一种摄像系统定量评定方法

    一、引言

    在利用数字图像进行光学精密测量时,为了消除摄像系统中存在的各种误差,就需要对摄像系统进行高精度标定。对由视频输出CCD摄像机和图像采集卡组成的摄像系统来讲,一般都认为其几何重复性能良好,通过测量前的标定即可完成对后续测量拍摄图像的校正。但是由于视频数字化过程中存在误差,可能会破坏图像的几何重复性。因此,标定后的摄像系统的评定也就成了一项重要的工作。

    本文首先分析了摄像系统中的主要误差来源,然后基于对摄像系统的高精度标定,提出了一种摄像系统定量评定的方法。

    二、摄像系统误差源分析

    一般摄像系统多采用的是常规工业用CCD摄像机,其输出为标准视频信号,通过图像采集卡来完成图像的采集。这种摄像系统存在的主要误差有以下四种[1]:

    1.光学镜头畸变

    由于普通摄像机镜头在加工、安装和调试过程中难免存在一定的残余像差,如球面像差、彗星像差、像散、像场弯曲和畸变像差等轴对称像差及不对心像差和薄棱镜像差等非轴对称像差。存在的残余像差会引起镜头的畸变,畸变主要包括径向和切向畸变误差。镜头焦距越短则镜头畸变越大,越靠近镜头边缘,畸变误差越大。镜头畸变同时也与拍摄时的镜头光圈数F相关,F越小,畸变越大,因此应尽量选取大光圈数F来进行拍摄。

    2.CCD传感器阵列像元几何误差

    CCD芯片中的阵列像元排列不规则、位置偏差、尺寸大小误差及阵列轴的不垂直性误差等统称为阵列像元几何误差。这项误差主要取决于CCD芯片生产厂家的加工技术和工艺水平。

    3.传感器和电路随机噪声

    主要是由电子器件和电路产生的各种噪声。一般通过图像预处理来消减噪声的影响,如多图平均法和各种滤波的方法。

    4.视频转换误差

    视频转换误差主要包括行同步误差、场同步误差、采样间隔误差和帧同步误差。由于标准的视频信号,如PAL、NTSC都是2:1的隔行扫描,一帧图像由奇偶两场图像组成。图像采集卡要正确进行图像采集,就要对模拟视频信号中的场同步脉冲信号和行同步脉冲信号进行准确定位。由于同步信号定位误差引起了图像的行间错动和场间错动。同时,由于采样时钟频率不稳定而引起了采样间隔误差,以上三种误差统称为行抖动误差。由于一帧图像由奇偶两场组成,因此两帧图像之间由于同步的误差而引起了帧同步误差。行抖动误差和帧同步误差是视频转换过程中的主要误差。