视觉传感器的标定技术

视觉传感器的标定技术

双目视觉传感器由两台性能相同的面阵CCD摄像机组成，基于立体视差的原理，可完成视场内的所有特征点的三维测量，尤其是其它类型的视觉传感器所不能完成的测量任务，如圆孔的中心、三棱顶点位置的测量等。因此，双目视觉传感器是多传感器视觉检测系统的主要传感器之一。要实现双目视觉传感器直接测量大型物体关键点的三维测量，就必须知道传感器的内部参数(摄像机的参数)、结构参数(两摄像机间的位置关系)及传感器坐标系与检测系统的整体坐标系的关系(即全局标定)。因此，在实际测量之前，先要对摄像机进行参数标定。一般方法是，传感器被提供给整个系统使用前，就离线完成传感器的内部参数及结构参数的标定，采用一标准二维精密靶标及一维精密导轨，通过移动导轨来确定坐标系的一个坐标，通过摄像机的像面坐标及三个世界坐标的对应关系求得这些参数

这种方法的缺点是：标定过程中，需要精确调整靶标与导轨的垂直关系，而且需多次准确移动导轨；同时标定过程的环境与实际测量的情形有差异；传感器在安装的过程中，易引起部分参数的变化，需多次的拆卸；摄像机还需进行全局标定。由此可知标定的劳动强度大，精度难以保证。本文提出了一种现场双目传感器的标定方法，只需先确定摄像机的部分不易变化的参数，其它参数在摄像机安装到整个系统后进行标定。该方法大大地减少了上述因素的影响，能得到满意的标定精度。

2　双目视觉传感器三坐标数学模型　　

2.1　摄像机模型　　假定摄像机模型为理想的针孔透视变换模型，不考虑透镜的畸变，采用较好的光学镜头，获得的精度足以满足象白车身检测一类的大型尺寸检测系统。建立如图2所示的摄像机模型。　　设(x,y,z)是空间点P在摄像机坐标系(定义如图2)中的三维坐标，摄像机坐标系定义为：中心在O点(光学中心)，Z轴与光轴重合。OXY是中心在O点(光轴Z与图像平面的交点)平行于x、y轴的图像坐标系。物空间点与OXY像面间构成理想的透视对应。图像在计算机中的坐标系Ofuv的单位是像素(pixels)，则oxyz空间点到像面的透视变换为：　　

2.2　双目视觉传感器三坐标测量模型　　由两台CCD摄像机组成的空间三坐标测量传感器的数学模型和相应的各种坐标系如图3所示。设摄像机1位于传感器测量坐标系oxyz的原点处且无旋转，像面坐标系为O1X1Y1，有效焦距为f1，像面中心为(u01，v01)；摄像机2坐标系为o2x2y2z2，像面坐标系为O2X2Y2，有效焦距为f2，像面中心为(u02，v02)，摄像机模型如前所述。　参数标定　横纵像素转换当量比sx与图像中心点(u0,v0)的标定　　对CCD面阵摄像机而言，CCD面阵上相邻两行像素的间距已知，而X方向的等效间距受时序及采样的影响，将是不确定的。因焦距同时在X和Y方向上放缩图像，假定垂直像素间距为1，则此时sx代表图像的横纵比。因此，垂直拍摄一个圆环，然后计算水平方向和垂直方向上的直径比，就可求得sx。实际X方向的等效间距为sx与Y方向实际像素间距的乘积。　　因为摄像机CCD面阵安装并不能保证与透镜的光轴为中心，且图像采集数字化的窗口的中心不一定与光学中心重合，这些因素造成了实际中心与图象帧存中心不重合。所以对三维视觉来说，必须精确标定摄像机的光学中心。利用激光束照射摄像机的透镜系统，根据激光束的反射情况调节激光束使其精确地通过光学中心，此时图像中激光束的像(一个光点)表示出了图像中心，这种直接的标定方法简便且有足够的精度。