[发明专利]基于坐标变换的完整成像映射方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种完整成像映射方法，尤其涉及一种基于坐标变换的完整成像映射方法。

背景技术

目前视觉检测技术在工业的各个领域都有着广泛的应用，基于机器视觉的测量手段和方法也得到了快速的发展，但对几何尺寸的视觉测量研究主要集中在对微小结构或尺寸较小零件，其主要原因在于目前CCD器件像素级相对测量精度仅在10^-3数量级，而视觉系统一次成像的成像区域与检测分辨率之间成反比关系。对微小物体进行图像测量时，由于视场较小，可相应提高图像测量的分辨力来提高测量精度；而对于较大或细长类零件几何尺寸的综合检测，一次成像获得的完整图像中由于分辨率不高从而导致检测精度满足不了实际应用要求。

依照化整为零、再集零为整的完整成像基本思想可以解决较大尺寸零件视觉测量中视场与图像分辨率之间的矛盾，文献1【何博侠,张志胜,徐孙浩等.大尺寸机械零件的机器视觉高精度测量方法。中国机械工程,2009 20(1)】针对具有条形纹理表面的机械零件提出了基于纹理特征的序列图像校准方法，但对具有光滑表面或者表面纹理无规则的检测对象无能为力，其应用领域极其有限。

文献2【刘凌云,罗敏等.基于图像拼接的尺寸精密检测算法研究,制造技术与机床,2012,11】中将图像拼接技术应用到视觉测量中，采用已标定摄像机方式建立图像投影模型，提出了基于位姿变换的图像拼接算法实现图像之间的精确配准，并通过变位机驱动摄像机精确变换位姿获取图像序列，实验验证该算法具有较高的拼接精度。将采集的序列图像消除畸变后映射到同一基准平面是该拼接算法的关键步骤，但由于该算法中未对摄像机外部参数加以限制，所建立的图像无畸变焦平面映射的数学模型较为复杂。

文献2中所采用的图像无畸变焦平面映射的数学模型如附图一所示，其中，{C}为实际成像时摄像机坐标系，{C′}为无畸变虚拟摄像机坐标系，其Xc′、Yc′轴分别与世界坐标系{W}的对应轴同方位。则映射坐标(u′，v′)^T与实际成像坐标(u，v)^T满足以下关系：

上式中r_ij(i＝1,2,3；j＝1,2,3,4)为摄像机小孔成像数学模型中矩阵M的对应元素。由于映射关系式(1)表示的是从成像平面到投影平面的坐标位置映射，属于向前映射法，在具体实现时为获得投影平面点位灰度值所采用的灰度插值算法相当复杂，这无疑增加了计算机CPU的计算时间开销且图像的细节退化较为明显。

发明内容

本发明是为了解决现有的完整成像映射方法复杂，增加了计算机CPU的计算时间开销且图像的细节退化较为明显等问题而提出了一种能逐个像素产生输出图像，不会产生计算浪费问题且便于高精度插值算法的应用的基于坐标变换的完整成像映射方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

上述的基于坐标变换的完整成像的映射方法，其包括摄像机位姿找正，所述摄像机位姿找正是建立在摄像机借助于一个双自由度精确调整装置安装在测量平面上方，其包括以下步骤：

1)摄像机对不同位姿的靶标平面拍摄多幅图像，由靶标上每个特征点与其图像上相应的像点之间的对应点关系应用平面标定法，进行优化搜索精确获取摄像机的内部参数；

2)将靶标平放在测量平面上，以靶标平面作为XY平面设定世界坐标系{W₁}；

3)再次利用摄像机对靶标平面成像，由靶标上特征点与其像点对应关系、已标定的摄像机内参根据小孔成像公式得出世界坐标系{W₁}相对于摄像机坐标系{C}位姿描述的齐次变换矩阵对所述齐次变换矩阵进行欧拉角变换获得绕摄像机坐标系{C}固定轴x-y-z旋转的RPY角；

4)待所测得的坐标系{C}相对于其自身的Y、Z两个轴依次旋转的相应角度小于设定阈值ε时，摄像机垂直找正完成；否则适当调整双自由度精确调整装置的俯仰及偏转角，返回步骤3)重新对标靶成像测量。

所述基于坐标变换的完整成像映射方法，其中，所述映射方法还包括建立图像无畸变焦平面向后映射数学模型；

所述图像无畸变焦平面向后映射数学模型的建立是基于所述摄像机位姿来进行，即首先建立摄像机光轴垂直于测量平面时测量平面上点P{X_w,Y_w,0}^T与图像坐标(u，v)^T之间的实际成像数学模型，然后建立测量平面上同一点P在虚拟摄像机中的成像数学模型，再最终建立图像无畸变焦平面向后映射的数学模型。