基于多CCD拼接相机测角精度检测

    1 引言

    CCD图像传感器具有尺寸小、重量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、线性好、光谱响应范围宽、几何结构稳定、工作可靠等优点[1],自问世以来,广泛应用于物体外形测量、图像传真、智能传感等方面。近年来,随着CCD图像传感器和计算机水平的发展,在非接触式光电测量设备中,CCD相机逐渐取代传统的胶片式摄影机。

    在大视场、高分辨率光电测量设备中,单片CCD器件仍不能够满足测量精度和测量视场的要求,为此,需要对多CCD器件进行拼接。基于多CCD拼接相机测量精度不仅取决于光学系统、CCD图像传感器等硬件外,测量精度还取决于测量系统的数学模型,因此建立一套完整的相机数学模型是保证相机测量精度关键因素。

    2 多CCD图像传感器拼接原理

    CCD拼接主要有两种途径,一是CCD器件直接拼接[2],一是通过光学系统分光的方法进行光学拼接。

    直接拼接是指将CCD器件在机械上首尾搭接的方法。由于普通CCD器件的光敏面以外的边缘以及引脚的影响,直接拼接时CCD器件之间会产生缝隙,实现难度比较大。

    光学系统分光的方法主要有以下三种形式:视场分光、光路分光、光束分光。其中光束分光中棱镜分束方式应用比较多,这种方法是通过一部分反射,一部分透过的棱镜将光路分成多路,从而达到拼接的目的。对于大视场的系统来说,即使采用大量的棱镜、场镜、透镜,其畸变与像质都很难校正。为了克服畸变和像质难以校正的缺点,本文介绍内视场拼接透镜分束的一种变体即单心球面系统。

    单心球面系统拼接方法利用透镜分束的拼接原理,即将由第一组透镜成像在第一像面上的光束分成多个,然后由各个小透镜分别成像在第二像面上,从而达到拼接的目的。其拼接原理如图1所示,将第一组透镜改用单心球透镜,由物方来的光束经单心球透镜成像在形状为球面的第一像面上,再经过9组转像物镜将第一像面上的像分成9路各自独立的光束最后成像在第二像面的9个平面上。9个像的排列如图2所示,图1中只表示了一个截面,可安置3个面阵CCD器件。如在9个成像平面上安置CCD面阵器件即可实现CCD光机拼接。

    3 偏最小二乘回归的基本思想

    偏最小二乘回归[3]是近年来产生和发展的一种广泛适用的多元统计分析方法。它是由Wold和Alban在1983年提出来的,其基本原理是:假定有m个因变量{y1,y2,,,ym}和n个自变量{x1,x2,,,xn},在观测p个样本点后,构成自变量和因变量数据表X=[x1,x2,,,xn]p@n和Y=[x1,x2,,,xm]p@m,偏最小二乘回归分别在X和Y中提取成分t1和u1,即t1是x1,x2,,,xn的线性组合,u1是y1,y2,,,ym的线性组合,在提取成分时t1和u1必须满足以下两个条件: