相机光轴视觉反馈校正研究

    图像测量可分为二维测量和三维测量。三维测量又可称为立体视觉测量，与二维测量相比，其优越性较明显。但是，三维测量需要标定出两架甚至多架相机的相互位置，以及找出同一目标点在两架相机所成图像上的相互对应关系，这就涉及到甚为复杂的立体匹配问题，影响了测量精度。如球面孔系的测量，由于小孔很难精确定位，采用三维测量将带来较大的测量误差，因此，一般都采用二维测量，但需要特殊的激光导引装置将镜头引导到正确的位置[1]。石油管螺纹梳刀刀尖结构参数测量，所有的被测参数都在一个平面上，没有必要采用立体测量法[2]。如果把二维测量与高精度的运动控制机构结合起来，可将三维测量的问题转化为二维测量问题。二维测的关键技术问题是保证相机光轴与被测面相垂直[3](对于孔的测量，还需保证圆心与相机光心重合)；否则，图像将发生失真，从而影响测量精度。本文提出了基于视觉伺服的相机光轴校正法，不需要特殊的导引装置，实现了相机光轴的高精度校正。

    1 基于视觉伺服的相机光轴反馈校正法的基本原理

    实际的相机光学系统是非线性成像系统，所成的像既包括了由于成像靶面与被测面不相平行产生的线性畸变，也包括了由于相机镜头的加工误差而产生的非线性畸变。

    基于视觉伺服的相机光轴反馈校正法的基本思想为：线性畸变的大小反映了相机光轴的倾斜程度，如果将其中的线性畸变检测出来，判断出相机的倾斜情况；在此基础上利用驱动机构对相机的位置进行伺服反馈调节，即可实现对相机光轴的精确校正。

    实际所成的像，其线性畸变与非线性畸变是线性叠加关系，可以采用以下方法将两种畸变分离：(1) 利用相机标定，标定出相机的非线形畸变系数；(2) 利用非线性畸变系数，对所成的像进行非线性校正，得到只存在线性畸变的图像；(3) 利用该图像对相机光轴进行反馈校正。

    基于视觉伺服的相机光轴反馈校正系统如图1所示。系统主要由工业计算机、CCD相机、驱动系统、反馈系统和测量平台组成。CCD相机既是输出检测元件，也是输入检测元件。系统采用了4个步进电机，分别对应相机光轴高精度校正所需的4个自由度，即2个移动自由度，2个转动自由度。图像的几何特征反映了相机光轴的倾斜情况，由于两个平移自由度上的运动情况，容易通过图像几何中心的坐标值来判断。因此，最好选取经成像后某特征只具备两个状态的对象，分别反映了两个旋转自由度上的不同状况，从而有利于构造伺服校正控制算法。