基于同视场参考点的单目视觉测量系统的设计与应用

摘要

本课题提出了一种用于测量空间三维点坐标的单摄像机模型。该模型利用透视投影几何关系，对摄像机参数进行标定，基于同视场参考点建立参考点与被测点的平面方程，利用这两个约束条件，建立相应的数学模型，通过单目CCD摄像机像面坐标，重建物体落点的三维坐标。成功的解决了靶场弹着点测量系统，在山地、丘陵等复杂地形，利用双目视觉交汇组合测量存在的死角问题，影响系统的测量范围，另外，单目视觉测量系统也避免了双目视觉系统存在对应特征点匹配问题。 本论文主要进行了以下工作： 1.系统整体设计，作为一个完整的计算机视觉系统，本系统包括硬件系统和相应的图像采集控制软件，其中硬件部分又分为光学系统、CCD传感装置和控制/处理单元(计算机)组成，软件为图像采集程序设计，都逐一作了详细介绍，本文针对单目视觉测量系统，为摄像机定标设计了一个固定关联基准，摄像机获取基准上参考点的图像，由此计算出摄像机的内外参数。 2.系统测量模型及标定，基于同视场参考点的落点坐标测量法共包含三大部分：(1)摄像机参数的标定；(2)参考点与被测点所在平面参数的标定；(3)三维信息的建立。摄像机参数的标定是要建立摄像机坐标系统与空间坐标系统的关系，参考点与被测点平面参数标定是确定出空间坐标系统的参考点平面方程式，三维信息的建立实现了单目摄像机从2-D计算机图像坐标向空间3-D信息的转换。 3.CCD摄像机获得的图像都会产生失真，本文介绍了系统误差的来源，并对光学误差、光电误差进行了误差分析及检测，又介绍了固定关联基准精度等对系统的影响。详细介绍了镜头径向畸变的小孔摄像机模型，在镜头径向畸变的情况下对摄像机参数进行标定，通过标定计算出径向畸变情况下的旋转矩阵、平移矩阵、有效焦距f、失真系数k，并通过实验对建立的模型进行检验。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2研究现状

1.2.1单目视觉测量方法

1.2.2计算机视觉的应用领域

1.3本论文主要研究内容

第二章 系统整体设计

2.1系统的构成

2.1.1单目立体视觉测量

2.1.2系统原理及组成

2.2光学成像系统

2.2.1摄影光学系统与成像模型

2.2.2视场

2.2.3像面照度

2.3系统的硬件设计

2.3.1镜头的选择

2.3.2 CCD传感器件

2.3.3 OK_AM1410数字摄像机工作原理说明

2.3.4摄像机与镜头的连接

2.3.5摄像机与底托

2.3.6成像分辨率分析

2.4图像采集程序设计

2.4.1单帧采集控制程序

2.4.2连续采集控制程序

2.4.3 目标坐标提取

2.5固定关联基准设计

2.6系统结构示意图

第三章 系统测量模型及标定

3.1摄像机参数的标定

3.1.1摄像机模型与透视变换

3.1.2摄像机标定

3.2参考点与被测点所在平面参数的标定

3.3三维信息的建立

3.4本章小结

第四章 系统误差分析与检测

4.1系统的误差来源

4.2系统误差分析

4.2.1 光学镜头径向畸变引起的测量误差

4.2.2光学镜头离心畸变引起的测量误差

4.2.3光学镜头薄透镜畸变引起的测量误差

4.2.4光电误差

4.2.5 固定关联基准精度引起的测量误差

4.3镜头径向畸变的摄像机标定

4.3.1镜头径向畸变的小孔摄像机模型

4.3.2.镜头径向畸变的摄像机参数

4.4实验与小结

4.4.1 实验

4.4.2.小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2研究方向与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢