圆心不对称投影修正的相机标定

采用圆心作控制点的相机标定方法需要修正由不对称投影引起的投影误差,以提高标定精度.本文根据成像模型推导了基于直接线性变换法的投影误差计算公式.提出了先估计投影变换矩阵,直接用其元素计算空间圆在图像平面上的投影,对圆心的图像坐标进行修正后,再次计算投影变换矩阵.该方法无需矩阵分解,避免了不同坐标系的转换.模拟实验结果证明了投影误差计算公式的正确性.实际实验表明,在相机分辨率为780 pixel×582 pixel,空间圆半径为20 mm时,修正误差后的标定误差为0.19 pixel,优于未修正时的误差0.20 pixel,结果表明该方法可行有效.     

利用圆心不对称投影精确标定工业相机

工业相机常采用基于圆形控制点的方法进行标定,但该方法存在不对称投影问题,极易产生标定误差。为了避免引入不对称投影误差并能以迭代方式修正这一误差,本文提出了一种利用圆心不对称投影所蕴含信息的相机标定方法。首先,推导了平面模板上的圆形控制点投影成为椭圆之后的理论坐标;然后,提取每一幅标定板图像中实际椭圆的中心坐标,通过最小二乘算法求得该幅图像对应的精确投影变换矩阵;最后,利用所有的投影变换矩阵求出相机内参数。实验结果表明:采用本文提出的标定方法,标定结果的重投影误差降到了1/50pixel。该方法可一次完成标定,计算简单,标定精度高,适用于工业相机的标定。     

圆形目标精密定位方法的研究与应用

圆形目标的特征定位在计算机视觉中有着重要的作用.分析了在图像处理中影响圆形目标定位精度的几种主要因素,着重研究了圆形目标在透视投影变换过程中所产生的圆心偏差.基于摄像机的透视投影变换过程以及空间解析几何理论,提出了使用同心圆目标快速准确地获取图像中圆形目标圆心真实投影点的方法,同时建立了一种使用同心圆补偿镜头畸变的方法.仿真实验以及实物实验表明该方法可以准确且稳定地补偿透视投影变换过程中所产生的圆心偏差,从而获得图像中圆形目标圆心的真实投影点.该方法可以推广至视觉检测和摄像机参数标定中,利用其设置摄像机参数标定用标定板,具有一定的理论意义与工程实际应用价值.     

基于直线不变性的自修正光靶标

为了减小视觉坐标测量系统中特征点圆心像面投影坐标计算的误差,以改善系统的测量精度,提出了一种利用透视投影变换的直线不变性对其进行修正的新型光靶标。传统的误差减小方法是提高特征点的像边缘检测的精度,或者对特征点像面轮廓椭圆拟合的数学模型进行修正,算法复杂、适应性较差,且对精度的改善也达到了瓶颈。仿真试验表明,基于直线不变性的新型光靶标支持特征点-对应像面位置自动识别,较有效地修正了特征点圆心像面投影坐标计算的误差。     

平面标定靶标标记点的圆心提取算法

基于圆形标记点的平面靶标被广泛应用于摄像机标定与视觉测量中。针对该平面靶标,为得到圆形标记点在像面上的圆心投影,提高摄像机的标定精度,本文提出了一种基于对偶二次曲线几何特性的圆心提取算法。该算法的核心是平面内一个标记点A像面投影二次曲线对应的对偶矩阵,相对于平面内另外一个标记点B的对偶矩阵的一个广义特征向量,穿过这两个标记点的圆心投影。因此,在获取标记点亚像素级边缘点,拟合椭圆得到椭圆二次曲线方程后,通过任意两个标记点的对偶矩阵,均可得到一条穿过这两个圆心投影的向量。经过同一个圆心投影的多个向量叉乘标准化后的结果就是该标记点的圆心投影。 为测试本文方法提取圆心像点的精度,本文在像面与靶标平面夹角40°的姿态下,对直径为90mm的超大标记点提取圆心投影,圆心投影误差为0.1~1pixel。并以此方法得到的圆心投影对手持式扫描仪进行摄像机标定,进而对已知坐标的平面靶标及3D工件上的标记点进行扫描,最大误差不超过0.2mm。通过对比,本文提取的圆心投影比采用椭圆圆心的精度高,而且提高了摄像机的标定精度。     

大视场相机最优投影模型识别及星光标定方法

针对在轨摄影测量中近距离大尺寸测量需求,提出利用星光约束的大视场角摄影测量相机最优投影模型识别及标定方法。首先,构建了具备调节系数的星光几何投影分段函数模型。随后,针对分段星光投影模型开发多站位自标定光束平差算法。通过将光束平差算法与北方苍鹰寻优策略相结合,对投影模型调节系数、相机内方位参数、相机外方位参数及镜头畸变系数同步优化,直到星点像面重投影均方根误差达到全局最小,得到最优投影模型及其参数。实测实验表明,大视场角相机星光标定后,星点像面坐标的重投影均方根误差为1/9 pixel。在连续帧星光标定实验中,通过卡尔曼滤波算法对相机参数随机误差进行了有效消除。该方法可在相机星光标定过程中识别最优投影模型并标定全部成像参数,具备连续帧标定及参数校准能力。     

平面标定靶标标记点的圆心提取

基于圆形标记点的平面靶标被广泛应用于摄像机标定与视觉测量中。针对该平面靶标,为得到圆形标记点在像面上的圆心投影,提高摄像机的标定精度,本文提出了一种基于对偶二次曲线几何特性的圆心提取算法。该算法的核心是平面内一个标记点A像面投影二次曲线对应的对偶矩阵CA*,相对于平面内另外一个标记点B的对偶矩阵CB*的一个广义特征向量,穿过这两个标记点的圆心投影。因此,在获取标记点亚像素级边缘点,拟合椭圆得到椭圆二次曲线方程后,通过任意两个标记点的对偶矩阵,均可得到一条穿过这两个圆心投影的向量。经过同一个圆心投影的多个向量叉乘标准化后的结果就是该标记点的圆心投影。为测试本文方法提取圆心像点的精度,本文在像面与靶标平面夹角40°的姿态下,对直径为90mm的超大标记点提取圆心投影,圆心投影误差为0.1～1pixel。并以此方法得到的圆心投影对手持式扫描仪进行摄像机标定,进而对已知坐标的平面靶标及3D工件上的标记点进行扫描,最大误差不超过0.2mm。通过实验证明了本文提取的圆心投影比采用椭圆圆心的精度高,而且提高了摄像机的标定精度。     

一种基于EIH的装配机器人标定方法

针对配置单目手眼相机(Eye in hand,EIH)的六自由度(Six degrees of freedom,6-DOF)串联装配机器人标定问题,提出了一种基于平面靶标的机器人标定方法。将平面靶标固定放置在工作台上,安装在机器人末端执行器处的EIH随机器人各关节依次转动,并拍摄靶标图像。利用ZHANG两步标定法对EIH进行标定,求出各拍摄位置处相机光心在靶面坐标系下的坐标。根据各关节单独运动时相机光心轨迹构成的圆,采用空间圆曲线拟合方法计算圆心坐标和转动关节轴线方向,并通过三焦张量约束优化各轴线方向,得到机器人各关节旋量。在此基础上,采用指数积建立机器人运动学模型。整个标定过程只需要一次安装,一组采集的标定图像。试验结果表明,该方法建立的机器人运动学模型简单有效。     

二维旋转平台下的相机参数标定

针对可旋转相机的参数标定问题,提出了一种基于二维旋转平台的相机成像模型。首先,通过一对坐标系的变换与逆变换,将相机的旋转平移变换关系转换为二维旋转平台纯旋转关系;然后,借助旋转平台读数以及相机到旋转平台的固定变换关系,实现相机内参的精确标定以及任意位置间相机外参的相互转换;最后,利用标定出的相机与旋转平台间变换矩阵实现不同位置相机参数的转换。相比于传统固定相机的标定方法,本文提出的方法标定获得的相机内参具有更好的收敛性,而且能够标定出相机到旋转平台的变换矩阵,从而实现相机坐标系变换参数的精确计算。实验结果表明,在标定模板图像数量相同时,与常用的张氏标定法相比,本文提出的方法标定获得的相机内参具有更快的收敛速度。棋盘格角点重投影坐标与实际拍摄图像中棋盘格角点坐标相对比,平均误差约为0.12pixel,表明该方法具有较高精度。     

大视场远距离视觉测量系统的分步标定

为了克服工程大视场标定精度不高、标靶加工难度大以及现场操作繁琐的问题,本文基于工业近景摄影测量基本原理提出一种大视场多相机内、外参数的分步标定方法。首先,根据相机透视投影模型,在近距离采用小幅面标靶和角锥体法完成相机前截面内参数的解算;然后,在远距离被测空间内布置若干编码标志点,利用多片后方交会原理计算得到相机外参数;最后,对相机内、外参数进行整体光束平差优化,实现精确标定。为验证该方法的可行性和精度,进行了大视场视觉测量实验,测量结果表明本文标定方法的重投影误差小于0.08像素;外场试验实测10 m直升机旋翼总距角的相对误差小于0.1°。该方法可实现相机内参数标定实验室进行、外参数标定外场完成的操作分离。     

基于非量测畸变校正的摄像机标定方法

为了保证镜头畸变系数标定的一致性和简化视觉测量中摄像机的在线标定过程,建立畸变分离的摄像机模型,提出基于非量测畸变校正的摄像机线性标定方法。基于共线点的透视投影不变性,采用大量共线特征点对定焦镜头的畸变参数进行一次标定,摄像机内部参数可以由校正畸变后的特征点进行线性标定。该方法将畸变参数从摄像机模型中分离出来,不需要将畸变参数纳入到摄像机模型中进行多次重复标定。试验结果表明,畸变分离摄像机模型很好地符合了定焦摄像机的成像规律,基于非量测畸变的摄像机参数线性标定方法与传统的非线性优化标定方法的标定精度相当,标定速度提高近3倍,对于简化摄像机标定过程,提高视觉测量的便捷性,拓宽机器视觉的工程应用具有重要意义。     

透视投影变换中椭圆中心畸变误差模型及其仿真研究

针对在三维视觉检测应用中，空间椭圆中心的透视投影变换存在畸变误差的问题进行了研究。基于透视投影变换和空间解析几何理论，建立了在摄像机的像平面上该畸变误差的数学模型，并进行了仿真研究，获得了该畸变误差的变化规律，从而为圆孔(椭圆孔)或圆柱(椭圆柱)类工件的中心位置的视觉检测、结构光三维视觉检测应用及视觉检测中的CCD摄像机内部参数标定等问题的有效解决，提供了一个有效的理论依据，具有一定的理论意义和工程实际应用价值。     

LAMOST焦面板视觉检测中透视误差的研究

针对LAMOST焦面板上光纤孔位置精度的视觉检测中,透视投影变换存在透视误差的问题进行了研究。利用三维坐标系的平移、旋转变换将焦面板坐标系变换到摄像机坐标系,根据空间透视投影理论,将焦面板上孔的坐标点投影到像平面上并引入空间透视误差数学模型,利用Matlab编写程序计算出任意一个孔的透视误差值,并对其进行了仿真分析,得出了LAMOST焦面板视觉检测中透视误差的变化规律。     

一种面向球姿态检测的图像透视畸变校正方法

针对球姿态视觉检测中图像的“近大远小”透视畸变问题,提出了一种面向球姿态检测的图像透视畸变校正方法。基于相机成像模型分析了透视畸变的特点及产生原因,根据已知的球体特征模型、相机标定技术和逆透视变换原理构建了图像透视畸变校正模型,进而实现球体任意姿态图像的透视畸变校正。实验结果表明,利用该方法测量直径60 mm以内的球体姿态时平均绝对误差低于0.6°,且该方法适用于工业生产中球体的其他视觉测量。     

基于市售设备的结构光系统模型及标定

在射影几何矩阵模型和三角法解析模型的基础上,结合市售数码相机和投影仪内部结构参数精度高、工作稳定的特点建立了结构光三维测量系统的实用数学模型。提出一种借助数码相机赋予投影仪"视觉"功能,向标定模板投射正交格雷码图案,从而确定DMD像面点和空间标准点对应关系的投影仪标定方法。作为上述数学模型的基础,设计了基于共线特征的校正模板,采用图像法将数码相机镜头畸变参数分离于系统参数之外单独标定。文中具体给出了数学模型、标定公式及校正模板,最后进行了标定、测量实验。仿真系统验证了方法的可行性,测量相对误差约为0.2%;实际系统平面测量相对误差小于0.7%,重构的复杂表面具有良好视觉效果。     

Calibration Procedures for X-ray Streak Cameras and Elements of X-ray Measuring Circuits

Setups developed for the calibration of X-ray streak cameras and of elements of X-ray measuring circuits are described. Calibration procedures are described and calibration results related to the absolute spectral sensitivity, spatial resolution, distortion, sensitivity nonuniformity over the screen, sweep speed and nonlinearity of an X-ray streak camera, as well as the results of the calibration of filters and mirrors used in recording laser-plasma X-rays are presented. The absolute-calibration error for the streak camera is within ±10%, and the calibration error for the filter and mirrors is within ±2%. Methods for processing photochronograms are described that, using the calibration data, allow the correction of distortions introduced by the streak camera.