基于坐標變換的完整成像映射方法
【專利摘要】本發明涉及基于坐標變換的完整成像映射方法，其包括攝像機位姿找正和圖像無畸變焦平面向后映射數學模型建立；所述攝像機位姿找正采用的是利用攝像機對檢測平臺上2D標定模板進行視覺位姿檢測，獲取攝像機光軸與檢測平臺的傾斜角度，以此為依據調整雙自由度精確調整裝置的俯仰角及偏轉角，最終保證攝像機光軸垂直于檢測平臺；所述圖像無畸變焦平面向后映射數學模型是建立在攝像機光軸垂直于檢測平面時所采集的圖像的基礎之上。該映射方法構建的，是從投影平面到成像平面的坐標位置映射關系即向后映射法。本發明的映射方法構思簡單、合理，其能逐個像素產生輸出圖像，不會產生計算浪費問題且便于高精度插值算法的應用。
【專利說明】基于坐標變換的完整成像映射方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種完整成像映射方法，尤其涉及一種基于坐標變換的完整成像映射 方法。
【背景技術】
[0002]目前視覺檢測技術在工業的各個領域都有著廣泛的應用，基于機器視覺的測量手 段和方法也得到了快速的發展，但對幾何尺寸的視覺測量研究主要集中在對微小結構或尺 寸較小零件，其主要原因在于目前CCD器件像素級相對測量精度僅在ΚΓ 3數量級，而視覺系 統一次成像的成像區域與檢測分辨率之間成反比關系。對微小物體進行圖像測量時，由于 視場較小，可相應提高圖像測量的分辨力來提高測量精度；而對于較大或細長類零件幾何 尺寸的綜合檢測，一次成像獲得的完整圖像中由于分辨率不高從而導致檢測精度滿足不了 實際應用要求。
[0003] 依照化整為零、再集零為整的完整成像基本思想可以解決較大尺寸零件視覺測量 中視場與圖像分辨率之間的矛盾，文獻1【何博俠，張志勝，徐孫浩等.大尺寸機械零件的 機器視覺高精度測量方法。中國機械工程，2009 20 (1)】針對具有條形紋理表面的機械零 件提出了基于紋理特征的序列圖像校準方法，但對具有光滑表面或者表面紋理無規則的檢 測對象無能為力，其應用領域極其有限。
[0004] 文獻2【劉凌云，羅敏等.基于圖像拼接的尺寸精密檢測算法研究，制造技術與 機床，2012, 11】中將圖像拼接技術應用到視覺測量中，采用已標定攝像機方式建立圖像投 影模型，提出了基于位姿變換的圖像拼接算法實現圖像之間的精確配準，并通過變位機驅 動攝像機精確變換位姿獲取圖像序列，實驗驗證該算法具有較高的拼接精度。將采集的序 列圖像消除畸變后映射到同一基準平面是該拼接算法的關鍵步驟，但由于該算法中未對攝 像機外部參數加以限制，所建立的圖像無畸變焦平面映射的數學模型較為復雜。
[0005] 文獻2中所采用的圖像無畸變焦平面映射的數學模型如附圖一所示，其中，{C}為 實際成像時攝像機坐標系，1C' }為無畸變虛擬攝像機坐標系，其Xc'、Yc'軸分別與世界 坐標系{W}的對應軸同方位。則映射坐標（u，v )τ與實際成像坐標（u，ν)τ滿足以下關 系：
【權利要求】
1. 一種基于坐標變換的完整成像的映射方法，其特征在于包括攝像機位姿找正，所述 攝像機位姿找正是建立在攝像機借助于一個雙自由度精確調整裝置安裝在測量平面上方， 其包括以下步驟： 1) 攝像機對不同位姿的靶標平面拍攝多幅圖像，由靶標上每個特征點與其圖像上相應 的像點之間的對應點關系應用平面標定法，進行優化搜索精確獲取攝像機的內部參數； 2) 將靶標平放在測量平面上，以靶標平面作為XY平面設定世界坐標系{WJ ; 3) 再次利用攝像機對靶標平面成像，由靶標上特征點與其像點對應關系、已標定的攝 像機內參根據小孔成像公式得出世界坐標系{WJ相對于攝像機坐標系{C}位姿描述的齊 次變換矩陣』對所述齊次變換矩陣進行歐拉角變換獲得繞攝像機坐標系{C}固定軸 x-y-z旋轉的RPY角； 4) 待所測得的坐標系{C}相對于其自身的Y、Z兩個軸依次旋轉的相應角度小于設定 閾值^時，攝像機垂直找正完成；否則適當調整雙自由度精確調整裝置的俯仰及偏轉角，返 回步驟3)重新對標靶成像測量。
2. 如權利要求1所述的基于坐標變換的完整成像映射方法，其特征在于：所述齊次變 換矩陣,+/是按照公式（2)進行歐拉角變換獲得繞攝像機坐標系{C}固定軸x-y-z旋轉的 RPY 角；
上述公式（2)中，C+iV )為坐標系iWj的原點在坐標系{C}中的坐標； 、，為坐標系{C}相對于其自身的X、Y、Z三個軸依次旋轉的相應角度，其中，坐標系{C}的 Χ、Υ、Ζ三個軸分別相應旋轉α、於、^角度后與坐標系{WJ同方位。
3. 如權利要求1所述的基于坐標變換的完整成像映射方法，其特征在于，所述映射方 法還包括建立圖像無畸變焦平面向后映射數學模型； 所述圖像無畸變焦平面向后映射數學模型的建立是基于所述攝像機位姿來進行，即首 先建立攝像機光軸垂直于測量平面時測量平面上點P{XW，Yw，〇}τ與圖像坐標（u，ν) τ之間的 實際成像數學模型，然后建立測量平面上同一點Ρ在虛擬攝像機中的成像數學模型，再最 終建立圖像無畸變焦平面向后映射的數學模型。
4. 如權利要求3所述的基于坐標變換的完整成像映射方法，其特征在于，所述實際成 像數學模型滿足的關系式為：
(3)； 上述公式（3)中，/. S.., IV 1=,.為攝像機內參；Ζ,... α為攝像機外參，其中；=>.-? ，II為靶標厚度，《為找正過程中歐拉角變換所得《。
5. 如權利要求3所述的基于坐標變換的完整成像映射方法，其特征在于，所述虛擬攝 像機中的成像數學模型是建立在攝像機坐標系}與世界坐標系{WJ姿態相同的前提 下，其數學模型滿足的關系式為：
(4)； 上述公式（4)中，·^足、$，為攝像機內參；<2>為光心在虛擬攝像機坐標系{C }Z軸 投影，由投影平面上所設定的圖像分辨力S確定；V 4為光學中心在映射圖像中的坐標。
6. 如權利要求3所述的基于坐標變換的完整成像映射方法，其特征在于，所述圖像無 畸變焦平面向后映射滿足的關系式為：
(5)； 上述公式（5)中，S,，S、. &為攝像機內參；a、Z,:為攝像機外參，其中Z,:.=-見-? ,A為靶標厚度，α為找正過程中歐拉角變換所得《 ％為光學中心在映射圖像中的坐 標；心為光心在虛擬攝像機坐標系{C' }Z軸投影，由投影平面上所設定的圖像分辨力δ 確定。
7. 如權利要求5或6所述的基于坐標變換的完整成像映射方法，其特征在于，所述圖像 分辨力S為沿行或列方向單個像素所代表的尺寸，其滿足關系式：
(6)； 上述公式（6)中r,,為投影平面上映射區域的長度/寬度；C,,,為映射圖像的 行/列；/為攝像機內參焦距；Z。，為光心在虛擬攝像機坐標系1C' }Z軸投影。
【文檔編號】G01C11/00GK104048601SQ201410275210
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】劉凌云, 羅敏, 吳岳敏 申請人:湖北汽車工業學院