自动变焦聚焦视觉传感器及其标定问题研究

摘要

视觉传感器系统是以CCD图像传感器为主要敏感元件构造而成的一个集现代光、机、电技术为一体的系统，涉及机械、光学、电子、计算机视觉、数字图像处理、软件工程等多方面的技术。它作为非接触式测量方法的一种重要手段，已经得到了越来越广泛的研究和应用。 现有的视觉传感器因为受摄像机标定过程复杂，精度不高等限制，多用在被测对象差异不大、大批量、重复性强的工作环境中，而在对被测对象个体差异较大的测量场合的应用却很少。本文在对测量用视觉传感器的研究基础上，设计了一种用于机械零件加工过程中，工件大小变化较大的测量场合的视觉传感器。该视觉传感器具有自动变焦聚焦的光学镜头，能够根据被测工件的大小调整镜头焦距，获得合适的图像，提高测量的精度；并且在改变焦距的情况下，可自动获取图像与实际物体之间的关系，省略了复杂的标定过程，提高了测量效率。 本文首先介绍视觉测量系统的基本原理，简单地介绍了几种常见的基于视觉传感器的测量方法，有单目视觉法、立体视觉法、三(多)目视觉法等。 然后针对现有视觉传感器测量系统存在的测量范围有限，焦距改变后标定过程复杂等问题，提出了一种新型的自动变焦聚焦视觉传感器。详细地介绍了视觉传感器的总体架构、硬件组成设计及选用。采用步进电机通过机械传动机构控制手动变焦距镜头，以此来获得焦距的变化值，实现视觉传感器的自动变焦聚焦。重点阐述了步进电机的控制方式设计及变焦聚焦机制实现。确定了自动变焦聚焦视觉传感器的软件设计方案，给出了视觉传感器工作的总体软件流程和变焦聚焦子程序流程。 最后对自动变焦聚焦视觉传感器的标定问题进行了研究，主要是镜头的标校和摄像机的标定。在镜头的标校中，对镜头焦距的确定和传动系统的空回问题进行了分析。在摄像机标定中，首先建立了摄像机的线性成像模型，根据模型确定了摄像机标定的方法；然后考虑镜头畸变，简单介绍了摄像机的非线性成像模型及其摄像机标定；最后根据具体情况给出了本设计所采用的摄像机标定方法。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2计算机视觉及摄像机标定的研究现状

1.3视觉测量系统的研究现状

1.3.1计算机视觉检测技术

1.3.2视觉测量系统的研究和发展现状

1.4论文主要工作

第2章视觉传感器测量系统基本原理

2.1引言

2.2视觉测量方法的分类

2.3单目视觉测量

2.4双目视觉(立体视觉)测量系统

2.5三目(多目)视觉方法

2.6本章小结

第3章自动变焦聚焦视觉传感器设计

3.1引言

3.2总体方案设计

3.2.1方案一

3.2.2方案二

3.3.3两种方案比较

3.3硬件组成部分及选用

3.3.1 CCD摄像机

3.3.2镜头

3.3.3图像采集卡

3.3.4步进电机及其驱动器和控制卡

3.4机械传动机构设计

3.5步进电机控制

3.5.1控制方式选择

3.5.2具体控制方式实现

3.6自动变焦聚焦的实现

3.6.1视觉传感器初始化

3.6.2自动变焦聚焦软件实现

3.7自动变焦聚焦视觉传感器的软件实现

3.7.1视觉传感器的软件总体设计

3.7.2变焦聚焦控制子程序

3.8本章小结

第4章视觉传感器的标定

4.1引言

4.2镜头的标校

4.2.1焦距的标定

4.2.2传动系统的空回

4.3摄像机标定

4.3.1图像坐标系、摄像机坐标系和世界坐标系

4.3.2线性模型(小孔模型)

4.3.3线性模型摄像机标定

4.3.4摄像机非线性成像模型

4.3.5本文采用的摄像机标定方法

4.4本章小结

第5章总结与展望

5.1结论

5.2需要进一步研究的问题

参考文献

致 谢

附录