大視場(chǎng)相機(jī)非線性畸變校正裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大視場(chǎng)相機(jī)非線性畸變的校正裝置和方法，該裝置包括單星星光模擬器、二維轉(zhuǎn)臺(tái)、二維轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)、光學(xué)平臺(tái)和計(jì)算機(jī)。該方法是利用質(zhì)心定位算法確定相機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)不同位置星點(diǎn)像的質(zhì)心位置坐標(biāo)，并建立投影成像模型計(jì)算對(duì)應(yīng)星點(diǎn)像的理想成像位置坐標(biāo)，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合非線性畸變模型，實(shí)現(xiàn)待測(cè)相機(jī)畸變的校正。本發(fā)明具有裝置簡(jiǎn)單、自動(dòng)操作、測(cè)量方便，校正算法精度高的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)相機(jī)非線性畸變校正。
【專利說(shuō)明】大視場(chǎng)相機(jī)非線性畸變校正裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大視場(chǎng)相機(jī)非線性畸變高精度校正裝置和方法的設(shè)計(jì)，屬于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]一般相機(jī)由于加工和安裝誤差，難以達(dá)到理想透鏡成像的效果，使得物體點(diǎn)在成像平面上實(shí)際所成的像與理想成像之間存在非線性光學(xué)畸變，并且隨著視場(chǎng)角的不斷增大，畸變逐漸加大。畸變的大小很大程度上決定了鏡頭的成像質(zhì)量和系統(tǒng)的測(cè)量精度，因此，用于精密測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)相機(jī)，其畸變的校正顯得尤其重要。
[0003]目前光學(xué)相機(jī)幾何畸變校正算法主流是基于模板圖像的畸變校正，主要有兩大類:非線性畸變模型和直接映射法。
[0004]根據(jù)幾何畸變的特性，建立非線性畸變模型。通過(guò)拍攝特征模板，利用特征點(diǎn)實(shí)際空間坐標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的圖像像素坐標(biāo)之間的映射關(guān)系，采用最小二乘法獲得標(biāo)定模型的參數(shù)，利用少量的模型參數(shù)描述光學(xué)系統(tǒng)的畸變特性。常用的畸變模型為多項(xiàng)式變換模型，但是在進(jìn)行廣角鏡頭校正時(shí)通常需要高階多項(xiàng)式，而引入過(guò)多的畸變系數(shù)不僅會(huì)增加計(jì)算量，有時(shí)還會(huì)引起解的不穩(wěn)定，從而降低精度，校正效果不準(zhǔn)確。
[0005]直接映射法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定成像坐標(biāo)和理想成像坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立位置映射表，通過(guò)查找表的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)畸變校正。通常查找表與圖像的尺寸大小成正比，與視場(chǎng)角的平方成正比，而隨著測(cè)量精度要求的提高，其大小也相應(yīng)增加。該方法只適用于小尺寸小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)或者大存儲(chǔ)容量的情況。
[0006]上述基于模板圖像的畸變校正方法都要求模板圖像的幾何中心與待測(cè)相機(jī)的光軸重合，且模板圖像與光軸必須高度垂直，因此模板圖像與待測(cè)相機(jī)的對(duì)準(zhǔn)誤差會(huì)影響畸變校正，從而影響測(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提出一種大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)非線性畸變的測(cè)量裝置和校正方法，該裝置方法簡(jiǎn)單，自動(dòng)操作，測(cè)量方便，校正精度高。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0009]一種大視場(chǎng)相機(jī)非線性畸變校正裝置，它包括單星模擬器1、待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)2、二維轉(zhuǎn)臺(tái)3、二維轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)4、計(jì)算機(jī)5和光學(xué)平臺(tái)6，上述元部件的位置關(guān)系如下:
[0010]所述的單星模擬器I和二維轉(zhuǎn)臺(tái)3置于所述的光學(xué)平臺(tái)6上；所述的單星模擬器I由積分球光源101、平行光管103和位于平行光管焦平面上的針孔分劃板102組成；所述的待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)2固定在二維轉(zhuǎn)臺(tái)3上，并使待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)2的光軸與平行光管103的光軸平行；由積分球光源101發(fā)出的光照明針孔分劃板102，通過(guò)針孔分劃板102的光被平行光管103準(zhǔn)直形成平行星光，該平行星光在待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)2的成像平面上產(chǎn)生星點(diǎn)像；所述待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)2通過(guò)傳輸線與計(jì)算機(jī)5相連；所述二維轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)4與計(jì)算機(jī)5相連，通過(guò)計(jì)算機(jī)5操作二維轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)4控制二維轉(zhuǎn)臺(tái)3的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0011]利用上述大視場(chǎng)光學(xué)相機(jī)非線性畸變校正裝置實(shí)施畸變校正的方法為基于遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，包括以下步驟:
[0012]I)待測(cè)相機(jī)成像中心的標(biāo)定:通過(guò)固定待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)2于二維轉(zhuǎn)臺(tái)3上，保證待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)光軸與平行光管103的光軸平行，采集單星模擬器在待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)2所成的星點(diǎn)像，并通過(guò)質(zhì)心法獲得該星點(diǎn)像的位置坐標(biāo)Ctltl= [x00, y00],即圖像平面中心坐標(biāo)；
[0013]2)裝置初始化:假設(shè)待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)2的視場(chǎng)角為Θ XX Θ y，其中Θ X為水平視場(chǎng)角，Qy為垂直視場(chǎng)角；圖像尺寸為MXN，焦距為f;旋轉(zhuǎn)二維轉(zhuǎn)臺(tái)，使得轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到X方向
t和Y方向處，即相機(jī)的視場(chǎng)臨界點(diǎn)；
[0014]3)獲取訓(xùn)練樣本集:分別以Λ 0丨和Λ 角度增量在大視場(chǎng)相機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)二維轉(zhuǎn)臺(tái)Y方向和X方向，則可以得到二維轉(zhuǎn)臺(tái)在視場(chǎng)范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度:
【權(quán)利要求】
1.一種大視場(chǎng)相機(jī)非線性畸變校正裝置，它包括單星模擬器(I)、待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)(2)、二維轉(zhuǎn)臺(tái)(3)、二維轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)(4)、計(jì)算機(jī)(5)和光學(xué)平臺(tái)(6)，其特征在于: 所述的單星模擬器(I)和二維轉(zhuǎn)臺(tái)(3)置于所述的光學(xué)平臺(tái)(6)上；所述的單星模擬器(I)由積分球光源(101)、平行光管(103)和位于平行光管焦平面上的針孔分劃板(102)組成；所述的待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)(2)固定在二維轉(zhuǎn)臺(tái)(3)上，并使待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)(2)的光軸與平行光管(103)的光軸平行；由積分球光源(101)發(fā)出的光照明針孔分劃板(102)，通過(guò)針孔分劃板(102)的光被平行光管(103)準(zhǔn)直形成平行星光，該平行星光在待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)⑵的成像平面上產(chǎn)生星點(diǎn)像；所述待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)⑵通過(guò)傳輸線與計(jì)算機(jī)(5)相連；所述二維轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)(4)與計(jì)算機(jī)(5)相連，通過(guò)計(jì)算機(jī)(5)操作二維轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)(4)控制二維轉(zhuǎn)臺(tái)(3)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.一種基于權(quán)利要求1所述的大視場(chǎng)相機(jī)非線性畸變校正裝置的畸變校正方法，其特征在于包括以下步驟: 1)待測(cè)相機(jī)成像中心的標(biāo)定:通過(guò)固定待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)(2)于二維轉(zhuǎn)臺(tái)(3)上，保證待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)光軸與平行光管(103)的光軸平行，采集單星模擬器在待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)(2)所成的星點(diǎn)像，并通過(guò)質(zhì)心法獲得該星點(diǎn)像的位置坐標(biāo)Ctltl= [x00, y00],即圖像平面中心坐標(biāo)； 2)裝置初始化:假設(shè)待測(cè)大視場(chǎng)相機(jī)(2)的視場(chǎng)角為ΘΧΧ0y，其中ΘΧ為水平視場(chǎng)角，Qy為垂直視場(chǎng)角；圖像尺寸為ΜΧΝ，焦距為f;旋轉(zhuǎn)二維轉(zhuǎn)臺(tái)，使得轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到X方向;和Y方向處，即相機(jī) 的視場(chǎng)臨界點(diǎn)； 3)獲取訓(xùn)練樣本集:分別以△0丨和△ θχ的角度增量在大視場(chǎng)相機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)二維轉(zhuǎn)臺(tái)Y方向和X方向，則可以得到二維轉(zhuǎn)臺(tái)在視場(chǎng)范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于權(quán)利要求1所述的大視場(chǎng)相機(jī)非線性畸變校正裝置的畸變校正方法，其特征在于，步驟7)中所述的輸入層和隱含層的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移函數(shù)采用tansig函數(shù)代替。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于權(quán)利要求1所述的大視場(chǎng)相機(jī)非線性畸變校正裝置的畸變校正方法，其特征在于，步驟3)中所述的
【文檔編號(hào)】G06N3/02GK104034514SQ201410259381
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】李勉洪, 鄭偉波, 張濤, 丁國(guó)鵬, 李鑫 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所