專利名稱：基于對稱測量的ccd成像光軸與配光屏幕的垂直標定方法
技術領域：
本發明涉及垂直標定方法，尤其涉及基于對稱測量的CCD成像光軸與配光屏幕的垂直標定方法。
背景技術：
利用面陣CCD攝像機成像法測量車輛前照燈配光性能的原理式通常為如下表達形式E′=ρ·τ·E4F2cos4ω]]>公式(1)其中，E為配光測試屏幕上測試點處的照度，E′為該測試點在CCD像面上對應成像點處的照度，F為攝像機鏡頭的光圈數，ρ為屏幕反射率，τ為攝像機物鏡的透過率，ω為屏幕測試點到攝像機物鏡中心的連線與攝像機成像光軸的夾角，測量原理如圖1所示。而原理式(1)得到滿足的測量條件是攝像機成像光軸要垂直于測試屏幕，即圖1中的CCD攝像機成像光軸應垂直測試屏幕于o點。
利用攝像機或望遠鏡光軸準直目標的方法常用的是水準儀判別法，即先通過水準儀將兩個目標調水平，再利用水準儀中的十字絲及其交點調節兩目標光軸的準直。這個過程較為繁瑣，首先要在屏幕上的O點和CCD攝像機成像光軸與CCD鏡頭的交點處各貼有一帶刻度的十字線靶標，構成十字線的直線應分別水平和垂直，之后以屏幕上的靶標為基準，通過觀察水準儀調節CCD的位置，直至使系統滿足以下條件1.水準儀中的十字絲中心與兩靶標中心分別重合；2.從水準儀目鏡中觀察到的其鏡頭的邊緣與屏幕上靶標十字線的交點到該十字線中心的距離都相等；3.將水準儀水平旋轉180°后，在CCD處的靶標上得到與第2條相同的效果。此時即完成了準直的定位。該準直定位方法存在如下缺點1.定位繁瑣，成功的準直定位是建立在大量重復性的調整工作之上；2.存在視準軸誤差；3.存在人為讀數誤差。
發明內容
為克服現有技術的不足，本發明的目的在于提供簡單定位方法，沒有繁瑣的定位過程，能減小誤差，本發明采用的技術方案是一種基于對稱測量的CCD攝像機成像光軸與配光屏幕的垂直標定方法，包括下列步驟A.使由一個圓環和圓環內過圓環中心的一個條帶組成的圓環靶標平面平行置于配光屏幕中垂線下方，圓環外半徑為R，條帶中線過圓環中心，條帶寬度與圓環寬度相等，屏幕中垂線與過圓環中心的鉛直線重合，CCD攝像機放置在與圓環靶心等高的前方，CCD鏡頭的中心大致與圓環靶標中心等高，CCD攝像機用于對前照燈在配光屏幕上所發光形進行成像以及對其照度進行測量；B.使條帶中線與配光屏幕中垂線重合調節CCD攝像機，使圓環靶標清晰地成像在CCD像面上，設CCD攝像機成像光軸與CCD像面的交點為CCD像面坐標原點，設過此原點且平行于像元行的軸為橫軸，平行于像元列的軸為縱軸；C.進一步調節CCD攝像機，使靶標在CCD像面橫軸上的灰度分布呈三個矩形狀，在縱軸上呈一個矩形分布，調節至若橫軸上這三個矩形寬度相等，則CCD像面橫軸就與配光屏幕水平方向平行，若橫軸上靠外邊兩分布矩形的外側距CCD像面中心距離相等且都為r，在縱軸上的那個分布矩形的兩外側至CCD像面中心距離相等且都為r′，此時，CCD像面橫軸就與配光屏幕水平方向平行，并且CCD攝像機光軸就與配光屏幕垂直。
其中，所說的調節至若橫軸上這三個矩形寬度相等，若橫軸上靠外邊兩分布矩形的外側距CCD像面中心距離相等且都為r進一步包括下列步驟，并借助于計算機軟件實現1、利用函數的刷新功能對圖像的更新做出及時反應，并在屏幕上畫出定位十字線，設置采集幀數，在采集的過程中調節CCD攝像機的五維調整架，使鏡頭平面和屏幕近似平行以達到粗略調整的目的；2、在CCD攝像機成像光軸與配光屏幕的垂直標定中，通過邊緣梯度算子找到目標圖像的邊緣位置，即邊緣處的灰度梯度具有梯度極值設置X軸或Y軸掃描各點的灰度值判斷坐標是否大于X0、Y0，若大于則退出程序，若否則進入下一步，X0、Y0為設定的掃描區域邊界坐標；求相鄰像素的梯度；冒泡法找最大的三個梯度值；判斷梯度的絕對值是否大于閥值，若是則記錄該點的坐標并劃線，若否則再重新進行掃描。
本發明可取得下列效果首先，采用一個圓環靶標，直接進行調節，準直定位方法簡單，沒有繁瑣的定位過程。
其次，圓環靶標，不存在視準軸誤差。
再有，數據讀取與處理可由軟件完成，讀數誤差非常小。
圖1是現有技術測量示意圖。
圖2是本發明光軸準直原理圖。
圖3是圓環靶標及其圖像分布。
圖4是粗調菜單界面。
圖5是設置采集幀數。
圖6是顯示粗調結果。
圖7是細調過程流程圖。
圖8是粗調使圓環中心對準十字線。
圖9是細調光軸準直結果。
圖中，1為配光屏幕，2為前照燈，3為CCD攝像機，4為靶標。
具體實施例方式
1.標定原理本文的標定工作是進行摩托車前照燈配光性能的成像測試前提條件，測試原理如圖1所示。為使攝像機成像光軸要垂直于測試屏幕，即圖1中的CCD攝像機成像光軸應垂直測試屏幕于o點。本實驗采用對稱測量法，用CCD攝像機對配光測試屏幕上的圓環靶標成像，測試原理如圖2所示在圖2中，圓環靶標平面平行置于配光屏幕中垂線下方，屏幕中垂線與過圓環中心的鉛直線重合。CCD攝像機放置在與圓環靶心等高的前方，CCD鏡頭的中心大致與圓環靶標中心等高，CCD攝像機用于對前照燈在配光屏幕上所發光形進行成像以及對其照度進行測量。圓環靶標由一個圓環和圓環內過圓環中心的一個條帶組成，如圖3(a)所示。圓環外半徑為R，條帶中線過圓環中心，條帶寬度與圓環寬度相等。相等的寬度用于標定CCD攝像機的旋轉位置。標定時，條帶中線與配光屏幕中垂線重合。調節CCD攝像機，使圓環靶標清晰地成像在CCD像面上。設CCD攝像機成像光軸與CCD像面的交點為CCD像面坐標原點，設過此原點且平行于像元行的軸為橫軸，平行于像元列的軸為縱軸。進一步調節CCD攝像機，使靶標在CCD像面橫軸上的光強分布呈三個矩形狀，在縱軸上呈一個矩形分布，如圖3(b)、(c)所示。若橫軸上這三個矩形寬度相等，則CCD像面橫軸就與配光屏幕水平方向平行。若橫軸上靠外邊兩分布矩形的外側距CCD像面中心距離相等且都為r，在縱軸上的那個分布矩形的兩外側至CCD像面中心距離相等且都為r′，此時，CCD像面橫軸就與配光屏幕水平方向平行，并且CCD攝像機光軸就與配光屏幕垂直。此時，成像的橫向放大率在CCD像面橫方向上為βx＝r/R，在縱方向上為βy＝r′/R，若r＝r′，則βx＝βy。
設在CCD像面橫軸方向上，兩相鄰像元中心間距為dx，在縱軸方向上，兩相鄰像元中心間距為dy，圓環成像半徑r在橫軸上占nx個像元，在縱軸上占ny個像元，則有r=dx·nxr′=dy·ny]]>公式(2)所以βx=dxRnx]]>βy=dyRny]]>公式(3)橫向放大率與縱向放大率的比值k=βxβy]]>則有dxnx＝kdyny公式(4)若CCD像面的橫向放大率βx和縱向放大率βy相等時，則nx與ny的關系就為ny=dxdynx]]>公式(5)
若CCD像面的橫向放大率βx和縱向放大率βy相等時，則nx與ny的關系就為ny=dxdynx]]>公式(6)由于CCD像元與CCD圖像像素一一對應，因此，在圖像中，若圓環外徑在行方向與列方向上所占像素數之間滿足關系式(5)或(6)時，則攝像機光軸就被調至與配光屏幕垂直。
2.標定系統構成2.1硬件CCD攝像機、五維調節架、圓環靶標、配光屏幕、激光筆。
2.2軟件為了更加精確地進行標定，我們開發了“摩托車前照燈配光性能測試位置標定”軟件。該軟件是以Visual C++6.0為開發工具進行編寫的。實踐證明，該軟件具有操作簡便，運行順暢等特點。
2.2.1標定的過程與軟件介紹要進行標定等工作必須首先進行精確的定位。上文已經說過CCD定位的原理，下面具體介紹一下軟件的操作過程。
2.2.1.1利用粗調進行大概定位我們知道，測試屏幕的尺寸與CCD成像面的尺寸相差很大，如何保證兩者之間的平行和準直是一個需要面對的問題。利用“粗調”進行大概定位，可以很方便的解決這個問題。具體界面與流程如下利用函數的刷新功能對圖像的更新做出及時反應，并在屏幕上畫出定位十字線，設置采集幀數，在采集的過程中調節CCD攝像機的五維調整架，使鏡頭平面和屏幕近似平行以達到粗略調整的目的。
經過調整，可以使得靶標落在十字線的中央，如圖6所示。
2.2.1.2利用細調功能進行精確定位在CCD攝像機成像光軸與配光屏幕的垂直標定中，通過邊緣梯度算子找到目標圖像的邊緣位置，即邊緣處的灰度梯度具有梯度極值。具體方法見軟件流程圖7。
但采用梯度算法比較容易受噪聲或圖像中非目標區域的影響，這些影響常會在變換后直方圖的對應位置上出現虛極值而干擾正確閾值的選取，故使用前一般應進行濾波處理，本系統利用圖像采集卡自帶的濾波電路進行濾波。
圓環靶標的圖像邊緣檢測方法采用邊緣檢測技術。由于被檢測的圓環靶標的邊緣處灰度對比很強，所以在編寫軟件時選用了梯度算子。
所謂梯度就是函數在某點處具有的最大方向導數的向量。當物體與背景有明顯對比度時，物體的邊界處于圖像梯度最高的點上，梯度模算子定義為
G[f(i，j)]＝[(fx(i，j))2+(fy(i，j))2]1/2公式(7)為了運算方便這里采用了近似算法Roberts梯度算子G[|f(i，j)-f(i+1，j+1)|+|f(i+1，j)-f(i，j+1)|]公式(8)檢測時軟件對圓環的水平和豎直中心線上的像素進行逐點掃描，當檢測到灰度值梯度最大的幾個點時，證明在這一方向上圖像灰度經歷了白黑，黑白的變化過程，這幾個點就是圓環的邊界點。
實際操作中首先從中心沿水平線向左或右分別掃描各個象素點的灰度值，并判斷象素坐標是否大于設定的掃描區域邊界坐標X0或Y0，如果不在掃描范圍之內，則退出掃描；反之，則求相鄰兩象素之間灰度的梯度值GradWl=gx2-gx1Δx]]>公式(9)其中gx1、gx2為相鄰兩象素之間的灰度值，Δx為兩象素之間的距離，這里取單位1。接著判斷梯度的絕對值abs(GradWl)是否大于閥值Grad-valve，若為真，記錄該點坐標并畫垂線標記，若為假，繼續掃描灰度值，直到掃描完畢。利用邊緣梯度算子的方法，我們可以找到靶標圖像的邊緣位置，從而達到對面陣CCD攝像機光軸與配光屏幕進行垂直標定的目的。
3面陣CCD攝像機成像光軸與配光屏幕的垂直標定實驗過程與結果3.1實驗步驟3.1.1在配光測試屏幕上防止圓環靶標。靶標中心距離屏幕左右邊緣各3m，距離地面高度與攝像機高度相等，為H＝570mm。
3.1.2連接CCD攝像機與計算機，打開前照燈配光性能測試軟件進行實時采集。
3.1.3在軟件菜單中選擇測量裝置標定系統→調節成像光軸垂直測試屏幕→粗調。此時實時采集的圖像中會出現紅色十字線，十字線的中心點位于CCD攝像機的成像中心，即圖像中的(367，288)像素處。
3.1.4改變攝像機的方向會使采集的圖像發生改變，調整其旋轉俯仰直至圖像中圓環靶標的中心移動到紅色十字線的中心交點處。
3.1.5停止粗調，重新在菜單中選擇測量裝置標定系統→調節成像光軸垂直測試屏幕→細調。此時電腦屏幕中顯示的結果是圖8中方格中的采樣結果。仔細調整攝像機的方向盡量使上下左右的邊緣對稱的像素數相等。
3.2調整結果調整結果如圖9所示。圖9(a)為橫軸方向上的靶標灰度一維分布結果，圖9(b)為縱軸方向上的靶標灰度一維分布結果，圖中虛線處表示靶標邊緣，最下面一行數字代表像素的個數。該圖顯示出攝像機光軸已垂直于測試屏幕。
權利要求
1.基于對稱測量的CCD成像光軸與配光屏幕的垂直標定方法，其特征是，包括下列步驟A.使由一個圓環和圓環內過圓環中心的一個條帶組成的圓環靶標平面平行置于配光屏幕中垂線下方，圓環外半徑為R，條帶中線過圓環中心，條帶寬度與圓環寬度相等，屏幕中垂線與過圓環中心的鉛直線重合，CCD攝像機放置在與圓環靶心等高的前方，CCD鏡頭的中心大致與圓環靶標中心等高，CCD攝像機用于對前照燈在配光屏幕上所發光形進行成像以及對其照度進行測量；B.使條帶中線與配光屏幕中垂線重合調節CCD攝像機，使圓環靶標清晰地成像在CCD像面上，設CCD攝像機成像光軸與CCD像面的交點為CCD像面坐標原點，設過此原點且平行于像元行的軸為橫軸，平行于像元列的軸為縱軸；C.進一步調節CCD攝像機，使靶標在CCD像面橫軸上的灰度分布呈三個矩形狀，在縱軸上呈一個矩形分布，調節至若橫軸上這三個矩形寬度相等，則CCD像面橫軸就與配光屏幕水平方向平行，若橫軸上靠外邊兩分布矩形的外側距CCD像面中心距離相等且都為r，在縱軸上的那個分布矩形的兩外側至CCD像面中心距離相等且都為r′，此時，CCD像面橫軸就與配光屏幕水平方向平行，并且CCD攝像機光軸就與配光屏幕垂直。
2.根據權利要求1所述的基于對稱測量的CCD成像光軸與配光屏幕的垂直標定方法，其特征是，所說的調節至若橫軸上這三個矩形寬度相等，若橫軸上靠外邊兩分布矩形的外側距CCD像面中心距離相等且都為r，進一步包括下列步驟，并借助于計算機軟件實現a、利用函數的刷新功能對圖像的更新做出及時反應，并在屏幕上畫出定位十字線，設置采集幀數，在采集的過程中調節CCD攝像機的五維調整架，使鏡頭平面和屏幕近似平行以達到粗略調整的目的；b、在CCD攝像機成像光軸與配光屏幕的垂直標定中，通過邊緣梯度算子找到目標圖像的邊緣位置，即邊緣處的灰度梯度具有梯度極值設置X軸或Y軸掃描各點的灰度值；判斷坐標是否大于X0、Y0，若大于則退出程序，若否則進入下一步，X0、Y0為設定的掃描區域邊界坐標；求相鄰像素的梯度；冒泡法找最大的三個梯度值；判斷梯度的絕對值是否大于閥值，若是則記錄該點的坐標并劃線，若否則再重新進行掃描。
全文摘要
本發明涉及配光性能測量，尤其涉及面陣CCD攝像機成像法進行配光性能測量的方法。為提供一種簡單定位方法，沒有繁瑣的定位過程，能減小誤差，本發明采用的技術方案是，A.使由一個圓環和圓環內過圓環中心的一個條帶組成的圓環靶標平面平行置于配光屏幕中垂線下方，CCD攝像機放置在與圓環靶心等高的前方，CCD鏡頭的中心大致與圓環靶標中心等高，CCD攝像機用于對前照燈在配光屏幕上所發光形進行成像以及對其照度進行測量；B.使條帶中線與配光屏幕中垂線重合；C.進一步調節CCD攝像機至橫軸上三個矩形寬度相等，在縱軸上的那個分布矩形的兩外側至CCD像面中心距離相等。本發明主要用于配光性能測量。
文檔編號G01C11/00GK101050998SQ20071005715
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月17日 優先權日2007年4月17日
發明者李鋼, 紀迎平, 劉鐵根, 賀文杰, 李志銳, 王青, 隋修武, 方素香, 宋濤, 陳鯉江 申請人:天津內燃機研究所