基于机器视觉的线阵CCD相机成像几何模型

    随着计算机视觉技术的快速发展,机器视觉技术在军地各行各业中的应用越来越广泛。特别是在工业检测领域,大幅度地提高了产品的质量和可靠性,保证了生产的速度。机器视觉系统由影像获取设备(包括照明设备)、图像采集处理设备、影像处理算法模型(专家系统)等组成。其中影像获取设备处于核心地位[1],它决定了机器视觉系统成败的关键,对图像采集处理设备的选择具有指导意义,是设计专家系统建模模型的参考基础,所以研究影像获取设备及其成像几何模型具有重要意义。机器视觉的影像获取设备包括各种传感器、物探器、数字相机、数字摄像机等,数字相机在机器视觉系统应用中占有很大的比例,而且在以后可以预见的实际应用当中会得到更大的实践[2]。数字CCD相机有线阵、面阵两种类型组成,其中线阵CCD相机以其分辨率高、色彩型号齐全、扫描频率可控等特色在机器视觉系统应用当中受到青睐。

    1 线阵CCD相机及其成像原理

    1. 1 线阵CCD相机及其成像

    CCD相机由相机和镜头组成,通常所说的相机就包括这两部分。

    1) CCD相机。核心是CCD(Charge CoupledDevice)器件,即电荷耦合器件,基本构成单元是MOS(金属-氧化物-半导体)结构,若干个MOS结构排列在一起构成一个CCD单元。每个MOS结构可以独立感受照射在其上的光强,并按照光的强弱将其成比例的转换为电荷存储在MOS结构中,故MOS结构的基本功能是完成光电荷的转换与存储。它是由具有光电转换功能的半导体器件组成一个线阵或面阵单元,每个半导体器件能够存储随景物变化而感受到的信号的电荷量,并能够在控制信号的作用下,将存储的信号按照一定顺序输出,形成数字图像信号。CCD相机分为线阵CCD和面阵CCD,用户可以根据不同的用途来选择合适的相机[3]。在此主要探讨的是阵CCD相机。

    2)镜头[3]。机器视觉中采用的CCD相机中另外一个重要器件是镜头,镜头是一组光学器皿的组合体,大多有凹、凸透镜按照一定规律组合而成。镜头的关键性能有焦距、口径、分辨率决定,镜头的焦距、镜头分辨率、口径以及镜头畸变差等特性都对相机的成像具有重要影响。因此,在组建机器视觉系统时,选择硬件设备要根据实际需要,选择合适的口径和焦距进而确定镜头。

    3)成像原理。CCD相机的成像过程如图1所示。

    1.2 CCD相机的误差来源

    CCD相机的误差不仅可能由光学镜头的畸变与机械误差引起,还可能由视频信号的/模/数转换0产生,分别称为光学误差、机械误差和电学误差[4]。