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影像測量儀的光學成像誤差分析

 

  影像量測儀的光學成像差別分析 影像量測儀是近年來基於計算機視覺檢測技術發展起來的一種高效率的新型精密量測儀器,廣泛應用於機械製造、電子、汽車和航天航空等工業中。它可以用來運行零部件的尺寸、形狀及其相互位置的在線檢測外,還可應用於劃線、定中心孔、光刻、集成線路板對準等。由於它的通用性強、量測範圍大、精度高、性能好、實時性強、能與柔性製造切換器相連接,所以應用相當廣泛。影像量測是將被測對象的圖像當作檢測和傳遞信息的量測方法,其目的是從圖像中提取有用的信號,而基於圖像分析、識別來運行量測。圖像是指對物體的發光以及反射光的視覺印象。因為計算機隻能處理數字信息,所以圖像並不能直接由計算機運行處理,一幅圖像在用計算機運行處理之前必須先轉化為數字形式,成為數字圖像。因此,一個典型的圖像量測切換器主要由以下幾個部分組成:光源、機台、CCD攝像機、圖像采集卡、運動控製切換器等,通過各個部分的組合來完成各種不同環境高精密影像檢測任務。在利用CCD攝像機運行實時影像量測時,攝像機采集圖像時所產生的差別已經成為量測切換器中的主要差別,它直接製約、影響著切換器的量測精度。因此必須對攝像機所產生的差別運行分析與檢校,以便對切換器的精度運行評價。

  差別分析

  攝像機所產生的差別主要由它的光學成像鏡頭, CCD器件本身的成像質量、以及圖像采集裝置(含圖像采集卡等)共同產生,一般分為光學差別、機械差別、電學差別等。其中電學差別有CCD器件所固有;機械差別則產生於量測儀製造和裝配過程中,通過提高製造裝配質量可以有效地減小該項差別。光學差別主要存在於成像光路和器件所帶來的失真或畸變。由於攝像機的製造和工藝等原因,如入射光線在通過各個透鏡時的折射差別和CCD點陣位置差別等,光學切換器存在著非線性的幾何失真,使得目標像點與理論像點之間存在多種類型的幾何畸變。

  1)徑向畸變:徑向畸變主要是由於CCD鏡頭形狀存在的缺陷引起的,是關於攝像機鏡頭的主光軸對稱。

  2)偏心畸變:偏心畸變主要是由光學切換器光心與幾何中心不一致造成的,即各透鏡的光軸中心不能嚴格共線。

  3)薄棱鏡畸變:薄棱鏡畸變是由於鏡頭設計、製造缺陷和加工安裝的差別造成的,這類畸變相當於在光學切換器中附加了一個薄棱鏡,不僅會引起徑向偏差,而且引起切向偏差。

  上述的三種畸變都存在於光學拍攝的圖像中,圖像的非線性畸變主要是這三種畸變的疊加,因此可以建立圖像坐標係中的非線性畸變模型。

  基於計算機視覺檢測技術的影像量測具有非接觸、實時性好、實施簡易等優點,正成為一種提高生產率和保證產品質量的重要關鍵技術,具有廣闊的應用前景。研究影響量測中光學成像過程中存在的差別及消除方法,並對CCD攝像機鏡頭畸變差別運行了分析和標定研究,利用標準標定片上的三點的實際像素坐標以及理想像素坐標,計算出畸變係數,計算出了畸變的大小以及其分布。結果表明鏡頭畸變徑向畸變較大,切向畸變和薄棱鏡畸變較小,且圖像中心區域畸變很小,邊緣畸變增大。在精密量測中需要考慮到光學成像畸變的影響,並對所測得的圖像運行必要的校正。

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