[发明专利]视觉测量系统中镜头热影响误差补偿方法

摘要

本发明视觉测量系统中镜头热影响误差补偿方法属于计算机视觉检测以及图像检测领域，特别涉及用于高温热辐射环境下的双目视觉测量系统中镜头热影响误差补偿方法。该方法在双目视觉测量系统中，双目相机拍摄变温环境下标定板图像，根据特征点图像偏移分析并求解偏移模型结构，分别求解主点偏移误差和镜头热畸变误差系数初值，通过LM优化算法进行所有参数的精确求解，对由镜头热变形引起的像点偏移误差进行修正补偿，获得准确的图像特征点像点坐标。补偿方法通过建立的热影响误差补偿模型对失真图像进行修正补偿，实现了失真图像的准确复原，系统测量精度显著提高，从而保证了高温环境下待物体几何参量的准确测量。

主权项

1.一种视觉测量系统中镜头热影响误差补偿方法，其特征在于，该方法在双目视觉测量系统中，用双目相机拍摄变温环境下标定板图像，根据特征点图像偏移分析求解偏移模型结构，分别求解主点偏移误差和镜头热畸变误差系数初值，通过LM优化算法进行所有参数的精确求解，对由镜头热变形引起的像点偏移误差进行修正补偿，获得准确的图像特征点像点坐标；方法的具体步骤如下：步骤1采用双目相机拍摄变温环境下标定板图像首先采用双目相机拍摄变温环境下标定板图像，分别提取图像中24个特征点作为分析对象，绘制24个特征点的温度升高前后特征点偏移对比图，绘制整幅图像整体偏移量图及去除图像整体偏移量后图像偏移量图，根据测量模型中24个特征点坐标偏移图做出了误差曲线；利用两个升降温循环阶段拍摄的百组以上像点偏移图像，提取得到的误差偏移像点坐标进行分析计算，分析镜头温度变化时特征点的偏移规律；为了进一步了解图像特征点偏移量随温度变化的规律，分别提取图像中心处四个特征点(9、10、15、16)，又称为主点，及四周四个特征点(1、6、19、24)为分析对象，分析镜头温度变化时，这8个特征点的偏移规律，绘制8个特征点的温度升高前后特征点偏移对比图及偏移曲线图；分析镜头表面温度升高后图像中各特征点的偏移情况，在升温阶段随着镜头表面温度升高特征点坐标整体呈现向v向增大、u向减小的方向偏移，且相对于初始像点坐标绝对偏移量逐渐增大；在降温阶段方向与升温阶段几乎相反，绝对偏移量逐渐减小；然而在降温阶段像点坐标偏移轨迹与温度升高时的轨迹不重合，这表明镜头在升降温阶段热变形导致像点偏移规律并不相同；因此，升温阶段和降温阶段具有不同的像点偏移规律，结合二次升降温阶段特征像点偏移规律分析可知，镜头两个升温阶段和两个降温阶段像点偏移规律具有重复性，而且从像点整体偏移量上分析可知在镜头受热变形后像点偏移量是以主点坐标偏移引起的误差为主；镜头温度变化导致特征像点偏移误差是由主点偏移误差及镜头热畸变误差组成，且这两项误差相互独立，互相之间不存在直接的影响，镜头在升温和降温阶段其误差偏移规律相似而不同；步骤2根据拍摄的特征点图像偏移求解偏移模型结构搭建包含全部目标特征点的实验模型，由所有特征点的坐标偏移误差曲线可知，在同一温度下24个特征点偏移坐标形成的误差带为镜头畸变引入像点偏移误差，而随温度变化各像点整体性的偏移是由主点坐标产生偏移引起；因此，分别用两个误差量Δu、Δv来表示，最终镜头热变形引起的像点偏移误差模型表示为：其中，u′、v′为像点实际坐标，u、v为像点初始坐标，δu1、δv1为主点偏移引入的偏移误差，δu2、δv2分别为镜头热畸变引入误差；由于镜头畸变引起的误差量遵循离光心越远误差量越大的规律，因此，图中中心处像点在温度变化过程中产生的像点偏移量是以主点偏移误差为主，因此，以这四个点不同温度下偏移量的均值近似认为是图像整体偏移量，采用多项式拟合的方式，求解出主点偏移误差随温度变化曲线；将升降温阶段像点偏移曲线进行分段拟合，其中，Δu在升降温阶段变化曲线采用3阶多项式得到理想的拟合结果，而对Δv而言在升降温阶段的变化曲线仅需要二阶多项式既得到理想的拟合结果，基于此主点偏移误差模型为公式(2)所示：其中，a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2为主点热影响偏移误差系数，是由大量实验数据回归分析得到的7个补偿系数；对于镜头热畸变引入的误差，像点偏移形式满足径向畸变与切向畸变相叠加的结果，故该畸变模型也是由镜头一阶径向畸变与二阶离心畸变组成镜头热畸变误差模型，与常规镜头自身畸变不同在于三个待求畸变系数并不是常数，而是随镜头温度变化而变化的，镜头热畸变误差模型表示为：其中，(u₀,v₀)为相机的主点坐标；k₁为径向畸变参数，p₁、p₂为离心畸变参数，k₁、p₁、p₂三个畸变参数是与温度变化量ΔT有关的函数，三个畸变参数随变化函数分别由三个二阶多项式来表征，分别由下式表示：其中，e1、f1、g1、h1、j1、q1、l1、m1、n1分别为三个畸变参数拟合多项式的系数；步骤3分别求解主点偏移误差和镜头热畸变误差系数初值针对像点偏移误差模型中两项中共存在15个带求解参数，分别为7个主点偏移误差系数a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2和9个镜头热畸变误差系数e1、f1、g1、h1、j1、q1、l1、m1、n1；针对参数求解问题，首先将公式(2)和公式(3)分别代入公式(1)中，其中，不同温度下的Δu和Δv及主点偏移误差δu1、δv1已知；因此，去除主点偏移影响后的Δu和Δv即为镜头热畸变引起的误差，分别另去除主点影响后的Δu和Δv等于δu2和δv2从而求得不同温度下的三个畸变参数变化规律，最终求出三个畸变参数的9个误差补偿系数初值分别为e1、f1、g1、h1、j1、q1、l1、m1、n1；利用主点偏移误差系数的7个初值和镜头热畸变误差系数的9个初值分别代入公式(1)，求出不同温度下特征像点的理论偏移量(ΔuI,ΔvI)和理论偏移像点坐标(uI,vI)，其中，uI＝ΔuI+u，vI＝ΔvI+v；由像点实际偏移坐标(u′,v′)求出各特征点实际偏移后像点求得的世界坐标(XW1,YW1,ZW1)，由补偿模型计算得到的理论偏移坐标(uI,vI)求出各特征点理论计算得出像点偏移坐标后的物点世界坐标(XW2,YW2,ZW2)；步骤4通过LM优化算法进行所有参数的精确求解以理论计算得出世界坐标(XW1,YW1,ZW1)和实际得出世界坐标(XW2,YW2,ZW2)两点间距离最小为优化目标，通过Levenberg‑Marquardt优化算法进行误差补偿模型各个系数的精确求解；优化目标函数如下：利用两个升降温循环阶段拍摄的像点偏移图像提取的到的误差偏移像点坐标进行计算，经过LM优化算法计算后得到双目图像的误差补偿模型各个系数；步骤5对由镜头热变形引起的像点偏移误差进行修正在完成对像点偏移误差补偿模型各个补偿系数的计算求解后，利用理论误差偏移计算公式计算得到温度变化时图像中各像点的理论误差偏移量，理论误差偏移计算公式为：其中，ui、vi为像点补偿后坐标，u′、v′为像点实际偏移坐标，根据温度变化分别求出δu1、δv1、δu2、δv2这个四个误差量，从而得出像点误差补偿后坐标(ui,vi)；利用实验采集的镜头温度变化数据计算得到不同温度下图像像点的理论偏移误差，进而对由镜头热变形引起的像点偏移误差进行修正，分别为左、右相机镜头热变形导致像点偏移误差补偿前后的像点坐标；根据补偿前后像点坐标对比，像点补偿模型准确的描述镜头热变形导致像点偏移规律，对不同温度下像点偏移误差进行修正。