一种用于全视角三维测量仪光学系统的畸变矫正算法的制作方法

本发明属于光学成像技术领域，涉及一种用于全视角三维测量仪光学系统的畸变矫正算法。

背景技术：

全自动影像测量仪能够便捷而快速的进行三维坐标测量，满足现代制造业对尺寸检测提出的更高速、更便捷、更精准的测量需要，是解决制造业发展的一个瓶颈技术。全视角高精度三维测量仪是一款大视场、高分辨率、工作距离范围大的精密测角定位系统，其测角精度要求达到秒级精度。由于全视角三维测量仪采用F-Theta系统、90°大视场广角光学系统，当光学系统的畸变为0.1%时，由畸变产生的角度偏差为2.73′，当光学系统的畸变降低4倍为0.025%时，畸变产生的角度偏差为40″，减小系统畸变可实现系统测角精度不随视场角增大而降低、保证不同视场内测角精度一致，解决由于镜头畸变降低图像中物体的几何位置精度，进而产生的测量误差，可以有效地减小由于光学镜头制造、装调误差所致图像畸变引起的立体测量误差，大大提高系统的测角精度。

技术实现要素：

为了解决由于镜头畸变降低图像中物体的几何位置精度，进而产生测量误差的问题，本发明提供了一种用于全视角三维测量仪光学系统的畸变矫正算法，该算法可以有效地减小由于光学镜头制造、装调误差所致图像畸变引起的立体测量误差，大大提高系统的测角精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于全视角三维测量仪光学系统的畸变矫正算法，包括如下步骤：

一、畸变关系建立

构建标准图像与畸变图像坐标之间的映射关系，生成畸变矫正系数文件或畸变矫正表格文件；

二、畸变图像矫正

利用生成的畸变矫正系数文件或畸变矫正表格文件对输入的畸变图像进行矫正，最终获得矫正后的标准图像。

本发明具有如下有益效果：

1、针对采用了F-Theta系统的光学镜头，保证镜头结构本身优点的同时，保证系统畸变满足测量要求。

2、有效降低了光学系统畸变，提高了测角精度，使全视角三维测量仪测角精度达到秒级。

附图说明

图1为算法组成示意图；

图2为畸变关系建立流程图；

图3为畸变图像矫正流程图；

图4为可见光光学系统组成图；

图5为低畸变广角成像光学镜头结构图；

图6为系统畸变分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的用于全视角三维测量仪光学系统的畸变矫正算法由畸变关系建立与畸变图像矫正两部分组成，其中：

所述畸变关系建立是构建标准图像与畸变图像坐标之间的映射关系。如图2所示，具体步骤如下：

1）根据用户提供的相机参数和实际标靶，利用理想成像投影关系计算控制点的标准图像坐标；

2）根据实际畸变后的靶标图像，获取控制点在畸变图像坐标系中的坐标；

3）如果采用函数表达法对畸变关系进行描述，则利用步骤1）、2）获得的控制点标准图像坐标和畸变图像坐标对映射函数中的参数进行拟合，并按照协议生成畸变矫正系数文件；

4）如果采用表格法对畸变关系进行描述，则对步骤1）、2）获得的控制点标准图像坐标和畸变图像坐标插值，并按照协议生成畸变矫正表格文件。

所述畸变图像矫正是利畸变关系建立部分生成的畸变矫正系数文件或畸变矫正表格文件对输入的畸变图像进行矫正，最终获得矫正后的标准图像。如图3所示，具体步骤如下：

1）如果利用畸变矫正系数文件进行图像矫正，则利用文件中的系数计算矫正后标准图像各像元在畸变图像中对应的坐标；

2）如果利用畸变矫正表格文件进行图像矫正，则在文件中的表格中查找矫正后标准图像各像元在畸变图像中对应的坐标；

3）根据矫正后标准图像各像元在畸变图像中的坐标，在用户的输入畸变图像中插值查找这些坐标对应的图像灰度信息；

4）将查找到的灰度信息进行整合，对标准图像中像素坐标超出畸变图像范围的点进行灰度置零处理，生成畸变矫正后的图像。

具体实施方式二：如图4所示，本实施方式提供了用于全视角三维测量仪的可见光光学系统，所述可见光光学系统由低畸变广角成像光学镜头1和线阵CMOS相机2组成，线阵CMOS相机2与低畸变广角成像光学镜头1固定在一起，低畸变广角成像光学镜头1将搜集到的可见光图像清晰成像在线阵CMOS相机2焦面上。

如图5所示，所述的低畸变广角成像光学镜头1采用了F-Theta镜头结构，使空间角解析度与相机元数和尺寸成正比。低畸变广角成像光学镜头1焦距为26.07，是普通广角成像物镜焦距的3倍以上，为长焦广角成像物镜，有利于提高单像素张角的分辨率，实现目标的精确定位。工作波段为480～650nm，视场角为90º，工作距离为3m～100m，像面离焦量为0.2mm，当系统远心度为1°时，在工作距离内主光线产生的测角偏差为27″，当系统远心度为0.1°时，产生的测角偏差为2.7″，最大远心度为0.137°，可实现测量精度不随测量距离的改变而降低，在不同工作距离内测角精度一致，实现秒级测角精度。低畸变广角成像光学镜头1的F数为4， MTF为0视场≥0.4（100lp/mm），0.7视场≥0.3（100lp/mm），低畸变广角成像光学镜头1用于搜集可见光图像，并清晰成像在线阵CMOS相机2焦面上。

所述的线阵CMOS相机2为4×8192分辨率、5μm×5μm像元的大小的线阵传感器，线阵CMOS相机2通过光电转换，生成相应强度的电信号输出，生成可见光图像，供后续图像处理，从而实现大视场、高清晰、远距离目标观测及图像采集。

利用具体实施方式一所述方法对本实施方式的可见光光学系统的畸变进行矫正，其畸变分析图如图6所示。由图6可知：F-Theta镜头的畸变曲线平直，全视场最大畸变为-0.00167%，为系统指标要求畸变的1/3000,极大的减小了由于镜头畸变引起的角度偏差，此时由于系统畸变所引起的最大角度偏差为2.7″，实现了系统的秒级测角精度，解决了由于镜头畸变降低图像中物体的几何位置精度，进而产生的测量误差，可以有效地减小由于光学镜头制造、装调误差所致图像畸变引起的立体测量误差。