[发明专利]大视场相机非线性畸变校正装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大视场相机非线性畸变高精度校正装置和方法的设计，属于计算机视觉和计算机图形学领域。

背景技术

一般相机由于加工和安装误差，难以达到理想透镜成像的效果，使得物体点在成像平面上实际所成的像与理想成像之间存在非线性光学畸变，并且随着视场角的不断增大，畸变逐渐加大。畸变的大小很大程度上决定了镜头的成像质量和系统的测量精度，因此，用于精密测量系统的光学相机，其畸变的校正显得尤其重要。

目前光学相机几何畸变校正算法主流是基于模板图像的畸变校正，主要有两大类：非线性畸变模型和直接映射法。

根据几何畸变的特性，建立非线性畸变模型。通过拍摄特征模板，利用特征点实际空间坐标与其对应的图像像素坐标之间的映射关系，采用最小二乘法获得标定模型的参数，利用少量的模型参数描述光学系统的畸变特性。常用的畸变模型为多项式变换模型，但是在进行广角镜头校正时通常需要高阶多项式，而引入过多的畸变系数不仅会增加计算量，有时还会引起解的不稳定，从而降低精度，校正效果不准确。

直接映射法，经过实验标定成像坐标和理想成像坐标之间的对应关系，建立位置映射表，通过查找表的方式实现实时畸变校正。通常查找表与图像的尺寸大小成正比，与视场角的平方成正比，而随着测量精度要求的提高，其大小也相应增加。该方法只适用于小尺寸小视场光学系统或者大存储容量的情况。

上述基于模板图像的畸变校正方法都要求模板图像的几何中心与待测相机的光轴重合，且模板图像与光轴必须高度垂直，因此模板图像与待测相机的对准误差会影响畸变校正，从而影响测量精度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种大视场光学系统非线性畸变的测量装置和校正方法，该装置方法简单，自动操作，测量方便，校正精度高。

本发明的技术解决方案如下：

一种大视场相机非线性畸变校正装置，它包括单星模拟器1、待测大视场相机2、二维转台3、二维转台控制系统4、计算机5和光学平台6，上述元部件的位置关系如下：

所述的单星模拟器1和二维转台3置于所述的光学平台6上；所述的单星模拟器1由积分球光源101、平行光管103和位于平行光管焦平面上的针孔分划板102组成；所述的待测大视场相机2固定在二维转台3上，并使待测大视场相机2的光轴与平行光管103的光轴平行；由积分球光源101发出的光照明针孔分划板102，通过针孔分划板102的光被平行光管103准直形成平行星光，该平行星光在待测大视场相机2的成像平面上产生星点像；所述待测大视场相机2通过传输线与计算机5相连；所述二维转台控制系统4与计算机5相连，通过计算机5操作二维转台控制系统4控制二维转台3的转动。

利用上述大视场光学相机非线性畸变校正装置实施畸变校正的方法为基于遗传算法优化BP神经网络算法，包括以下步骤：

1)待测相机成像中心的标定：通过固定待测大视场相机2于二维转台3上，保证待测大视场相机光轴与平行光管103的光轴平行，采集单星模拟器在待测大视场相机2所成的星点像，并通过质心法获得该星点像的位置坐标C₀₀＝[x₀₀,y₀₀],即图像平面中心坐标；

2)装置初始化：假设待测大视场相机2的视场角为θx×θy，其中θx为水平视场角，θy为垂直视场角；图像尺寸为M×N，焦距为f；旋转二维转台，使得转台转到X方向和Y方向处，即相机的视场临界点；

3)获取训练样本集：分别以Δθ_y和Δθ_x的角度增量在大视场相机的视场范围内旋转二维转台Y方向和X方向，则可以得到二维转台在视场范围内的旋转角度：