一種攝像系統定量評定方法
發布時間：2017-09-01
一、引言
在利用數字圖像進行光學精密測量時,為了消除攝像系統中存在的各種誤差,就需要對攝像系統進行高精度標定。對由視頻輸出CCD攝像機和圖像采集卡組成的攝像系統來講,一般都認為其幾何重復性能良好,通過測量前的標定即可完成對后續測量拍攝圖像的校正。但是由于視頻數字化過程中存在誤差,可能會破壞圖像的幾何重復性。因此,標定后的攝像系統的評定也就成了一項重要的工作。
本文首先分析了攝像系統中的主要誤差來源,然后基于對攝像系統的高精度標定,提出了一種攝像系統定量評定的方法。
二、攝像系統誤差源分析
一般攝像系統多采用的是常規工業用CCD攝像機,其輸出為標準視頻信號,通過圖像采集卡來完成圖像的采集。這種攝像系統存在的主要誤差有以下四種[1]:
1.光學鏡頭畸變
由于普通攝像機鏡頭在加工、安裝和調試過程中難免存在一定的殘余像差,如球面像差、彗星像差、像散、像場彎曲和畸變像差等軸對稱像差及不對心像差和薄棱鏡像差等非軸對稱像差。存在的殘余像差會引起鏡頭的畸變,畸變主要包括徑向和切向畸變誤差。鏡頭焦距越短則鏡頭畸變越大,越靠近鏡頭邊緣,畸變誤差越大。鏡頭畸變同時也與拍攝時的鏡頭光圈數F相關,F越小,畸變越大,因此應盡量選取大光圈數F來進行拍攝。
2.CCD傳感器陣列像元幾何誤差
CCD芯片中的陣列像元排列不規則、位置偏差、尺寸大小誤差及陣列軸的不垂直性誤差等統稱為陣列像元幾何誤差。這項誤差主要取決于CCD芯片生產廠家的加工技術和工藝水平。
3.傳感器和電路隨機噪聲
主要是由電子器件和電路產生的各種噪聲。一般通過圖像預處理來消減噪聲的影響,如多圖平均法和各種濾波的方法。
4.視頻轉換誤差
視頻轉換誤差主要包括行同步誤差、場同步誤差、采樣間隔誤差和幀同步誤差。由于標準的視頻信號,如PAL、NTSC都是2:1的隔行掃描,一幀圖像由奇偶兩場圖像組成。圖像采集卡要正確進行圖像采集,就要對模擬視頻信號中的場同步脈沖信號和行同步脈沖信號進行準確定位。由于同步信號定位誤差引起了圖像的行間錯動和場間錯動。同時,由于采樣時鐘頻率不穩定而引起了采樣間隔誤差,以上三種誤差統稱為行抖動誤差。由于一幀圖像由奇偶兩場組成,因此兩幀圖像之間由于同步的誤差而引起了幀同步誤差。行抖動誤差和幀同步誤差是視頻轉換過程中的主要誤差。
由數字式攝像機和采集卡組成的攝像系統具有感光像元點和像素點的幾何唯一對應性,因此不存在視頻信號轉換誤差。
三、攝像機系統的標定
CCD傳感器陣列像元素幾何誤差主要影像圖像點的灰度值,此外CCD傳感器陣列軸的不垂直畸變誤差修正可以統一到光學鏡頭畸變修正中。視頻轉換誤差屬于硬件的隨機系統誤差,是一種不確定的誤差來源,只能根據具體圖像卡來進行修正。因此攝像機系統的標定工作主要是對光學鏡頭畸變進行修正。
攝像系統標定的步驟為:首先拍攝標定網格板圖像并提取網格節點;然后利用中間區域網格節點擬合理想網格場,用網格節點處的誤差求解鏡頭畸變模型;最后對圖像進行修正。
標定物采用標準正交網格板,網格線間距為1mm,網格線刻制精度為0125Lm。拍攝時盡量使網格平面與攝像機光軸垂直。下面對網格節點提取、鏡頭畸變模型求解和畸變修正進行簡要介紹:
1.網格節點提取
由于網格節點是規則的幾何圖形,因此可以構造理想模板,用相關法來進行網格節點提取。理想模板可由下式產生[1]:
其中,是控制圖像點灰度的參數,WM是用距離對灰度值進行加權的參數,C是目標對比度,即節點中心與背景的灰度差。根據實際網格節點的灰度分布可以確定上式中的參數。圖1中的細實線為某條網格線上的灰度分布曲線,粗實線是理想網格線的灰度分布曲線。
網格節點高精度提取算法主要有亞像素插值法[2]和相關系數擬合法[3]兩種。由于相關系數擬合法的計算效率和抗噪聲能力要優于亞像素插值相關法,因此本文采用相關系數擬合法來提取網格節點,并用加入高斯分布隨機噪聲的網格仿真圖像來檢驗相關系數擬合法的精度。網格仿真圖像由式(1)生成,其中參數選取為C=200, WA=2, WM=10。對于噪聲均方差RN=5、10、15和20灰度值的網格仿真圖像,用相關系數擬合法提取網格節點精度的均方差如表1所示。
由表1可知:當圖像信噪比SNR(SNR=C/RN)大于20時,相關系數擬合法提取網格的精度優于0103個像素。
2.鏡頭畸變模型求解
考慮到鏡頭的各種畸變誤差,建立如下的多項式畸變誤差模型[3]:
其中,u和v分別為圖像行方向和列方向上的鏡頭畸變,x和y為圖像坐標值,單位為像素。
由于可認為鏡頭中心部分畸變像差極小,甚至可以認為無畸變的,用該區域的網格節點坐標擬合一個理想正交網格場。將該理想正交網格場與提取出的網格場相比較,便可以得到相應網格節點處的畸變[4]。由于網格節點的個數大于攝像機畸變誤差多項式的項數,因此可以通過最小二乘法求解出式(2)的系數。
3.鏡頭畸變修正
圖像畸變修正包括兩個步驟:空間坐標變換和灰度插值。由于對整個圖像進行修正的計算量較大,因此一般只對提取的目標點坐標進行修正。
用畸變模型對網格圖像進行修正后,實際圖像網格場與擬合理想網格場仍然存在一定的誤差。這個誤差可用網格節點坐標殘差的均方差Rx和Ry來衡量。Rx和Ry由式(3)確定[4]:
其中(xij,yij)和(xij,yij)分別為實際網格節點坐標值和擬合理想網格節點的坐標值。
四、攝像系統的定量評定
標定后的殘差均方差分為兩類:自標定殘差均方差和互標定殘差均方差。其中自標定殘差均方差是指攝像系統標定所用網格圖像的網格節點殘差均方差;而互標定殘差均方差是指其他網格圖像的網格節點殘差均方差(由于也可以用后一幅網格圖像得到的鏡頭畸變模型對前一幅圖像進行標定,因此本文定義該誤差為互標定殘差均方差)。這兩種殘差均方差都是衡量攝像系統標定精度的重要指標。自標定殘差均方差可以表明畸變模型求解的正確性,而互標定殘差均方差則可以確定測量系統的實際測量精度。
由于互標定殘差均方差的計算過程與實際測量過程類似,因此可以用來進行攝像系統的定量評定。下面對三種實際攝像系統進行定量評定。
三種攝像系統的組成分別如下:
(a)Panasonic WV-BP310/G型號CCD攝像機和大恒CG200圖像采集卡;
(b)Panasonic WV-BP310/G型號CCD攝像機和NI-1408圖像采集卡;
(c)Pulnix TM-1300數字式CCD攝像機和DT3517數字接口卡。
三種攝像系統的自標定殘差均方差和互標定殘差均方差見表2。圖2(a)、(b)分別為攝像系統(c)的鏡頭畸變誤差和畸變擬合誤差的等值線圖。圖3和圖4分別為三種攝像系統的自標定殘差和互標定殘差矢量圖。
對圖表數據分析可知:
(1)x方向的自標定殘差和互標定殘差均大于y方向上的相應殘差,這是因為圖像行和CCD行嚴格對應的緣故;
(2)攝像系統(a)的自標定殘差較大是因為CG200圖像采集卡的行同步性能較差而引起;
(3)攝像系統(b)的互標定殘差較大是由NI-1408圖像采集卡的幀同步性能不好而造成的。這一點由圖4(b)可以看出;
(4)攝像系統(c)采用了數字式攝像機,避免了視頻信號轉換誤差,因此精度最高。
由上述的實驗結果可以看出,用互標定殘差進行攝像系統的定量分析是可行的。
由于視頻轉換誤差是屬于系統硬件誤差,并且對于不同的圖像采集卡其誤差表現形式不同,難以用統一的方法進行修正。因此只能在了解攝像系統誤差類型的基礎上,通過圖像處理方法對特殊情況進行相應的修正。例如:對于點、圓和矩形等規則幾何物體的定位,可采用形心法,重心法,矩方法等亞像素方法來克服行抖動誤差的影響;對于與圖像行方向夾角較大的直線定位,可首先在圖像行方向上進行一維邊緣檢測,然后擬合的方法來確定直線;對于幀同步誤差較大的攝像系統只能通過盡量選取圖像中心部分作處理來減少目標定位誤差。
五、結論
本文以攝像系統高精度標定為基礎,提出了利用互標定殘差均方差進行攝像系統定量分析的方法。通過對三種攝像系統進行定量評定的實驗驗證了該方法的可行性。
摘自：中國計量測控網
