基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法与流程

本发明属于光学测量与视觉检测领域，具体涉及一种基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法。

背景技术：

近年来，机器视觉技术与视觉检测技术在许多领域得到了广泛应用，如航空测绘、医学成像、大型复杂曲面的三维检测、机械零件的自动识别与几何测量等领域。视觉检测不但可以提高检测精度，更是很多常规检测方法无法实现时的有效解决途径。

被检测物体图像的获取是视觉检测研究的基础。视觉检测系统应能从工业相机获取的图像出发，通过确定图像中二维像点与实际物体点对应关系，由此识别环境中的物体，从而进行三维重建。

在利用工业相机进行检测中，相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。由于制造水平的限制，实际相机图像传感器位置会偏移理想图像传感器位置从而存在位置安装误差导致像素点发生偏移，使拍摄结果不精确。在工业相机工作中，尤其对于大尺寸物体测量中，物距是焦距的百倍甚至千倍，安装误差在测量结果中可能被放大上千倍，所以相机图像传感器安装误差严重影响测量精度，必须对工业相机所产生的误差进行分析，以便对系统的精度进行评价。

现有的检测技术中，大多考虑相机镜头畸变误差，很少考虑相机内部图像传感器安装位置误差导致的像素点偏移，本发明针对现有视觉测量技术不足，进行数学建模，推导出存在安装误差的误差模型及成像模型，对相机图像传感器安装位置误差进行了较系统和深入的研究。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明公开了一种基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法，该方法综合考虑了镜头畸变误差和相机内部图像传感器安装位置误差，对相机内部图像传感器实际安装位置与理想安装位置发生偏移所产生的误差进行分析与检校，进而提高三维重建精度。

本发明的目的是这样实现的：

基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法，包括以下步骤：

步骤a、通过分析相机内部图像传感器实际安装位置与理想安装位置存在的偏移夹角误差，进行数学建模，建立图像传感器中实际成像点与理想成像点的第一坐标差方程；

步骤b、通过分析相机内部图像传感器实际安装位置与理想安装位置存在的偏移距离误差，进行数学建模，建立图像传感器中实际成像点与理想成像点的第二坐标差方程；

步骤c、通过分析相机内部图像传感器实际安装位置与理想安装位置存在的偏移旋转角度误差，进行数学建模，建立图像传感器中实际成像点与理想成像点的第三坐标差方程；

步骤d、利用步骤a建立的第一坐标差方程，画出偏移夹角与坐标差关系三维图；

步骤e、利用步骤b建立的第二坐标差方程，画出偏移距离与坐标差关系三维图；

步骤f、化简步骤c建立的第三坐标差方程，画出偏移旋转角与坐标差关系三维图；

步骤g、进行相机标定，将标定板某一标定点设为标志点，利用标定出的相机内外参数反推出该标定点坐标值，与真实坐标值进行对比，计算坐标偏移量；

步骤h、计算出相机镜头畸变误差；

步骤i、利用步骤g得到的坐标偏移量减去步骤h得到的镜头畸变误差，利用步骤d得到的偏移夹角与坐标差关系三维图、步骤e得到的偏移距离与坐标差关系三维图和步骤f得到的偏移旋转角与坐标差关系三维图，找出图像传感器偏移夹角最优解、偏移距离最优解和偏移旋转角最优解。

上述基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法，所述步骤a具体为：

以相机的光心作为原点建立相机坐标系O-XYZ，Z轴与相机光轴重合，X、Y轴与图像传感器平行，o为Z轴与图像传感器交点，Oo为相机的焦距f；则图像传感器中实际成像点坐标与理想成像点坐标在相机坐标系中Y轴偏移量ΔY₁和Z轴偏移量ΔZ₁分别为：

式中，f表示相机焦距，φ₁表示入射光线与z轴夹角，λ表示图像传感器实际安装位置与理想安装位置的夹角。

上述基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法，所述步骤b具体为：

以相机的光心作为原点建立相机坐标系O-XYZ，Z轴与相机光轴重合，X、Y轴与图像传感器平行，o为Z轴与图像传感器交点；则图像传感器中实际成像点坐标与理想成像点坐标在相机坐标系中Y轴偏移量ΔY₂和Z轴偏移量ΔZ₂分别为：

ΔY₂＝Δf·tanφ₂

ΔZ₂＝Δf

式中，Δf表示图像传感器实际安装位置与理想安装位置的偏离量，φ₂表示入射光线与Z轴夹角。

上述基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法，所述步骤c具体为：

以相机的光心作为原点建立相机坐标系O-XYZ，Z轴与相机光轴重合，X、Y轴与图像传感器平行，o为Z轴与图像传感器交点；将相机光轴与图像传感器的交点定义为理想成像面与实际成像面坐标轴原点，o-xy为理想成像面坐标系，o-x′y′为实际成像面坐标系，x、y轴，x′、y′轴均与图像传感器平行；则图像传感器中实际成像点坐标与理想成像点坐标在相机坐标系中Y轴偏移量ΔY₃和X轴偏移量ΔX₁分别为：

式中，a，b为成像点在理想成像面坐标系o-xy中的理想成像坐标，为偏离旋转角。

所述步骤f具体为：

令：

b＝a·tan k

r²＝a²+b²＝a²+a²·tan²k＝b²·cot²k+b²

则：

进而画出ΔX₁，ΔY₃与k、曲线分布图。

有益效果：本发明综合考虑了镜头畸变误差和相机内部图像传感器安装位置误差，对相机内部图像传感器实际安装位置与理想安装位置发生偏移所产生的误差进行分析与检校，进而提高三维重建精度。

附图说明

图1是本发明基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法的流程图。

图2是相机坐标系与图像传感器坐标系之间的对应关系图。

图3是理想成像面与实际成像面存在夹角误差时的数学关系图。

图4是理想成像面与实际成像面存在偏离误差时的数学关系图。

图5是理想成像面与实际成像面存在旋转角偏离误差时的数学关系图。

图6是偏移夹角与坐标差关系三维图一。

图7是偏移夹角与坐标差关系三维图二。

图8是偏移距离与坐标差关系三维图。

图9是偏移旋转角与坐标差关系三维图一。

图10是偏移旋转角与坐标差关系三维图二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例的基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法，流程图如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤a、通过分析相机内部图像传感器实际安装位置与理想安装位置存在的偏移夹角误差，进行数学建模，建立图像传感器中实际成像点与理想成像点的第一坐标差方程；

步骤b、通过分析相机内部图像传感器实际安装位置与理想安装位置存在的偏移距离误差，进行数学建模，建立图像传感器中实际成像点与理想成像点的第二坐标差方程；

步骤c、通过分析相机内部图像传感器实际安装位置与理想安装位置存在的偏移旋转角度误差，进行数学建模，建立图像传感器中实际成像点与理想成像点的第三坐标差方程；

步骤d、利用步骤a建立的第一坐标差方程，画出偏移夹角与坐标差关系三维图；

步骤e、利用步骤b建立的第二坐标差方程，画出偏移距离与坐标差关系三维图；

步骤f、化简步骤c建立的第三坐标差方程，画出偏移旋转角与坐标差关系三维图；

步骤g、进行相机标定，将标定板某一标定点设为标志点，利用标定出的相机内外参数反推出该标定点坐标值，与真实坐标值进行对比，计算坐标偏移量；

步骤h、计算出相机镜头畸变误差；

步骤i、利用步骤g得到的坐标偏移量减去步骤h得到的镜头畸变误差，利用步骤d得到的偏移夹角与坐标差关系三维图、步骤e得到的偏移距离与坐标差关系三维图和步骤f得到的偏移旋转角与坐标差关系三维图，找出图像传感器偏移夹角最优解、偏移距离最优解和偏移旋转角最优解。

具体实施例二

本实施例的基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法，在具体实施例一的基础上，进一步限定步骤a具体为：

以相机的光心作为原点建立相机坐标系O-XYZ，Z轴与相机光轴重合，X、Y轴与图像传感器平行，o为Z轴与图像传感器交点，Oo为相机的焦距f；则图像传感器中实际成像点坐标与理想成像点坐标在相机坐标系中Y轴偏移量ΔY₁和Z轴偏移量ΔZ₁分别为：

式中，f表示相机焦距，φ₁表示入射光线与z轴夹角，λ表示图像传感器实际安装位置与理想安装位置的夹角。

具体实施例三

本实施例的基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法，在具体实施例一的基础上，进一步限定步骤b具体为：

以相机的光心作为原点建立相机坐标系O-XYZ，Z轴与相机光轴重合，X、Y轴与图像传感器平行，o为Z轴与图像传感器交点；则图像传感器中实际成像点坐标与理想成像点坐标在相机坐标系中Y轴偏移量ΔY₂和Z轴偏移量ΔZ₂分别为：

ΔY₂＝Δf·tanφ₂

ΔZ₂＝Δf

式中，Δf表示图像传感器实际安装位置与理想安装位置的偏离量，φ₂表示入射光线与Z轴夹角。

具体实施例四

本实施例的基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法，在具体实施例一的基础上，进一步限定步骤c具体为：

以相机的光心作为原点建立相机坐标系O-XYZ，Z轴与相机光轴重合，X、Y轴与图像传感器平行，o为Z轴与图像传感器交点；将相机光轴与图像传感器的交点定义为理想成像面与实际成像面坐标轴原点，o-xy为理想成像面坐标系，o-x′y′为实际成像面坐标系，x、y轴，x′、y′轴均与图像传感器平行；则图像传感器中实际成像点坐标与理想成像点坐标在相机坐标系中Y轴偏移量ΔY₃和X轴偏移量ΔX₁分别为：

式中，a，b为成像点在理想成像面坐标系o-xy中的理想成像坐标，为偏离旋转角。

具体实施例五

本实施例的基于视觉测量的相机内部图像传感器安装误差分离方法，在具体实施例四的基础上，进一步限定所述步骤f具体为：

令：

b＝a·tan k

r²＝a²+b²＝a²+a²·tan²k＝b²·cot²k+b²

则：

进而画出ΔX₁，ΔY₃与k、曲线分布图。

为了对以上实施例做进一步详细解释说明，附上了几幅图，其中：

图2是相机坐标系与图像传感器坐标系之间的对应关系图；

图3是理想成像面与实际成像面存在夹角误差时的数学关系图；

图4是理想成像面与实际成像面存在偏离误差时的数学关系图；

图5是理想成像面与实际成像面存在旋转角偏离误差时的数学关系图；

图6和图7是偏移夹角与坐标差关系三维图；

图8是偏移距离与坐标差关系三维图；

图9和图10是偏移旋转角与坐标差关系三维图。

此外，在步骤h中，图像点在相机在镜头畸变下的坐标可以表示为：

其中，(x_u,y_u)为由相机线性模型计算出来的图像点坐标(x_d,y_d)是实际图像点的坐标；δ_x和δ_y是非线性畸变值，可表示为：

式中，k₁、k₂、p₁、p₂、s₁、s₂为非线性畸变参数。