CCD摄像机像面中心的激光标定方法研究

CCD 摄像机像面中心的激光标定方法研究
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朱振友,朴永杰,林　涛,陈善本
(上海交通大学焊接研究所,上海　200030)
提要:论述了采用激光方法对视觉传感用CCD 摄像机的像面中心进行标定的原理和方法,并对所采集的激光光斑图像进行适当的处理,通过求取质心的方法确定其精确位置,从而实现对像面中心的精确标定。

实验结果表明,该方法计算量较小,精度较高。

关键词:摄像机;像面中心;标定;激光
中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2004)01-0035-02
R esearch of laser calibration method for the im age plane center of the CCD camera
ZH U Zhen -y ou ,PIAO Y ong -jie ,LIN T ao ,CHE N Shan -ben
(Research Inst.of welding ,Shanghai Jiaotong University.,Shanghai 200030,China )
Abstract :The laser calibration method and theory have been discussed ,which has been used in calibrating the image plane center of the CCD camera.The la 2ser facula image has been disposed properly ,s o the accurate position has been located by calculating the center of mass.C onsequently ,the image plane center can be calibrated accurately.The results of experiments proved that the method could reduce com putation and im prove precision.
K ey w ords :camera ;image plane center ;calibration ;laser
收稿日期:2003-09-19
基金项目:上海市科委重点攻关项目(021111116)
作者简介:朱振友(1973-),男,辽宁清原人,讲师,上海交通大学在读博士生,主要从事焊接机器人系统工程及机器人视觉传感方面的研究工作,发表论文数篇。

1　引言
人类感知外部世界主要是通过视觉、触觉、听觉和嗅觉
等感觉器官,据统计大约80%的信息是由视觉获得的〔1〕。

因此,视觉传感技术一直是人们研究的热点问题。

由于视觉传感具有信息丰富、快速及自动化程度较高等优点,目前在工业生产中得到了广泛的应用。

作为视觉传感系统的核心,摄像机的参数标定将直接影响整个系统的工作精度。

对于CC D (Charge C oupled Device )摄像机的参数标定,主要包括内参数及外参数两部分,其中内参数主要由像面中心(主点)、有效焦距、镜头畸变参数以及图像平面的纵横比例因子组成,外部参数主要是指摄像机坐标系与世界坐标系的转换矩阵。

针对不同的视觉系统,标定摄像机参数的方法很多,其中很多方法都要求对摄像机的光学中心及图像平面的纵横比例因子进行预标定。

对于摄像机的像面中心的标定大多采用变焦距法、径向准直法及根据透射成像原理进行标定,它们普遍存在着计算量较大、标定精度不高的不足之处〔2-4〕。

本文主要论述采用激光对摄像机的像面中心进行标定的原理及方法。

2　标定原理
2.1　摄像机成像模型
摄像机的像面中心是指透镜的主光轴与CC D 成像靶面的交点。

如图1所示,是带有一阶径向畸变的摄像机成像模型,其中Z c 为透镜的主光轴,坐标系O i -X i Y i 为CC D 成像靶面上的图像坐标系,O i 即为摄像机的成像平面中心。

在计算机视觉系统中,摄像机的像面中心一般是指图像坐标系的坐标原点,同时,在高精度应用场合它也是透镜径向、切向畸变标定模型的中心。

该点一般位于CC D 成像靶面的中点,但是由于相机的生产和安装误差,以及镜头畸变的影响,像
面成像中心常常偏离靶面的中点〔5〕。

因此,对摄像机像面中心的精确标定是十分必要的,它是摄像机参数标定必不可少的部分,并且在立体视觉系统中,它是实现从摄像机像平面坐标系到世界坐标系变换的必要前提。

2.2　激光法标定像面中心原理
采用激光法进行摄像机像面中心的标定原理如图2所示。

激光通过遮光板上的小孔投射到摄像头透镜表面,根据光学原理可知,一部分光线穿过透镜在CC D 的成像平面上形成激光光点图像,而另一部分光线会被透镜的表面反射,反射光投射在遮光板的表面(反射角度较小时)形成反射光斑。

当入射光线与透镜的主光轴重合时,透镜表面的反射光线与入射光线重合,反射光斑反射到遮光板表面的小孔处,此时穿过透镜的光线在摄像机的成像平面所成的像点位置即为摄像机的像面中心位置。

因此,通过观察发射光斑在遮光板上的位置,仔细调整摄像机的位置和姿态,使反射光斑成像在入射小孔处,即可求得摄像机的像面中心位置。

3　实验结果与分析
3.1　实验过程
实验中被标定的摄像机为奥尼克斯(ARONIX )MCC -2510笔筒型CC D 摄像机,它的体积较小,靶面尺寸为1Π3英寸,成像平面像素为500(H )×582(V ),图像采集卡为美国NI (National Instrument )公司出品的PCI -1409图像采集卡,实验采集图像为8bit BMP 图像,图像尺寸为768×582pixel 。

为了更好的观测反射光斑,整个实验过程在暗室进行。

实验过程如图3所示,可以看出,透镜表面反射光斑没有与入射激光重合,通过仔细调节摄像头的位置和姿态,使反射光斑与入射的激光光线重合,如图4所示,这时可以认为激光束与摄像机的透镜主光轴重合,激光的入射光线在摄像机的成像平面上所成的像即为摄像机像面中心。

3.2　主点位置的求取
由于激光的入射光强度较高,其入射光线在CC D 成像靶面上形成了一个以入射光点为中心的光斑(图3),可通过适当的图像处理的方法求取该光斑的质心位置,根据公式(1):
X g =
1N
Σi =N i =1
X i ;Y g =1N
Σi =N
i =1
Y i
(1)
可求得入射光斑的质心位置。

经过多次重复实验,每次都是打乱摄像机与激光入射光束的相对位置,经过重新调整后取得图像,实验结果数据如表1所示。

由8次实验数据的平均值求得摄像机的像面中心在像素坐标系的(365.17,282.83)位置,并且由实验数据可以看出,每次实验的标定结果误差较小(<1pixel ),实验的重复性较好。

5
3 《激光杂志》2004年第25卷第1期 LASER JOURNA L (V ol.25.N o.1.2004)
表1　实验数据统计
序号
X Y 1
364.67283.812365.83282.183365.17282.994364.85283.125365.30282.536365.14282.377365.21283.048
365.18282.58平均值
365.17
282.83
4　结论
(1)采用激光法对视觉传感系统的CC D 摄像机像面中心
进行标定,实验方法简单,精度较高。

可一次单独的标定摄像机的像面中心参数,而与其它的参数无关,从而避免了复
杂的计算过程。

(2)该方法标定结果可为摄像机的其他参数标定提供了必要的前提。

参考文献
〔1〕　贾云得.机器视觉〔M 〕.北京:科学出版社,2000,1-8.〔2〕　高立志,方勇,林志航,陈康宁.高精度立体视觉测量中的一种
通用的摄像机标定技术〔J 〕.机械科学与技术,1998,17(5):808
-811.
〔3〕　周富强,邾继贵,杨学友,叶声华.CCD 摄像机快速标定技术
〔J 〕.光学精密工程,2000,8(1):96-100.〔4〕　R oger Y T.A versatile camera calibration technique for high -accuracy
3D machine vision metrology using off -the -shelf T V camera and
lenses.〔J 〕.IEEE Journal of Automation ,1987,RA -3(4):46-48.〔5〕　张贞子.机器人视觉定位及跟踪〔D 〕.哈尔滨:哈尔滨工业大学,
1997,20-40.
・激光医学与医学・
提高青年教师基本技能,深化临床教学改革
镡旭民,杨　桦,邓安春
(第三军医大学新桥医院耳鼻咽喉科教研室,重庆　400037)
1　实施方法
①夯实专业基础。

规定我科的青年教师,用半年的时间通读新
的耳鼻咽喉科专业教课书。

以全面了解临床专业知识,扫除专业盲角,提高专业基础理论水平。

②跟踪本专业国内外发展最新水平。

每个青年教师负责一本外文期刊和一本中文期刊,每2个月做一次读新报告和读书交流,汇报专业发展的新动向、新成果。

③强化专业基本手术训练。

用1年的时间做好几个基本手术,如:扁桃体切除术、鼻中隔矫正术、上颌窦根治术;乳突根治术等。

每个手术至少有上级医生参加指导3次。

要求操作规范化、步骤理论化,术式科学化。

并在科内教学会上,汇报交流经验体会。

④提高专业外语水平。

每周科内集体学习15—20个专业英语单词。

用8个月时间学完新教教科书所能见到的所有英语单词,要求他们做到读得准、写得对。

⑤教学实践中,培养教学改革创新能力。

λ在本、专科教学中,每人承担耳、鼻、咽、喉其中一门授课任务,要求对课程内容设置进行更新,突出军事医学特点、并反映最新发展成果。

µ要摸索课堂教学新方法。

以‘简洁,生动、形象’‘文、图、声、像’为原则,改革课堂教学方法。

⑥建立培养效果质量监控制度,以保证每项改革措施的落实。

每堂课有高年教师听课,课后要讲评。

每学年,接受一次科内教员都参加的集体听课,并结合学生反馈及教学督导专家意见做讲评。

2　结果
在两年多的实践和摸索中,我们认真落实以上措施,使青年教师的素质和能力得到了全面的提升。

继而出现了新的临床教学局面。

①课程内容设置得到了优化,增加了和战伤有关的耳鼻咽喉科专业内容,既突出了军事医学的特色,又满足了教学大纲的要求,同时得到了机关主管教学部门的认可。

②课程内容得到补充,较好地反映了医学发展的先进水平,扩
大了学生的知识面。

同时激发了学生的学习热情和创新思维。

此在学生的调查反馈信息中,得到肯定。

③改革了教学方法,总结出了一套‘纲要教学、理性教学、积极教学、形象教学’的课堂经验。

在教学中收到积极的效果,较好地解决了课程内容多,授课时间少的矛盾,又提高了教学质量。

④学生对耳鼻咽喉科的学习兴趣明显增加,学习成绩得到明显的进步,尤其是军事医学的成绩提高显著。

⑤青年教师的专业英语水平显著提高,改善了课堂英语教学能力。

提高了学生的专业英语学习质量。

⑥青年教师的外科技能素质的提高,使见、实习中示范和讲解更规范、更科学、更有吸引力,显著提高了见、实习质量。

医疗统计数据证明,同时也提高了临床医疗质量。

取得了教学、临床双赢的效果。

针对当前青年教师多,他们临床经验少,但又是当前教学主力这一新的形势特点,我们认为,要想搞好临床课教学改革,必须首先
‘要研究如何提高教师的水平’〔1〕。

教学改革的关键在于教师素质和能力的改变。

教师的成长一般要经过入门、熟悉、合格、熟练、专家5个阶段。

目前大多数青年教师尚处于前两个阶段,也是素质和能力培养的关键时期。

从基本技能入手提高素质和能力,是促进教师成长的5个动态演变过程的推动力,是临床教学改革的关键。

这是我们对临床教学改革的一个基本认识。

系统管理理论认为,系统内部由相互联系、相互依存的诸多要素组成。

基于这一理论,为了提高青年教师的素质和能力,我们设计了6项措施,尽量使它们之间具有科学的结合及有机的联系,呈现相辅相成的正相作用,成为一个较完整的基本技能训练和考核体系。

达到了经过两年多的认真实践,结果证明这些措施具有可操作性,达到了预期目的,收到了明显的效果,并获第三军医大学教学成果奖。

参考文献
〔1〕　邓小平.邓小平文选(1975-1982)〔M 〕.北京:人民出版社.1983,
52.
63 《激光杂志》2004年第25卷第1期 LASER JOURNA L (V ol.25.N o.1.2004)。