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    CCD摄像机的误差及其检测

    作者:施工队长    来源:成都系统集成公司    更新时间:2011-3-8 19:49:42    设计指数:          ★★★ 

      目前,面阵CCD摄像机多为工业与保安监控用机,而对其成像的几何性能和量测精度都知之甚少。在利用面阵CCD摄像机进行实时检测的系统中,CCD摄像机所产生的误差是系统中的主要误差。而这种误差是在图像输入的过程中产生的,它影响系统的测量精度,因而是不可忽视的。所以很有必要对CCD摄像机所产生的误差进行分析与检校,以便对系统的精度进行评价。

      CCD摄像机所产生的误差主要由它的光学成像镜头,CCD器件本身的质量以及图像采集装置(含图像采集卡等)共同产生。一般分为光学误差、机械误差和电学误差。

      光学误差主要是指影响影像几何精度的CCD摄像机的光学镜头所产生的镜头畸变差。它包括径向畸变差和切向畸变差(镜头的这种误差早在六、七十年代就已作过深入的研究,由于CCD摄像机镜头与普通照相机镜头没什么差别,故其研究结果可以直接引用)。镜头的这种畸变差在影像上一般表现为中心小而周边较大。

      机械误差主要是指CCD器件质量不好,即CCD机械加工安装时造成的CCD面阵的几何误差。也就是说象元排列不规则而使影像产生的几何误差,它包括象素定位不准,行列不直及相互不垂直等误差。此外还有CCD不同的象元对相同的光强信号转换得到的灰度值有差异的象元敏感不均匀性误差。随着现代加工工艺水平的提高,这种误差较其它误差要小的多。因而一般不予考虑。

      电学误差主要是指CCD在光电信号转换,电荷在势阱中的传递以及A/D转换时所产生的影像几何误差。它主要包括行同步误差、场同步误差和象素采样误差。主要原因是光电信号转换不完全、信号传递后滞以及CCD驱动电路电压及频率不稳等因素造成。

      下面分别介绍CCD摄像机所产生的光学误差、电学误差及其误差检测与分析。

      二、CCD摄像机的光学误差

      CCD摄像机的光学误差即CCD摄像机镜头的畸变差。由于CCD摄像机的物镜与普通摄影物镜无异,而这部分误差早在六、七十年代就已作过相当细致而深入的研究,其结果可直接应用。

      对畸变差的改正,可采用二次多项式拟合法。畸变差中的线性部分可用二维DLT(直接线性变换)算法改正。下面主要讨论非线性误差的改正。

      一般非线性的物镜畸变差可表示如下:

      式中:x,y是象点的坐标仪坐标;

      x0,y0是像主点在坐标仪坐标系中的坐标;

      k1,k2,k3…是待定的对称物镜畸变系数;

      p1,,p2是待定的非对称物镜畸变系数;

      r是向径,

      如果考虑物镜畸变差非线性部分,只要把△x,△y代入二维DLT基本关系式即可。这里取△x=k1(x-x0)2,△y=k1(y-y0)2。因此可得:

      亦即是:

      在有多余控制点的情况下,可以列出式的误差方程和法方程式如下:

      在解算出k1 系数后,就可以对坐标进行改正,从而可以消除或减弱畸变的影响。

      在上面求解k1系数的过程中,需要事先知道x0,y0的初值。初值的确定方法如下:用同一CCD摄像机对一平面摄像,让CCD摄像机与平面近似平行。平面上的点的分布如图1所示。

      先摄一张像片;保持摄像机与平面位置不动,换不同的焦距的镜头再摄一张像。这时由于两次摄像时其它条件均相同,只是焦距不同,因此图中1、2、3、4点在两幅影像上的成像情况可表示如图2所示。用高精度点检测算法分别检测出1、2、3、4点在两幅影像上的位置1ˊ,2ˊ,3ˊ,4ˊ和1″,2″,3″,4″。分别求出过点1′,1〞的直线L1,过点2′,2〞的直线L2,过点3′,3″的直线L3,过点4′,4″的直线L4的方程。再分别求直线L1和L2,L2和L3,L3和L4,L4和L1的交点Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ。理论上,如果没有任何误差,这四点应该重合。因此求出这四点的坐标平均值x0,y0,即可认为是CCD摄像机的主点位置。

      三、CCD摄像机的电学误差

      电学误差即是指影像信号经A/D转换时产生的影像几何误差(即CCD信号转换中的误差)。它主要包括行同步误差,场同步误差和象素采样误差。

      上述电学误差统称为行抖动误差。这种行抖动误差不仅影响象素的几何位置,同时也影响象素的灰度值,即表现为象点灰度的畸变及象点的移位。在此误差的影响下,若目标中一条理想的阶跃边缘,在CCD影像上即呈一种抖动状,如图3所示。说的简单点,具体表现在目标中的一条直线在CCD影像上即呈非规则的抖动状(图4)。由此,只要检测出直线的行抖动,即可考虑在拟合边缘直线时校正,所以可提高系统的测量精度。

      四、CCD摄像机的误差检测与校正

      若使用较好的CCD器件质量及摄像镜头,则主要是考虑CCD摄像机的电学误差了。因此这里主要是分析讨论电学误差即行抖动误差的检测与校正。

      为了检测出影像行抖动误差的大小,我们采用了以下的方法。

      1、在目标中放置两根悬垂的黑色钢尺,背景为白色,钢尺边缘可认为是理想的阶跃边缘。我们采用边缘检测算法--采样矩阵匹配法(Sample Moment Match.简称SMM法)进行边缘检测,可得较高的检测精度。摄像时让两钢尺基本位于影像的中部,相距较近。且钢尺边缘基本与影像行方面垂直,经SMM法边缘检测后,利用SMM边缘检测算子,由各边缘点分别拟合出两条直线L1,L2,直线拟合后各边缘点上的残差,即可看作是行抖动误差。残差统计结果列于表1:

      线 编 号 L1 L2

      最大误差 0.251 0.250

      残差中误差 0.079 0.078

      表1(单位:象元)

      线 编 号 L3 L4

      最大误差 0.245 0.165

      残差中误差 0.073 0.070

      表2(单位:象元)

      2、还是用两根钢尺作为目标,与上述方法唯一不同之处是摄像时让一钢尺位于影像左边缘,另一钢尺位于影像中部。经边缘检测和直线拟合(L3,L4)后,残差的统计结果列于表2:

      通过测试结果分析可知:

      1、行抖动误差可以分为低频和高频两部分。低频部分主要是行同步误差和镜头畸变差所致。高频部分主要是场同步误差所为,而象元采样误差则可认为是随机误差。行同步误差与场同步误差分别作用于每一行上,但对行上各象元的影响比较一致。而象素采样误差对每个象元的影响是随机的。采用多行检测的边缘点进行平均,对其高频噪声有一定的抑制作用,因而采用横跨多行的标志代替仅占一行或少数行的特征点进行定位,可以提高定位精度。

      2、在整幅影象中,行抖动误差的大小并不是一致的,因此纠正只能在局部范围内进行。而越到边缘,行抖动现象越明显。如果只取奇数行或偶数行的边缘点进行直线拟合,再求残差,可以发现行抖动差的数值变小了,这是因为其中已不包括场同步误差影响的缘故。

      总之,行抖动误差是比较复杂的,只能在局部范围内进行纠正。影像边缘的行抖动误差大于影像中间的行抖动误差。检测结果表明,行抖动误差在0.2~0.3个象元之间。此外,在检测过程中,尽量采用横跨多行的标志代替仅占一行或少数行的特征点进行定位,尽量让目标成象于影像中央,都有助于提高系统的量测精度。


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