HTML
-
实验系统由图像采集和方向控制两部分组成。图像采集部分由中联科创鱼眼镜头VM0420MP5、大恒工业相机DH-HV1351UM和标定物做成,标定物是单个点光源,相机分辨率为1280 pixel×1024 pixel。方向控制部分是由高精度2维旋转位移台、光学平台和上位机组成,上位机可以对转台实现精确控制,角度变化精度为0.004°。图 4为实验系统搭建的示意图,图 5为实验系统实物图。
-
控制鱼眼成像系统拍摄多幅白纸的图像。根据前面提出的灰度矩边缘定位法提取图像有效区域的边缘,对提取到的边缘使用最小二乘法拟合,得到鱼眼图像光学中心的坐标(a, b)和半径r。图 6所示为亚像素边缘检测结果。
拍摄8组图像进行拟合,如表 1所示,为对8组数据的拟合结果。取结果的平均值(651.51 pixel,525.57 pixel)作为光学中心和619.36 pixel作为有效区域半径。
a b r 1 651.50 525.58 619.35 2 651.51 525.57 619.37 3 651.51 525.58 619.36 4 651.51 525.57 619.36 5 651.51 525.58 619.37 6 651.52 525.58 619.37 7 651.52 525.56 619.37 8 651.52 525.55 619.37 average value 651.51 525.57 619.36 Table 1. Optical center and image effective area radius fitting results/pixel
-
标定物单个点光源由红色平板光源和带孔的不锈钢板组合构成,将不锈钢板覆盖于平板光源表面。孔洞为直径10 mm的圆孔,钢板厚度为0.1 mm,在钢板外侧表面覆盖遮挡物,只留下作为点光源的孔洞,这样得到的点光源较为均匀,光源边缘成像效果更为清晰。标定物在鱼眼成像系统中的成像近似为圆形,面积约为116 pixel,在对图像进行均值滤波后,通过灰度质心法提取标定物中心作为标定点。图 7为标定物在初始位置的图像。
控制高精度2维旋转位移台,调整角度位置,使标定点与鱼眼成像系统的光学中心相重合,此位置为鱼眼成像系统的初始位置。然后移动鱼眼成像系统,在不同角度下拍摄标定物,记录标定点在图像中的像素坐标(u, v)和标定物在鱼眼成像系统的方位角度(θ, φ)。共拍摄图像184幅,使标定点尽可能充满整个图像。将采集到标定物的方位角度和图像点的像素坐标作为数据集代入式(7)、式(8),计算出畸变模型。
图 8为标定物在不同方位的成像。为了验证标定精度通过转台转动鱼眼成像系统到任意角度,拍摄10幅图像。计算出每幅图像中标定点的像素坐标及到光学中心的距离,将这些数据作为测试集代入畸变模型中,拟合每幅图像中标定物的方位角度,与实际方位角度θ和φ对比,检测系统标定精度。
-
在实验中采取分区域标定的方式以降低系统的标定误差,根据入射角度θ划分区域。为了降低标定系统的复杂性,采用三区域划分法。在划分区域时,要保证各区域的标定误差尽可能的小,且每个区域的数据集点不能过少,影响畸变参数的求取,所以采取角度遍历的方式分别对两个分界角度进行求取,先根据各区域数据集求取畸变模型,再将测试集代入畸变模型,计算标定精度。
经过测试,入射角θ的最大值为90°。先求取区域1、2的分界角度,在区间[30°,80°]中,采用步进为1°进行遍历,找到能使区域1中标定误差最小的角度,角度为42°; 再根据求取的第1个分界角度,重新划分区间[50°,80°],求取区域2、3的分界角度71°,使二区域的标定误差最小。
根据求得角度进行区域划分,验证理论。单区域为图像的整个视场;二区域以42°为界线划分区域1(0°~42°)、区域2(42°以上);三区域划分为区域1(0°~42°)、区域2(42°~71°)、区域3(71°以上)。根据采集数据分别计算各区域的畸变参数和标定误差, 如表 2和表 3所示。
K1 K2 K3 P1 P2 single area 1 3.54×10-3 -3.34×10-8 1.57×10-13 1.80×10-6 2.22×10-6 double area 1 1.99×10-3 2.92×10-9 1.26×10-14 2.49×10-6 6.79×10-7 2 1.65×10-2 -1.47×10-7 3.91×10-13 1.70×10-6 2.89×10-6 three area 1 1.99×10-3 2.92×10-9 1.26×10-14 2.49×10-6 6.79×10-7 2 4.27×10-3 -2.49×10-8 9.79×10-14 2.52×10-6 2.97×10-6 3 2.00×10-1 -1.37×10-6 2.41×10-12 -1.69×10-6 2.15×10-6 Table 2. Sub-regional distortion parameters
area number average error/(°) single area 1 2.15 double area 1 0.06 2 1.47 three area 1 0.06 2 0.26 3 0.45 Table 3. Experimental result
根据实验结果可知,拟合标定物方位角度的误差值随着标定区域的增加而减小。在将整个鱼眼图像划分为3个区域时,区域1的平均误差为0.06°,区域2的平均误差为0.26°,区域3的平均误差为0.45°。可以看出,靠近光学中心的主要成像区域误差较小,远离光学中心的边缘成像区域误差较大,对鱼眼图像划分区域标定可以有效降低系统的标定误差,提升了整个鱼眼成像系统的标定精度。