线阵CCD测量系统的镜头畸变校正新方法_罗红娥

光电技术应用

线阵CCD测量系统的镜头畸变校正新方法

罗红娥,陈　平,顾金良,夏　言,栗保明

(南京理工大学弹道国防科技重点实验室,南京210094)

摘　要:　提出了一种线阵CCD测量系统镜头畸变校正的新方法。用线阵CCD相机及经纬仪组合体,对空间周期黑白条纹图像照相,通过图像处理和matlab曲线拟合建立图像像素坐标与无镜头畸变的理想像素坐标的关系式,即畸变校正函数。利用畸变校正函数可校正线阵CCD镜头畸变。将该方法应用于线阵CCD散布正交交汇测量系统后(两相机间距为1561m m),测量误差由畸变校正前5mm提高到畸变校正后的0.9mm。实验结果表明,用该方法进行镜头畸变校正后,线阵CCD散布测量系统的精度得到了显著的提高。

关键词:　线阵CCD;空间周期黑白条纹;镜头畸变校正

中图分类号:TP273　文献标识码:A　文章编号:1001-5868(2009)03-0441-03

A New Method of Lens Distortion C alibration of Linear C CD Measurement System

LUO H ong-e,CH EN Ping,G U Jin-liang,XIA Yan,LI Bao-ming

(National Defence Research Laboratio ry of Bassistics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing210094,C HN)

A bstract:　Carried o ut is a new method of lens disto rtion calibration based o n linear CCD

measurement system.Lens disto rtio n of linear CCD camera is calibrated by the metho d o f taking photos of spatial pe rio dic black and w hite stripes w ith the combination of linear CCD camera and theodo lite.The lens distor tion calibration function betw een the image coordinates and the ideal im age coordinate s w itho ut lens disto rtion w as carried out by image processing and m atlab curve fitting.This lens disto rtio n calibration m ethod w as applied to linear CCD cro ssing dispersion measurement sy stem(the distance betw een the tw o CCD cameras is1561m m)and the erro r of the measurement system decreased from5mm befo re calibratio n to0.9m m afte r calibratio n.The

e xperiment results show that the precisio n o

f the linear CCD measurement sy stem increased

obviously by calibrating lens disto rtion w ith this me thod.

Key words:　linear CCD;spatial periodic black and w hite stripes;lens disto rtio n calibration

0　引言

随着线阵CCD技术的飞速发展,线阵CCD系统在无接触实时测量系统[1-2]、表面缺陷检测系统[3]及高速运动目标姿态测量系统[4-5]等方面获得了越来越多的应用。由于线阵CCD测量系统一般摄像视场较大,所以物镜大多采用广角镜头。与非广角镜头相比广角镜头畸变较为严重,线放大率随物体的位置离开光轴距离的变化而变化,使得物体经过畸变镜头后成像偏离理想位置,若不进行畸变校正,将会严重地影响测量精度。因此,在线阵CCD测量系统中,必须对镜头畸变进行校正。常用的镜头畸变的校正方法主要有实验法和基于图像的数字校正方法两种。实验法就是借助实验仪器,测出不同视场处的畸变量对畸变进行修正。该方法需使用光具座、同心圆图等特定的仪器,在实际中应用较少。通常使用最多的方法是基于图像畸变校正法,有网格标定法[6]、线阵激光标定法[7]等。网格标定法一般计算量较大,较多应用于机器视觉系统中二维图像

《半导体光电》2009年6月第30卷第3期罗红娥等:　线阵CCD测量系统的镜头畸变校正新方法

收稿日期:2008-05-26.　

的图像复原处理[6-8];线阵激光标定法[7]由于样本数较少,测量点畸变情况不能完全反映线阵CCD 镜头全镜头畸变情况,校正精度尚需提高。

本文提出一种新的线阵CCD 镜头畸变校正方法,用线阵CCD 相机及经纬仪组合体,对空间周期黑白条纹图像照相,通过图像处理和m atlab 曲线拟合建立图像像素坐标与无镜头畸变的理想像素坐标的关系式,即畸变校正函数,用来校正线阵CCD 镜头畸变,提高线阵CCD 测量系统测量精度,称为空间周期黑白条纹照相法。

1　畸变校正原理及过程

采用空间周期黑白条纹照相法校正线阵CCD 镜头畸变原理流程图如图1所示

。

图1　线阵CCD 镜头畸变校正流程图

通过对空间周期黑白条纹进行照相,由图像处理求出各条纹边沿像素坐标X ;通过成像公式及镜头中心放大率,计算对应各条纹理想像素坐标X 0;用matlab 拟合求出X -X 0关系式,即畸变校正函数;利用此函数即可校正线阵CCD 镜头畸变。畸变校

正具体做法为:由图像处理方法求出目标像素坐标值X ,把该坐标值代入X -X 0关系式,求出其对应的理想像素坐标值X 0,此像素坐标即为镜头畸变校正后的像素坐标。用此X 0代替X 用于线阵CCD 测量系统的后续数据处理,可消除线阵CCD 镜头畸变带来的影响。1.1　照相

用高速线阵CCD 相机及经纬仪组合体,在自然光照明条件下,以墙为照相背景,对空间周期黑白条纹图案进行照相。高速线阵CCD 摄像机及经纬仪组合体放置水平后,测量得物镜物方主点到墙面的水平距离为1676mm 。等空间周期黑白条纹测量图案贴于墙上(条纹尽量水平),条纹图案边沿尽在视场中。线阵CCD 相机像素数为2048,故像素点坐标为1024处为镜头光学中心。调整系统,使第一条黑条纹左边沿成像在像素坐标1024位置。空间周期黑白条纹测量图案长1.4m ,空间周期为5.97mm ,局部图如图2所示。

所得图像如图3所示。由图3可看出,黑白条

纹离镜头光轴越远,畸变越严重(左边第一条黑条纹左边沿为视场中心)

。

1.2　条纹像素坐标X

为了减小样本数量,对黑白条纹进行分组编号,把半视场中的197对黑白条纹每5对分成一组,把每组第一条黑条纹编号为1,2,3,4,…,40。根据图

像处理,计算出各编号黑色条纹左边沿亚像素级的像素坐标X 。

1.3　条纹理想像素坐标X 0

若物高为Y ,理想成像的像高为Y ′L ,实际成像的像高为Y ;近轴成像的放大率为M 0,实际成像的放大率为M ,则

Y ′=MY

Y ′L =M 0

Y

(1)

式中,M 0为常数,可见Y ′L 是物高Y 的线性函数;因M 也是物高Y 的函数,因此Y ′是物高Y 的非线性函数。因为线阵CCD 成像已将图像离散化,Y ′的大小可从图像像素数判读得到,即

Y ′=(n -1024)a

(2)

对于Y ′

L 也作无畸变的离散处理,得Y ′L =(n 0-1024)a

(3)

上两式中,n ,n 0为线阵CCD 图像像素作标和无镜头畸变的理想像素作标,a 为线阵CCD 像素坐标。将式(2),(3)代入式(1)得

n -1024=MY /a

n 0-1024=M 0Y /a

(4)

令n -1024=X ,n 0-1024=X 0,式(4)改写为

X =MY /a

X 0=M 0Y /a

(5) M 0为近轴放大率。为了减小误差,以编号为1,2两组黑白条纹的物高、像高(共10对线)进行计算得到的放大率为近轴放大率,经物高测量和图像判

SEMIC ONDUC TOR OPTOELECTRONIC S Vol .30No .3June 2009