本發(fā)明涉及光軸對(duì)準(zhǔn)的，尤其是指一種用于光學(xué)定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)易光軸對(duì)準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

1、鏡頭的光心是指光軸通過鏡頭與影像傳感器cmos成像平面的相交的點(diǎn)。在理想的相機(jī)針孔模型中，光心的圖像坐標(biāo)為cmos成像平面以像素為單位表示的寬和高的一半。當(dāng)實(shí)際光心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)相差10個(gè)像素時(shí)對(duì)測(cè)量精度影響不大。然而，由于鏡頭加工誤差及其與cmos接口誤差等因素的影響，實(shí)際的光心圖像坐標(biāo)往往相差十幾甚至幾十個(gè)像素，此時(shí)的誤差對(duì)測(cè)量精度的影響不能忽略。

2、光軸對(duì)準(zhǔn)方法可分為直接光學(xué)方法和圖像約束法，直接光學(xué)方法借助激光將光束與光軸對(duì)齊，利用cmos成像的光斑位置進(jìn)行光軸對(duì)準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)是精度較高，但調(diào)節(jié)困難，需要高精度標(biāo)定臺(tái)；圖像約束法有分為標(biāo)定法和mtf圖像解析法，前者通過張正友標(biāo)定法求解相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，得出光心坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但這種方法較為繁瑣，在實(shí)際應(yīng)用中較為少見；比較常見的是通過評(píng)價(jià)圖像四個(gè)角落的解析力進(jìn)行光軸對(duì)準(zhǔn)，該方法較為簡(jiǎn)便且精度較高，但需要特制圖樣，也并未在近紅外光學(xué)定位系統(tǒng)中應(yīng)用。綜上，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用在近紅外光學(xué)定位系統(tǒng)場(chǎng)景，且兼?zhèn)浜?jiǎn)便與高精度是光軸對(duì)準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提出了一種用于光學(xué)定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)易光軸對(duì)準(zhǔn)方法，能夠借助簡(jiǎn)單的設(shè)備和圖樣，提取圖像關(guān)鍵信息得到光心坐標(biāo)，并進(jìn)行光軸對(duì)準(zhǔn)，該方法既簡(jiǎn)便又保證了對(duì)準(zhǔn)精度，并能應(yīng)用在近紅外光學(xué)定位系統(tǒng)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種用于光學(xué)定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)易光軸對(duì)準(zhǔn)方法，該方法是在光軸對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中進(jìn)行，所述光軸對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)包括影像傳感器cmos、鏡頭、六軸微調(diào)平臺(tái)、三軸電動(dòng)導(dǎo)軌、光學(xué)定位系統(tǒng)、棋盤格和光學(xué)防震臺(tái)，所述cmos安裝在六軸微調(diào)平臺(tái)末端，將六軸微調(diào)平臺(tái)與鏡頭固定在光學(xué)防震臺(tái)上，將棋盤格安裝在三軸電動(dòng)導(dǎo)軌末端，所述cmos和鏡頭分別與光學(xué)定位系統(tǒng)連接用于圖像采集；包括以下步驟：

3、s1：調(diào)整棋盤格位置使其顯示在光學(xué)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)圖像的中心位置；三軸電動(dòng)導(dǎo)軌控制棋盤格沿實(shí)時(shí)圖像的水平和垂直方向按設(shè)定的第一精度步長(zhǎng)移動(dòng)，每移動(dòng)一次光學(xué)定位系統(tǒng)采集一張圖像；

4、s2：利用閾值判斷和矩形檢測(cè)提取步驟s1采集的所有圖像的棋盤格輪廓，根據(jù)棋盤格輪廓計(jì)算棋盤格中心坐標(biāo)，并計(jì)算棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值；

5、s3：將棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值和棋盤格中心坐標(biāo)作二次擬合，得到實(shí)際光心坐標(biāo)，并與cmos的中心，即理論光心進(jìn)行比較；根據(jù)二次擬合得到的曲線和棋盤格中心坐標(biāo)計(jì)算出擬合梯度值，若實(shí)際光心與理論光心作差的絕對(duì)值大于設(shè)定的第一誤差值，或?qū)嶋H梯度值和擬合梯度值作差的絕對(duì)值大于設(shè)定的第一距離值，則執(zhí)行步驟s4，而后再重復(fù)執(zhí)行步驟s1～s3；反之則執(zhí)行步驟s5；

6、s4：利用六軸微調(diào)平臺(tái)調(diào)整cmos位置，其中六軸微調(diào)平臺(tái)的x軸和y軸的調(diào)整量由實(shí)際光心與理論光心的差和量化因子決定，而量化因子的大小由六軸微調(diào)平臺(tái)的x軸最小步長(zhǎng)、y軸最小步長(zhǎng)以及x軸和y軸的像素密度共同決定；

7、s5：三軸電動(dòng)導(dǎo)軌控制棋盤格沿實(shí)時(shí)圖像的水平和垂直方向按設(shè)定的第二精度步長(zhǎng)移動(dòng)，每移動(dòng)一次光學(xué)定位系統(tǒng)采集一張圖像，并進(jìn)行步驟s2同樣的圖像處理；將棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值和棋盤格中心坐標(biāo)作二次擬合，得到實(shí)際的光心坐標(biāo)，若實(shí)際光心與理論光心作差的絕對(duì)值大于設(shè)定的第二誤差值或?qū)嶋H梯度值和擬合梯度值作差的絕對(duì)值大于設(shè)定的第二距離值，則重復(fù)執(zhí)行步驟s4、s1、s2、s3，反之則執(zhí)行步驟s6；

8、s6：對(duì)步驟s5中二次擬合得到的擬合曲線與棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值進(jìn)行比較，量化實(shí)際梯度值和擬合梯度值的差異與對(duì)稱度，根據(jù)量化的差異與對(duì)稱度調(diào)整六軸微調(diào)平臺(tái)的傾斜角，最后，對(duì)cmos與鏡頭的相對(duì)位置進(jìn)行固定，完成光軸對(duì)準(zhǔn)。

9、進(jìn)一步，在步驟s1中，所述光學(xué)定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)圖像顯示界面中心作十字標(biāo)記，移動(dòng)三軸電動(dòng)導(dǎo)軌使得棋盤格中心與十字標(biāo)記重合，三軸電動(dòng)導(dǎo)軌控制棋盤格沿實(shí)時(shí)圖像的水平方向按設(shè)定的第一精度步長(zhǎng)采集a張圖像，沿實(shí)時(shí)圖像的垂直方向按設(shè)定的第一精度步長(zhǎng)采集b張圖像。

10、進(jìn)一步，所述步驟s2的具體操作步驟如下：

11、s21：設(shè)定低閾值tmin和高閾值tmax，濾除噪聲和背景對(duì)所采集圖像中棋盤格區(qū)域識(shí)別的影響，利用canny算法檢測(cè)邊緣并利用多邊形逼近檢測(cè)棋盤格中的矩形，得到棋盤格中所有矩形角點(diǎn)坐標(biāo)，棋盤格所在區(qū)域的角點(diǎn)坐標(biāo)由矩形角點(diǎn)坐標(biāo)的最大值和最小值決定，并根據(jù)棋盤格四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出第i張圖像的中心坐標(biāo)(xi,yi)，其中xi、yi分別為該中心坐標(biāo)的橫縱坐標(biāo)；

12、s22：計(jì)算水平方向圖像棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值{g1(1),g1(2),g1(3),...,g1(i),...,g1(a)}以及垂直方向圖像棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值{f1(1),f1(2),f1(3),...,f1(j),...,f1(b)}，其中g(shù)1(i)代表水平方向第i張圖像棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值，f1(j)代表垂直方向第j張圖像棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值：

13、

14、式中，求取的是第n行第m列像素值的梯度，n和m分別是棋盤格區(qū)域像素值的長(zhǎng)和寬，表示求取該像素點(diǎn)的灰度值的梯度。

15、進(jìn)一步，所述步驟s3的具體操作步驟如下：

16、s31：將水平方向圖像棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值{g1(1),g1(2),g1(3),...,g1(i),...,g1(a)}與水平方向圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的橫坐標(biāo){x1,x2,x3,...,xi,...,xa}進(jìn)行二次擬合，其中xi代表第i張圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的橫坐標(biāo)，二次擬合得到的水平方向的擬合曲線h1(x)，其峰值對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為光心橫坐標(biāo)xc，將垂直方向圖像棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值{f1(1),f1(2),f1(3),...,f1(j),...,f1(b)}與垂直方向圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的縱坐標(biāo){y1,y2,y3,...,yj,...,yb}進(jìn)行二次擬合，其中yj代表第j張圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的縱坐標(biāo)，二次擬合得到的垂直方向的擬合曲線v1(y)，其峰值對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為光心橫坐標(biāo)yc；

17、s32：計(jì)算(xc,yc)與理論光心橫縱坐標(biāo)(xt,yt)的差，判斷其是否滿足條件：

18、

19、式中，d1是設(shè)定的第一誤差值；根據(jù)水平和垂直方向的擬合曲線h1(x)和v1(y)、水平方向圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的橫坐標(biāo){x1,x2,x3,...,xi,...,xa}及垂直方向圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的縱坐標(biāo){y1,y2,y3,...,yj,...,yb}，計(jì)算出水平方向和垂直方向的擬合梯度值{g1'(1),g1'(2),g1'(3),...,g1'(i),...,g1'(a)}和{f1'(1),f1'(2),f1'(3),...,f1'(j),...,f1'(b)}，其中，g1'(i)代表水平方向第i張圖像棋盤格區(qū)域的擬合梯度值，f1'(j)代表垂直方向第j張圖像棋盤格區(qū)域的擬合梯度值：

20、

21、式中，h1(xi)是橫坐標(biāo)為xi時(shí)，代入水平方向的擬合曲線h1(x)求得的第i張圖像棋盤格區(qū)域的擬合梯度值；v1(yj)是縱坐標(biāo)為yj時(shí)，代入垂直方向的擬合曲線v1(y)求得的第j張圖像棋盤格區(qū)域的擬合梯度值；

22、判斷實(shí)際梯度值與擬合梯度值是否滿足條件：

23、

24、式中，l1是設(shè)定的第一距離值。

25、進(jìn)一步，在步驟s4中，計(jì)算擬合得出的實(shí)際光心與理論光心的差xc-xt以及量化因子γ1和γ2，得出六軸微調(diào)平臺(tái)x軸和y軸的調(diào)整量δx、δy：

26、δx＝(xc-xt)×γ1，δy＝(yc-yt)×γ2

27、式中，δx和δy的正負(fù)代表六軸微調(diào)平臺(tái)的x軸和y軸的移動(dòng)方向，其中正代表朝正方向移動(dòng)，負(fù)代表朝負(fù)方向移動(dòng)；量化因子γ1、γ2的大小由六軸微調(diào)平臺(tái)的x軸最小步長(zhǎng)dx、y軸最小步長(zhǎng)dy以及x軸和y軸的像素密度dx、dy共同決定：

28、

29、進(jìn)一步，在步驟s5中，三軸電動(dòng)導(dǎo)軌控制棋盤格沿實(shí)時(shí)圖像的水平方向按設(shè)定的第二精度步長(zhǎng)采集a張圖像，沿實(shí)時(shí)圖像的垂直方向按設(shè)定的第二精度步長(zhǎng)采集b張圖像；

30、設(shè)定低閾值tmin和高閾值tmax，濾除噪聲和背景對(duì)所采集圖像中棋盤格區(qū)域識(shí)別的影響，利用canny算法檢測(cè)邊緣并利用多邊形逼近檢測(cè)棋盤格中的矩形，得到棋盤格中所有矩形角點(diǎn)坐標(biāo)，棋盤格所在區(qū)域的角點(diǎn)坐標(biāo)由矩形角點(diǎn)坐標(biāo)的最大值和最小值決定，并根據(jù)棋盤格四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出第i張圖像的中心坐標(biāo)(xi',y'j)，其中xi'、y'j分別為該中心坐標(biāo)的橫縱坐標(biāo)；

31、計(jì)算水平方向圖像棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值{g2(1),g2(2),g2(3),...,g2(i),...,g2(a)}以及垂直方向圖像棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值{f2(1),f2(2),f2(3),...,f2(j),...,f2(b)}，其中g(shù)2(i)代表所采集的水平方向第i張圖像棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值，f2(j)代表所采集的垂直方向第j張圖像棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值：

32、

33、將水平方向圖像棋盤格區(qū)域的實(shí)際梯度值{g2(1),g2(2),g2(3),...,g2(i),...,g2(a)}與水平方向圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的橫坐標(biāo){x1',x'2,x'3,...,xi',...,x'a}進(jìn)行二次擬合，其中xi'代表第i張圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的橫坐標(biāo)，二次擬合得到的水平方向的擬合曲線h2(x)，其峰值對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為光心橫坐標(biāo)x'c，將垂直方向圖像的實(shí)際梯度值{f2(1),f2(2),f2(3),...,f2(j),...,f2(b)}與垂直方向圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的縱坐標(biāo){y1',y'2,y'3,...,y'j,...,y'b}進(jìn)行二次擬合，其中y'j代表第j張圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的縱坐標(biāo)，二次擬合得到的垂直方向的擬合曲線v2(y)，其峰值對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為光心橫坐標(biāo)y'c；

34、計(jì)算擬合光心橫縱坐標(biāo)(x'c,y'c)與理論光心橫縱坐標(biāo)(xt,yt)的差的絕對(duì)值與設(shè)定的第二誤差值d2之間的大小，判斷其是否滿足條件：

35、

36、根據(jù)水平和垂直方向的擬合曲線h2(x)和v2(y)、所得每張圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的橫坐標(biāo){x1',x'2,x'3,...,xi',...,x'a}及所得每張圖像棋盤格區(qū)域中心坐標(biāo)的縱坐標(biāo){y1',y'2,y'3,...,y'j,...,y'b}，計(jì)算出水平方向和垂直方向的擬合梯度值{g'2(1),g'2(2),g'2(3),...,g'2(i),...,g'2(a)}和{f2'(1),f2'(2),f2'(3),...,f2'(j),...,f2'(b)}，其中g(shù)'2(i)代表所采集的水平方向第i張圖像棋盤格區(qū)域的擬合梯度值，f2'(j)代表所采集的垂直方向第j張圖像棋盤格區(qū)域的擬合梯度值：

37、

38、式中，h2(xi')是橫坐標(biāo)為xi'時(shí)，代入水平方向的擬合曲線h2(x)求得的第i張圖像棋盤格區(qū)域的擬合梯度值；v2(y'j)是縱坐標(biāo)為y'j時(shí)，代入垂直方向的擬合曲線v2(y)求得的第j張圖像棋盤格區(qū)域的擬合梯度值；

39、判斷實(shí)際梯度值與擬合梯度值是否滿足條件：

40、

41、式中，l2是設(shè)定的第二距離值。

42、進(jìn)一步，在步驟s6中，水平方向圖像棋盤格區(qū)域的擬合梯度值g2與棋盤格中心橫坐標(biāo)的分布近似為拋物線，對(duì)稱軸兩邊的對(duì)稱程度反映了cmos與光軸是否垂直，而水平和垂直方向的兩條曲線分別反映了cmos的俯仰情況和偏擺情況；六軸微調(diào)平臺(tái)的a軸和b軸分別負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)cmos的俯仰角和偏擺角；

43、假設(shè)擬合得出實(shí)際光心x'c、y'c分別對(duì)應(yīng)水平方向a張圖像中的第u張圖像和垂直方向b張圖像中的第v張圖像，為了量化對(duì)稱軸兩邊梯度的對(duì)稱程度，先統(tǒng)計(jì)對(duì)稱軸左右對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)組數(shù)hx、hy：

44、hx＝min(u-1,a-u)，hy＝min(v-1,b-v)

45、計(jì)算對(duì)稱軸左右對(duì)應(yīng)的實(shí)際梯度值的差，并求其水平和垂直方向的均值μx和μy：

46、

47、式中，g2和f2分別是水平方向和垂直方向圖像棋盤格區(qū)域的擬合梯度值；和分別對(duì)水平方向和垂直方向擬合曲線對(duì)稱軸左右對(duì)應(yīng)的實(shí)際梯度值作差，再進(jìn)行求和；

48、為了衡量對(duì)應(yīng)的實(shí)際梯度值的穩(wěn)定性，計(jì)算左右對(duì)應(yīng)的實(shí)際梯度值差值的標(biāo)準(zhǔn)差sx、sy：

49、

50、若圖像梯度滿足μx＜μ，μy＜μ，sx＜s，sy＜s，此時(shí)認(rèn)為cmos與光軸垂直，其中，μ和s分別代表設(shè)定的第三誤差值和第四誤差值；若不滿足，則調(diào)整六軸微調(diào)平臺(tái)的a軸和b軸；

51、六軸微調(diào)平臺(tái)的a軸對(duì)應(yīng)調(diào)整cmos的偏擺角，b軸對(duì)應(yīng)調(diào)整cmos的俯仰角，偏擺角的調(diào)整量δα和俯仰角δβ為：

52、

53、式中，和代表梯度差值μx和μy到a軸、b軸的轉(zhuǎn)換關(guān)系，θa和θb代表a軸和b軸的最小步長(zhǎng)；

54、若cmos與光軸符合垂直條件，對(duì)cmos與鏡頭的相對(duì)位置用特制膠水進(jìn)行固定，完成光軸對(duì)準(zhǔn)。

55、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：

56、1、本發(fā)明調(diào)試環(huán)境搭建簡(jiǎn)便，計(jì)算速度快，在達(dá)到預(yù)期對(duì)準(zhǔn)精度的同時(shí)盡可能降低了對(duì)準(zhǔn)成本。

57、2、本發(fā)明充分運(yùn)用圖像梯度信息，從一組圖像中可間接獲取光軸偏移程度以及傾斜程度，具有較大研究?jī)r(jià)值。

58、3、本發(fā)明在光學(xué)定位系統(tǒng)應(yīng)用中能有效減少光心對(duì)準(zhǔn)誤差，圖像四角模糊的情況有所改善，從而進(jìn)一步提高光學(xué)定位系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

59、4、本發(fā)明可拓展到其它相機(jī)模組對(duì)準(zhǔn)的應(yīng)用中，具有較高的應(yīng)用價(jià)值及廣闊前景。