基于物像双远心设计的摄像机标定

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1、第1章绪论1.1课题研宄的目的和意义近年来，随着国家装备制造业的快速转型，工业加工精度的需求不断提高，极大的促进了测量仪器业的发展。测量技术发生了革命性的变化，以非接触、高精度为主要特征的光学影像测量已经逐步替代机械接触式对比测量，成为新的主流测量方式：测量精度也得到较大的提高，从丝级精度上升到微米级精度，甚至亚微米级精度：测量范围则逐渐延伸到对精度要求更高的微型化、小型化测量［1］。现有的视觉测量设备中，手动型测量设备的测量效率低下，很难满足大批量测量的要求，并且由于繁琐的重复性操作，系统的稳定性和精确性难以得到较好的保

2、证；全自动型测量设备很好地克服了手动型测量设备的缺点，只要首次建立好测量方案，便可以实现一键式全自动测量。然而，为了满足大范围、高精度、高效率等测量需求，全自动型视觉测量设备一般都会采用高精密的移动控制和视觉反馈装置以及高质量的成像设备等，这使得全自动型影像测量仪一般会伴随着高成本的缺点。本课题的研究H标是要避免上诉的影像测量仪的缺点，开发一款高精度、高效率而乂具有较大价格优势的自动化视觉测量系统，有着显著的研宄意义和较好的应用前景。本系统采用的基于远心成像的摄像系统，可以有效的减少或消除成像视差，提高测量精度％在测量方式

3、上本系统采用基于图像匹配的自学习测量方式，能很好的满足工业生产中大批量检测的需求。另一方面，本系统硬件成本和对较低。本系统不需要复杂的硬件条件作为支撑，只需一个普通的机器视觉实验平台和三个核心部件：相机、远心镜头和照明光源即可；也不需要精密的运动控制机械作为反馈设备，系统的准确性和稳定性主要由系统的图像处理算法来保证。这样既能保证系统有较高的测量精度，乂能很好的控制住成本，这正是本研宄的立论依据所在。基于图像处理的物体定位与匹配［3H4］以及以此为基础的自动化测量是本系统要实现的核心功能。通过程序存储功能把操作员的测量动作

4、记录下来，然后利用物体定位和匹配算法，就可以实现同批工件的大批量自动测量。测量动作和流程可以根据实际需求进行任意定制，只要确定测量方案就可以实现一键式白动测量。这种简单易行的测量方法不仅可以大大节省操作员的工作时间，还可以避免操作员因为大量重复测量动作而带来的随机误差，从而实现高效测量。一般来说，加工后的零件不仅有尺寸误差，其几何特征的实际形状与理想的几何形状难免会存在差异，同样的，几何特征之间的相互位置也会与设计吋的理想位置存在差别，这种形状上和位置上的差异统称为形位误差［5］。因此，本系统从实际应用的角度来考虑，不仅要

5、实现基本几何元素如线、圆、弧等的高精度尺寸测量，还要实现高精度的形位公差测量，从而更好的满足实际测量需要，提高本系统的实际应用价值。针对尺寸偏大的工业零件，在单个视场无法获取整个被测物的完整图像时，本系统可以采用多视场拼接技术［6］，在不依赖高精密移动装置的前提下实现多视场高精度拼接以及自动测量，在一定程度上满足了超视场的工业零件测量要求。总的来说，根据国内外装备制造业的发展趋势和我国测量仪器的发展水平，研制开发高精度低成本的自动化视觉测量设备是具冇很人的学术价值和经济意义的。1.2远心测量技术的研宄现状在使用光学拍摄成像

6、的方法对被测物体的尺寸和位置进行非接触式高精度测量时，通常会因为采用的摄像系统自身存在的成像误差而使得测量精度难以达到较高的水平，一方面这是由于实际应用中使用的成像镜头都无法淮确地对那些远离透镜光轴的物点清晰成像，另一方面是由于实际使用中成像镜头总是难以精准对焦。所以，如何减少或避免镜头固有的成像偏差，是精密视觉测量技术首要解决的难题。随着精密加工技术和相关检测技术的发展，精密光学成像系统，特别是其中的核心部件一成像镜头有了创新性的突破。基于远心成像模型设计出来的物像双远心成像镜头，其组成的成像系统不仅可以在理想成像面达到

7、很小的畸变影响，还可以在其景深范围内不同成像面获得一个儿乎相等的放大率，从而得到高质量的成像效果，给后期数据处理带来极大的便利，有效地提高了精密测量系统的精度。在对精度耍求较高的视觉检测任务中，采用远心镜头则可以省去耗时的自动对焦系统，减少后期算法处理的复杂性，能够很好地克服镜头W有的成像偏差和人工调焦不准带来的误差，特别适合测量面不重合的被测物体。在近二三十年里，开发设计计量仪器设备的工程师一直都在使用远心镜头。例如，轮廓测量仪和光学比较器正是采用了远心镜头才拥有了更多更可靠的测量功能。工程师发现，通过使用远心镜头和合适

8、的照明方式，往往可以获得很高质量II容易处理的光学图像，有效解决了软件难以解决的问题。近年来，国内外测量仪器厂商不断推出基于远心光学系统的影像测量仪。短短十多年的时间里，影像测量仪已经经历了四代产品的更新换代［71。从第一代的手动测量和少量几何计算到第四代的全自动测量和数据分析，影像测量仪在测量精度和筲