用灰度矩法对边缘点进行了亚像素定位；根据靶标上特征线的实际坐标和图像坐标对系统进行标定，在x方向采用先线性标定再多项式畸变校正的两步法标定横向扫描区域；在，方向采用线性标定法标定扫描行距。
实验结果表明，这种调整和标定方法具有较好的效果和较高的标定精度。
关键词：线阵CCD；视觉检测；标定；边缘定位。
摄像机镜头非线性畸变校正方法综述
第10卷 第3期2005年3月中国图象图形学报Journal of I m age and GraphicsVol .10,No .3M ar .,2005收稿日期:2004203220;改回日期:2004212214第一作者简介:杨必武(1976～ ),男,2001年获第二炮兵工程学院兵器发射理论与技术专业工学硕士学位,现为该专业在读博士研究生。
主要从事图像识别、计算机视觉及应用研究。
近年来发表论文20余篇,获军队科技进步一、三等奖各1项。
E 2mail:ybw202@摄像机镜头非线性畸变校正方法综述杨必武 郭晓松(第二炮兵工程学院202教研室,西安 710025)摘 要 由于加工误差和装配误差的存在,摄像机光学系统与理想的小孔透视模型有一定的差别,致使物体点在摄像机图像平面上实际所成的像与理想成像之间存在不同程度的非线性光学畸变。
为了提高图像检测、模式匹配等定量分析的准确性,必须对这一类畸变进行修正。
近年来,国内外学者就此问题进行了大量的研究,为了使人们概略地了解该领域的研究现状,为此首先介绍了摄像机成像模型与镜头非线性畸变模型,并回顾总结了摄像机镜头非线性畸变校正方法,然后进一步提出从原理上将这些方法分为基于控制对象的方法和基于模式的方法两大类,最后分析比较了各种方法的优缺点。
关键词 摄像机 镜头 非线性畸变 校正中图法分类号:TP391.41 T N942.2 文献标识码:A 文章编号:100628961(2005)0320269206O verv i ew of Non li n ear D istorti on Correcti on of Cam era L en sY ANG B i 2wu,G UO Xiao 2s ong(The 202Teaching and Searching Section of the Second A rtillery Engineering College,X i ’an 710025)Abstract Because of having p r ocessing err or and assembling err or the difference exists in the model of the ca mera op tical syste m and p inhole model,which results t o nonlinear dist orti on bet w een real i m age and ideal i m age t o s ome extent .To i m p r ove the accuracy of such quantitative analysis as i m age measuring and pattern matching,it must be corrected .Recently,many scholars have a l ot of research on this p r oble m.To open the p resent state of this field before everyone,the models about ca mera i m aging and lens nonlinear dist orti on are intr oduced,and the correcti on methods of nonlinear dist orti on of ca mera lens are vie wed,which are divided int o the method based on contr olling object and the method based on pattern .Finally,the app licati on p r oble m s are analyzed and compared .Keywords ca mera,lens,nonlinear dist orti on,correcti on1 引 言目前,计算机视觉系统正在工业、交通、医疗、军事等领域得到广泛应用,为了获取大视场的景物视频信息,人们常常使用短焦距摄像机镜头。
扫描仪测量镜头畸变误差的软件校正
文章编号 1004-924X(2001)03-0234-04扫描仪测量镜头畸变误差的软件校正田向春1,唐慧君2(1.西安测绘研究所,陕西西安 710054;2.中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西西安 710068)摘要:介绍CCD 拼接扫描仪精度高于0.2mm 时,测量镜头畸变带来的扫描误差情况。
针对该项误差,进行测量、分析、计算,得到镜头畸变的规律和函数曲线,给出利用函数进行软件校正的思路和方法及基本流程。
通过试验证明,此方法较好的改善了测量镜头畸变带来的成像误差,并使之满足精度要求。
关 键 词:扫描仪;镜头;畸变;软件校正中图分类号:TH703 文献标识码:A1 引 言扫描仪以数字形式再现图像,主要指标有分辨率、精度及扫描幅面。
一般用途的扫描仪光学分辨率600DPI,精度10-1mm 数量级,幅面A3、A4。
在地质勘探、测绘、军事、医学研究等诸多领域则需要扫描仪在较大幅面内具有较高的分辨率和精度。
一般采用多CC D 外视场拼接的方法来满足这一要求,通过多组相机将物成像在多片CCD 上完成视场分割。
在减小单镜头视场角的同时,扩大了扫描有效幅面。
这种扫描原理要求仪器中各台相机放大倍率严格一致,我们可以通过调整各拼接相机光学系统达到放大倍率的基本一致。
针对每一相机镜头,其光学系统的枕形或桶形畸变将导致镜头线视场内的放大率不均匀。
这种不均匀,在调整整台相机放大率时可控制使之正负误差相抵而保证精度,但在两台相机拼接处及单台相机中心视场的局部范围内,则可能出现局部放大率正或负误差的累积,使扫描图像出现漂移,导致精度超差。
也就是说,镜头畸变带来的视场中微观放大倍率不一致,使不同区域内扫描的图像大小不等,导致扫描图形变形。
可以通过软、硬件方法减少这种误差。
2 软、硬件解决方法比较技术解决可操作性上。
通过提高硬件的品质,利用更小畸变的镜头,或使孔径角减小。
采用两种方法减小孔径角:一为增加拼接镜头个数,二为加长物距。
镜头透视与畸变矫正的处理方法
镜头透视与畸变矫正的处理方法摄影是一门艺术，通过镜头的透视和畸变矫正，可以使照片更加真实、美观。
在摄影中，透视和畸变是常见的问题，但是通过一些处理方法，我们可以有效地解决这些问题，让照片更加出色。
一、镜头透视的处理方法镜头透视是指在拍摄过程中，由于镜头的特性，远离镜头中心的物体会出现透视效果，使得物体的大小和形状发生变化。
为了解决这个问题，我们可以采取以下几种处理方法：1. 使用长焦镜头长焦镜头具有较小的视角，可以有效地减少透视效果。
通过使用长焦镜头，我们可以将物体拉近，使其更加真实地呈现在照片中。
2. 调整拍摄角度透视效果与拍摄角度有关，通过调整拍摄角度，我们可以改变透视效果。
例如，如果想要拍摄高楼大厦，可以选择一个较低的角度拍摄，这样可以减少透视效果，使楼房更加挺拔。
3. 使用透视校正工具现在的相机和手机都配备了透视校正功能，通过这个功能，我们可以在拍摄后对照片进行透视校正。
这样可以有效地减少透视效果，使照片更加真实。
二、畸变矫正的处理方法畸变是指在拍摄过程中，由于镜头的特性，物体的形状会发生扭曲。
为了解决这个问题，我们可以采取以下几种处理方法：1. 使用低畸变镜头现在市面上有很多低畸变镜头，这些镜头具有较小的畸变效果。
通过使用低畸变镜头，我们可以有效地减少畸变问题。
2. 调整拍摄距离畸变问题与拍摄距离有关，通过调整拍摄距离，我们可以改变畸变效果。
例如，如果想要拍摄人像照片，可以选择一个适当的距离，使人物的形状更加真实。
3. 使用畸变校正工具现在的相机和手机都配备了畸变校正功能，通过这个功能，我们可以在拍摄后对照片进行畸变校正。
这样可以有效地减少畸变问题，使照片更加真实。
总结：镜头透视和畸变是摄影中常见的问题，但是通过一些处理方法，我们可以有效地解决这些问题。
通过使用长焦镜头、调整拍摄角度、使用透视校正工具等方法，可以减少镜头透视效果。
通过使用低畸变镜头、调整拍摄距离、使用畸变校正工具等方法，可以减少畸变问题。
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若拟合方程为 X0 = F ( X) ,则拟合残差标准差 R 可表示为
6 R =
1 k- 1
[ F( X i ) - X0i ]2
(6)
式中 , k 为样本数量 ; F( X i ) 为 X i 带入拟合方程后计 算得到的理想像素坐标值 。
由拟合残差公式 ,拟合残差标准差 R 与 matlab
曲线拟合次数的关系如图 4 所示 。
·441 ·
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 30 No. 3
的图像复原处理[628 ] ;线阵激光标定法[7 ] 由于样本数 较少 ,测量点畸变情况不能完全反映线阵 CCD 镜头 全镜头畸变情况 ,校正精度尚需提高 。
本文提出一种新的线阵 CCD 镜头畸变校正方 法 ,用线阵 CCD 相机及经纬仪组合体 ,对空间周期 黑白条纹图像照相 ,通过图像处理和 matlab 曲线拟 合建立图像像素坐标与无镜头畸变的理想像素坐标 的关系式 ,即畸变校正函数 ,用来校正线阵 CCD 镜 头畸变 ,提高线阵 CCD 测量系统测量精度 ,称为空 间周期黑白条纹照相法 。
收稿日期 :2008 - 05 - 26.
畸变镜头后成像偏离理想位置 ,若不进行畸变校正 , 将会严重地影响测量精度 。因此 ,在线阵 CCD 测量 系统中 ,必须对镜头畸变进行校正 。常用的镜头畸 变的校正方法主要有实验法和基于图像的数字校正 方法两种 。实验法就是借助实验仪器 ,测出不同视 场处的畸变量对畸变进行修正 。该方法需使用光具 座 、同心圆图等特定的仪器 ,在实际中应用较少 。通 常使用最多的方法是基于图像畸变校正法 ,有网格 标定法[6] 、线阵激光标定法[7 ] 等 。网格标定法一般 计算量较大 ,较多应用于机器视觉系统数与残差关系图
由图 4 可知 ,随着拟合次数的增加 , R 逐渐降 低 ,即拟合精度逐渐增加 。然而拟合次数越高 ,计算 量越大 。为了兼顾计算量和精度 ,考虑到五次曲线 拟合以后 ,随着拟合次数的增加 ,残差减小不多 ,因 此取五次曲线拟合方程作为线阵 CCD 镜头畸变校 正方程 。
所得图像如图 3 所示 。由图 3 可看出 ,黑白条
·442 ·
June 2009
纹离镜头光轴越远 ,畸变越严重 (左边第一条黑条纹 左边沿为视场中心) 。
1. 2 条纹像素坐标 X 为了减小样本数量 ,对黑白条纹进行分组编号 ,
把半视场中的 197 对黑白条纹每 5 对分成一组 ,把
每组第一条黑条纹编号为 1 ,2 ,3 ,4 , …,40 。根据图
1 畸变校正原理及过程
采用空间周期黑白条纹照相法校正线阵 CCD 镜头畸变原理流程图如图 1 所示 。
图 1 线阵 CCD 镜头畸变校正流程图
通过对空间周期黑白条纹进行照相 ,由图像处 理求出各条纹边沿像素坐标 X ;通过成像公式及镜 头中心放大率 ,计算对应各条纹理想像素坐标 X0 ; 用 matlab 拟合求出 X2X 0 关系式 ,即畸变校正函数 ; 利用此函数即可校正线阵 CCD 镜头畸变 。畸变校 正具体做法为 :由图像处理方法求出目标像素坐标 值 X ,把该坐标值代入 X2X 0 关系式 , 求出其对应的 理想像素坐标值 X0 ,此像素坐标即为镜头畸变校正 后的像素坐标 。用此 X0 代替 X 用于线阵 CCD 测 量系统的后续数据处理 ,可消除线阵 CCD 镜头畸变 带来的影响 。 1. 1 照相
由镜头的光学轴对称性知 , X0 是 X 的奇函数 , 当 X < 0 时 ,对应的五次拟合方程为
X0 = 4. 7766 ×10 - 14 X5 + 1 . 9183 ×10- 11 X4 + 1. 2426 ×10 - 7 X3 - 6 . 1328 ×10- 6 X2 +
罗红娥 等 : 线阵 CCD 测量系统的镜头畸变校正新方法
《半导体光电》2009 年 6 月第 30 卷第 3 期
光电技术应用
罗红娥 等 : 线阵 CCD 测量系统的镜头畸变校正新方法
线阵 CCD 测量系统的镜头畸变校正新方法
罗红娥 , 陈 平 , 顾金良 , 夏 言 , 栗保明
( 南京理工大学 弹道国防科技重点实验室 , 南京 210094)
摘 要 : 提出了一种线阵 CCD 测量系统镜头畸变校正的新方法 。用线阵 CCD 相机及经纬 仪组合体 ,对空间周期黑白条纹图像照相 ,通过图像处理和 matlab 曲线拟合建立图像像素坐标与 无镜头畸变的理想像素坐标的关系式 ,即畸变校正函数 。利用畸变校正函数可校正线阵 CCD 镜头 畸变 。将该方法应用于线阵 CCD 散布正交交汇测量系统后 (两相机间距为 1 561 mm) ,测量误差 由畸变校正前 5 mm 提高到畸变校正后的 0. 9 mm 。实验结果表明 ,用该方法进行镜头畸变校正 后 ,线阵 CCD 散布测量系统的精度得到了显著的提高 。
1. 0034 X + 0. 10809 利用上两式 ,即可根据图像处理所得图像像素坐标 值 X ,计算出无镜头畸变时的理想像素坐标值 X0 , 用此理想像素坐标值 X0 进行后续处理 ,即可校正线 阵 CCD 镜头畸变对测量结果带来的影响 。
用高速线阵 CCD 相机及经纬仪组合体 ,在自然 光照明条件下 ,以墙为照相背景 ,对空间周期黑白条 纹图案进行照相 。高速线阵 CCD 摄像机及经纬仪 组合体放置水平后 ,测量得物镜物方主点到墙面的 水平距离为 1 676 mm 。等空间周期黑白条纹测量 图案贴于墙上 (条纹尽量水平) ,条纹图案边沿尽在 视场中 。线阵 CCD 相机像素数为 2 048 ,故像素点 坐标为 1 024 处为镜头光学中心 。调整系统 ,使第 一条黑条纹左边沿成像在像素坐标 1 024 位置 。空 间周期黑白条纹测量图案长 1. 4 m , 空间周期为 51 97 mm ,局部图如图 2 所示 。
头畸变的理想像素作标 , a 为线阵 CCD 像素坐标 。
将式 (2) , (3) 代入式 (1) 得
n - 1024 = M Y/ a (4)
n0 - 1024 = M0 Y/ a 令 n - 1024 = X , n0 - 1024 = X0 ,式 (4) 改写为
X = MY/ a (5)
X 0 = M0 Y/ a
当 X ≥0 时 ,图像像素坐标 X 与理想像素坐标 X 0 关系曲线及拟合曲线如图 5 所示 ; 线阵 CCD 镜 头畸变校正函数五次拟合方程为
X0 = 4. 7766 ×10 - 14 X5 - 1 . 9183 ×10- 11 X4 + 1. 2426 ×10 - 7 X3 + 6 . 1328 ×10- 6 X2 + 1. 0034 X - 0. 10809
像处理 ,计算出各编号黑色条纹左边沿亚像素级的
像素坐标 X 。
1. 3 条纹理想像素坐标 X0
若物高为 Y , 理想成像的像高为 Y′L ,实际成像
的像高为 Y ; 近轴成像的放大率为 M0 , 实际成像的
放大率为 M ,则
Y′= M Y
Y′L = M0 Y
(1)
式中 , M0 为常数 ,可见 Y′L 是物高 Y 的线性函数 ; 因
关键词 : 线阵 CCD ; 空间周期黑白条纹 ; 镜头畸变校正 中图分类号 : TP273 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 (2009) 03 - 0441 - 03
A Ne w Method of Lens Distortion Calibration of Linear CCD Measurement System L UO Ho ng2e , C H EN Ping , GU J in2liang , XIA Yan , L I Bao2ming
Key words : linear CCD ; spatial perio dic black and white st ripes ; lens distortio n calibratio n
0 引言
随着线阵 CCD 技术的飞速发展 ,线阵 CCD 系 统在无接触实时测量系统[122 ] 、表面缺陷检测系统[3 ] 及高速运动目标姿态测量系统[425] 等方面获得了越 来越多的应用 。由于线阵 CCD 测量系统一般摄像 视场较大 ,所以物镜大多采用广角镜头 。与非广角 镜头相比广角镜头畸变较为严重 ,线放大率随物体 的位置离开光轴距离的变化而变化 ,使得物体经过
( National Defence Research Laboratiory of Bassistics , Nanjing University of Science and Technology , Nanjing 210094 , CHN)
Abstract : Carried o ut is a new met hod of lens disto rtio n calibratio n based o n linear CCD measurement system. Lens distortio n of linear CCD camera is calibrated by t he met hod of taking p hoto s of spatial perio dic black and white st ripes wit h t he co mbinatio n of linear CCD camera and t heodolite. The lens distortio n calibratio n f unctio n bet ween t he image coordinates and t he ideal image coordinates wit ho ut lens distortio n was carried o ut by image p rocessing and matlab curve fit ting. This lens distortio n calibratio n met hod was applied to linear CCD cro ssing dispersio n measurement system (t he distance bet ween t he t wo CCD cameras is 1 561 mm) and t he error of t he measurement system decreased f ro m 5 mm before calibratio n to 0. 9 mm af ter calibratio n. The experiment result s show t hat t he p recisio n of t he linear CCD measurement system increased o bvio usly by calibrating lens distortio n wit h t his met ho d.
6 R =
1 k- 1
[ F( X i ) - X0i ]2
(6)
式中 , k 为样本数量 ; F( X i ) 为 X i 带入拟合方程后计 算得到的理想像素坐标值 。
由拟合残差公式 ,拟合残差标准差 R 与 matlab
曲线拟合次数的关系如图 4 所示 。
·441 ·
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 30 No. 3
的图像复原处理[628 ] ;线阵激光标定法[7 ] 由于样本数 较少 ,测量点畸变情况不能完全反映线阵 CCD 镜头 全镜头畸变情况 ,校正精度尚需提高 。
本文提出一种新的线阵 CCD 镜头畸变校正方 法 ,用线阵 CCD 相机及经纬仪组合体 ,对空间周期 黑白条纹图像照相 ,通过图像处理和 matlab 曲线拟 合建立图像像素坐标与无镜头畸变的理想像素坐标 的关系式 ,即畸变校正函数 ,用来校正线阵 CCD 镜 头畸变 ,提高线阵 CCD 测量系统测量精度 ,称为空 间周期黑白条纹照相法 。
收稿日期 :2008 - 05 - 26.
畸变镜头后成像偏离理想位置 ,若不进行畸变校正 , 将会严重地影响测量精度 。因此 ,在线阵 CCD 测量 系统中 ,必须对镜头畸变进行校正 。常用的镜头畸 变的校正方法主要有实验法和基于图像的数字校正 方法两种 。实验法就是借助实验仪器 ,测出不同视 场处的畸变量对畸变进行修正 。该方法需使用光具 座 、同心圆图等特定的仪器 ,在实际中应用较少 。通 常使用最多的方法是基于图像畸变校正法 ,有网格 标定法[6] 、线阵激光标定法[7 ] 等 。网格标定法一般 计算量较大 ,较多应用于机器视觉系统数与残差关系图
由图 4 可知 ,随着拟合次数的增加 , R 逐渐降 低 ,即拟合精度逐渐增加 。然而拟合次数越高 ,计算 量越大 。为了兼顾计算量和精度 ,考虑到五次曲线 拟合以后 ,随着拟合次数的增加 ,残差减小不多 ,因 此取五次曲线拟合方程作为线阵 CCD 镜头畸变校 正方程 。
所得图像如图 3 所示 。由图 3 可看出 ,黑白条
·442 ·
June 2009
纹离镜头光轴越远 ,畸变越严重 (左边第一条黑条纹 左边沿为视场中心) 。
1. 2 条纹像素坐标 X 为了减小样本数量 ,对黑白条纹进行分组编号 ,
把半视场中的 197 对黑白条纹每 5 对分成一组 ,把
每组第一条黑条纹编号为 1 ,2 ,3 ,4 , …,40 。根据图
1 畸变校正原理及过程
采用空间周期黑白条纹照相法校正线阵 CCD 镜头畸变原理流程图如图 1 所示 。
图 1 线阵 CCD 镜头畸变校正流程图
通过对空间周期黑白条纹进行照相 ,由图像处 理求出各条纹边沿像素坐标 X ;通过成像公式及镜 头中心放大率 ,计算对应各条纹理想像素坐标 X0 ; 用 matlab 拟合求出 X2X 0 关系式 ,即畸变校正函数 ; 利用此函数即可校正线阵 CCD 镜头畸变 。畸变校 正具体做法为 :由图像处理方法求出目标像素坐标 值 X ,把该坐标值代入 X2X 0 关系式 , 求出其对应的 理想像素坐标值 X0 ,此像素坐标即为镜头畸变校正 后的像素坐标 。用此 X0 代替 X 用于线阵 CCD 测 量系统的后续数据处理 ,可消除线阵 CCD 镜头畸变 带来的影响 。 1. 1 照相
由镜头的光学轴对称性知 , X0 是 X 的奇函数 , 当 X < 0 时 ,对应的五次拟合方程为
X0 = 4. 7766 ×10 - 14 X5 + 1 . 9183 ×10- 11 X4 + 1. 2426 ×10 - 7 X3 - 6 . 1328 ×10- 6 X2 +
罗红娥 等 : 线阵 CCD 测量系统的镜头畸变校正新方法
《半导体光电》2009 年 6 月第 30 卷第 3 期
光电技术应用
罗红娥 等 : 线阵 CCD 测量系统的镜头畸变校正新方法
线阵 CCD 测量系统的镜头畸变校正新方法
罗红娥 , 陈 平 , 顾金良 , 夏 言 , 栗保明
( 南京理工大学 弹道国防科技重点实验室 , 南京 210094)
摘 要 : 提出了一种线阵 CCD 测量系统镜头畸变校正的新方法 。用线阵 CCD 相机及经纬 仪组合体 ,对空间周期黑白条纹图像照相 ,通过图像处理和 matlab 曲线拟合建立图像像素坐标与 无镜头畸变的理想像素坐标的关系式 ,即畸变校正函数 。利用畸变校正函数可校正线阵 CCD 镜头 畸变 。将该方法应用于线阵 CCD 散布正交交汇测量系统后 (两相机间距为 1 561 mm) ,测量误差 由畸变校正前 5 mm 提高到畸变校正后的 0. 9 mm 。实验结果表明 ,用该方法进行镜头畸变校正 后 ,线阵 CCD 散布测量系统的精度得到了显著的提高 。
1. 0034 X + 0. 10809 利用上两式 ,即可根据图像处理所得图像像素坐标 值 X ,计算出无镜头畸变时的理想像素坐标值 X0 , 用此理想像素坐标值 X0 进行后续处理 ,即可校正线 阵 CCD 镜头畸变对测量结果带来的影响 。
用高速线阵 CCD 相机及经纬仪组合体 ,在自然 光照明条件下 ,以墙为照相背景 ,对空间周期黑白条 纹图案进行照相 。高速线阵 CCD 摄像机及经纬仪 组合体放置水平后 ,测量得物镜物方主点到墙面的 水平距离为 1 676 mm 。等空间周期黑白条纹测量 图案贴于墙上 (条纹尽量水平) ,条纹图案边沿尽在 视场中 。线阵 CCD 相机像素数为 2 048 ,故像素点 坐标为 1 024 处为镜头光学中心 。调整系统 ,使第 一条黑条纹左边沿成像在像素坐标 1 024 位置 。空 间周期黑白条纹测量图案长 1. 4 m , 空间周期为 51 97 mm ,局部图如图 2 所示 。
头畸变的理想像素作标 , a 为线阵 CCD 像素坐标 。
将式 (2) , (3) 代入式 (1) 得
n - 1024 = M Y/ a (4)
n0 - 1024 = M0 Y/ a 令 n - 1024 = X , n0 - 1024 = X0 ,式 (4) 改写为
X = MY/ a (5)
X 0 = M0 Y/ a
当 X ≥0 时 ,图像像素坐标 X 与理想像素坐标 X 0 关系曲线及拟合曲线如图 5 所示 ; 线阵 CCD 镜 头畸变校正函数五次拟合方程为
X0 = 4. 7766 ×10 - 14 X5 - 1 . 9183 ×10- 11 X4 + 1. 2426 ×10 - 7 X3 + 6 . 1328 ×10- 6 X2 + 1. 0034 X - 0. 10809
像处理 ,计算出各编号黑色条纹左边沿亚像素级的
像素坐标 X 。
1. 3 条纹理想像素坐标 X0
若物高为 Y , 理想成像的像高为 Y′L ,实际成像
的像高为 Y ; 近轴成像的放大率为 M0 , 实际成像的
放大率为 M ,则
Y′= M Y
Y′L = M0 Y
(1)
式中 , M0 为常数 ,可见 Y′L 是物高 Y 的线性函数 ; 因
关键词 : 线阵 CCD ; 空间周期黑白条纹 ; 镜头畸变校正 中图分类号 : TP273 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 (2009) 03 - 0441 - 03
A Ne w Method of Lens Distortion Calibration of Linear CCD Measurement System L UO Ho ng2e , C H EN Ping , GU J in2liang , XIA Yan , L I Bao2ming
Key words : linear CCD ; spatial perio dic black and white st ripes ; lens distortio n calibratio n
0 引言
随着线阵 CCD 技术的飞速发展 ,线阵 CCD 系 统在无接触实时测量系统[122 ] 、表面缺陷检测系统[3 ] 及高速运动目标姿态测量系统[425] 等方面获得了越 来越多的应用 。由于线阵 CCD 测量系统一般摄像 视场较大 ,所以物镜大多采用广角镜头 。与非广角 镜头相比广角镜头畸变较为严重 ,线放大率随物体 的位置离开光轴距离的变化而变化 ,使得物体经过
( National Defence Research Laboratiory of Bassistics , Nanjing University of Science and Technology , Nanjing 210094 , CHN)
Abstract : Carried o ut is a new met hod of lens disto rtio n calibratio n based o n linear CCD measurement system. Lens distortio n of linear CCD camera is calibrated by t he met hod of taking p hoto s of spatial perio dic black and white st ripes wit h t he co mbinatio n of linear CCD camera and t heodolite. The lens distortio n calibratio n f unctio n bet ween t he image coordinates and t he ideal image coordinates wit ho ut lens distortio n was carried o ut by image p rocessing and matlab curve fit ting. This lens distortio n calibratio n met hod was applied to linear CCD cro ssing dispersio n measurement system (t he distance bet ween t he t wo CCD cameras is 1 561 mm) and t he error of t he measurement system decreased f ro m 5 mm before calibratio n to 0. 9 mm af ter calibratio n. The experiment result s show t hat t he p recisio n of t he linear CCD measurement system increased o bvio usly by calibrating lens distortio n wit h t his met ho d.