數(shù)碼相機(jī)標(biāo)定過(guò)程中控制場(chǎng)的建立

楊?yuàn)檴?吳 亮 王 樂(lè)

(1.河北聯(lián)合大學(xué)遷安學(xué)院，河北 遷安 064400； 2.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100000)

數(shù)碼相機(jī)標(biāo)定過(guò)程中控制場(chǎng)的建立

楊?yuàn)檴?吳 亮2王 樂(lè)1

(1.河北聯(lián)合大學(xué)遷安學(xué)院，河北 遷安 064400； 2.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100000)

介紹了數(shù)碼相機(jī)室內(nèi)控制場(chǎng)的建立方法，對(duì)利用液晶顯示器制作二維控制場(chǎng)存在的問(wèn)題進(jìn)行了研究，并探討了像點(diǎn)坐標(biāo)的提取方法，指出該控制場(chǎng)制作簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用較低，適用于數(shù)碼相機(jī)的標(biāo)定工作。

二維控制場(chǎng)，數(shù)碼相機(jī)，相機(jī)標(biāo)定，測(cè)量

0 引言

對(duì)于相機(jī)的標(biāo)定很多參考文獻(xiàn)都是基于三維控制場(chǎng)進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。其主要優(yōu)點(diǎn)在于可以利用單張像片實(shí)現(xiàn)相機(jī)標(biāo)定、算法穩(wěn)定快速、不需要初值信息等。主要的缺點(diǎn)是制作困難、成本高、占地大、不易圍護(hù)，不利于普通用戶廣泛建設(shè)和使用。相對(duì)于三維控制場(chǎng)，二維控制場(chǎng)的標(biāo)定算法流程復(fù)雜，但是其占地少、成本低，易于普通用戶的廣泛使用和建設(shè)。

1 二維控制場(chǎng)的建立

二維控制場(chǎng)有著很高的便利性，所以近年來(lái)的相關(guān)研究主要集中在二維控制場(chǎng)的基礎(chǔ)上。所謂的二維控制網(wǎng)一般是指建立在高平整度平面上的平面控制格網(wǎng)?；谄矫娓窬W(wǎng)的標(biāo)定方法最早是由張正友在1998年提出。2002年張永軍采用工業(yè)制造手段和坐標(biāo)量測(cè)儀量測(cè)建立了高精度的平面標(biāo)定格網(wǎng)。2004年馮文灝利用繪圖桌在聚酯薄膜和裱板玻璃上制作了二維控制場(chǎng)。但是其又在之后的文獻(xiàn)中指出這種方法沒(méi)有顧忌聚酯薄膜粘貼時(shí)的不平度和裱板玻璃本身的不平度，不能視為真正意義上的二維平面控制場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上他又提出了準(zhǔn)二維控制場(chǎng)的建立方法，首先測(cè)量二維控制場(chǎng)中控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，建立準(zhǔn)二維控制場(chǎng)，然后利用相機(jī)和控制點(diǎn)的相對(duì)位置將準(zhǔn)二維控制場(chǎng)變換至真二維控制場(chǎng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于比較嚴(yán)密的解決了平面的不平度問(wèn)題，并且使得建立大面積高精度二維控制場(chǎng)成為可能。但是這種方法需要利用高精度全站儀測(cè)量大量點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，和三維控制場(chǎng)的建立一樣，這就大大地增加了控制場(chǎng)制作的復(fù)雜程度。

上面介紹的二維控制場(chǎng)都是建立在特有物體之上的，可移植性較差。2006年詹總謙首先提出了在液晶顯示器上建立二維控制場(chǎng)的方法，其利用相應(yīng)的程序可以在任意液晶顯示器上建立高精度的控制場(chǎng)。并且擁有小巧、幾何變形趨近完美、無(wú)閃爍、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)主要集中在色彩表現(xiàn)差、可視角度小、對(duì)比度差等方面。在文獻(xiàn)中詹總謙又提出了液晶顯示器不平性對(duì)于標(biāo)定結(jié)果的影響，利用控制點(diǎn)殘差建立回歸分析函數(shù)對(duì)LCD不平性進(jìn)行修正，從而提高了標(biāo)定精度?？梢?jiàn)雖然LCD的平整度已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)級(jí)水平，但是仍然不能忽略。

經(jīng)過(guò)搜集相關(guān)資料和實(shí)驗(yàn)本文認(rèn)為利用LCD制作控制場(chǎng)還存在其他問(wèn)題：

1)LCD的顯示以像素為單位，每個(gè)像素的大小約為0.3 mm，即使使用亞像素的定位手段，其最終的像點(diǎn)坐標(biāo)提取精度有待進(jìn)一步研究；

2)幾何精度沒(méi)有直接測(cè)量數(shù)據(jù)，目前的文獻(xiàn)中以LCD是接近完美的幾何體為前提，在此基礎(chǔ)上利用殘差推算其不平性，但是沒(méi)有直接的測(cè)量數(shù)據(jù)支持；

3)目前生產(chǎn)較大尺寸的LCD依然比較困難且價(jià)格較高，并且對(duì)于大尺寸的LCD顯示器，其平整度很難得到保證。如果使用較小尺寸的顯示器，必須拍攝較多的圖像，增大標(biāo)定算法的復(fù)雜性；

4)液晶顯示器液晶表面覆蓋有0.6 mm～0.7 mm的鋼化玻璃和多層偏光片，當(dāng)光線經(jīng)過(guò)時(shí)其折射現(xiàn)象導(dǎo)致的坐標(biāo)位移，還沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的研究。

所以本文認(rèn)為利用LCD進(jìn)行控制場(chǎng)的制作還是存在一些問(wèn)題的，在之后的實(shí)驗(yàn)中將利用較大尺寸的鋼化玻璃作為基板制作控制場(chǎng)。

2 控制場(chǎng)制作

實(shí)驗(yàn)中的二維控制場(chǎng)使用鋼化玻璃為基板，貼覆打印網(wǎng)格的方法制作。由于單反相機(jī)的傳感器的長(zhǎng)寬比為3∶2，所以采用的8 mm厚鋼化玻 璃尺寸定制為近似比例的120 cm×90 cm。作為二維控制場(chǎng)其平整度有較高的要求，所以利用游標(biāo)卡尺對(duì)玻璃基板的邊緣厚度進(jìn)行量測(cè)，以確定其厚度的不均勻性。所得部分?jǐn)?shù)據(jù)為7.74 mm,7.76 mm,7.86 mm,7.80 mm,7.78 mm。

共測(cè)得20個(gè)厚度數(shù)據(jù)，其中最大值為7.88 mm，最小值為7.72 mm，平均值為7.793 mm，中誤差為0.051 488 mm?？梢?jiàn)該基板的厚度均勻，不存在厚度不均引起的平整度變化。

除了厚度不均外，玻璃基板還可能由于外界應(yīng)力的影響產(chǎn)生變形。為了測(cè)定其系統(tǒng)性整體的變形情況，將基板水平放置，兩邊用物體墊高，在其自身重力的作用下中間部分會(huì)向下發(fā)生彎曲。為了測(cè)量其彎曲的大小，將一根細(xì)線放置在基板上，并在兩端綁上重物將線拉直。用游標(biāo)卡尺測(cè)量細(xì)線和基板之間的最大空隙，如圖1所示。

在測(cè)量中測(cè)得的最大空隙值約為0.68 mm，可見(jiàn)在外界受力不均勻的條件下，基板的變形是較大的，所以在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該使基板的受力均勻，盡量減少變形的發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)的初期計(jì)劃使用普通繪圖儀打印的紙張進(jìn)行制作，但是通過(guò)多次嘗試發(fā)現(xiàn)打印紙張存在易變形、不耐水等缺點(diǎn)。很難保證其自身的精度和貼覆在基板上的平整度。為此，實(shí)驗(yàn)放棄了使用普通打印紙張的想法。最終選擇使用寫真機(jī)制作平面格網(wǎng)。寫真機(jī)是用噴頭在專用材料上噴出各種彩色圖案，其實(shí)它就是一種大幅面的打印機(jī)。一般用在廣告、圖文、CAD行業(yè)上。其輸出畫幅可以達(dá)到1.52 m，精度超過(guò)720 DPI(每英寸720點(diǎn))。輸出介質(zhì)為相紙背膠PP合成紙，表面圖畫噴成后，再附加一種啞光性或亮光性塑料膜。相對(duì)于普通紙張，寫真機(jī)制作的格網(wǎng)具有不易褶皺變形、防水和不掉色等優(yōu)點(diǎn)，更易于平整的粘貼到玻璃基板上，很好的達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)計(jì)要求，如圖2所示。

3 像點(diǎn)坐標(biāo)提取

實(shí)驗(yàn)中使用了網(wǎng)格交叉點(diǎn)作為控制點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)了以下方法進(jìn)行其像點(diǎn)坐標(biāo)的提取。

1)將圖像導(dǎo)入到CASS中進(jìn)行配準(zhǔn)；

2)將其局部放大，在直線成像的中間部分手工的繪制兩條短直線；

3)在兩條直線的交點(diǎn)處插入控制點(diǎn)，如圖3所示；

4)以此類推，在所有的十字交叉點(diǎn)上插入控制點(diǎn)，然后將控制點(diǎn)文件導(dǎo)出。

按照以上方法，對(duì)獲取標(biāo)定圖像分別進(jìn)行處理，這樣我們就得到了所有圖像上的控制點(diǎn)坐標(biāo)。

為了研究量測(cè)的精度和穩(wěn)定性，利用一個(gè)控制點(diǎn)圖像進(jìn)行了多次量測(cè)。按照多次量測(cè)中的差異來(lái)衡量這種亞像素定位方式的精度水平。所得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 像點(diǎn)坐標(biāo)多次量測(cè)對(duì)比

通過(guò)表1可以看出，利用該方法所提取的像點(diǎn)坐標(biāo)精度較高且穩(wěn)定。x方向的坐標(biāo)中誤差為0.08像素，y方向的坐標(biāo)中誤差為0.047像素。所得到的結(jié)果說(shuō)明精度滿足亞像素提取的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在本文中著重的介紹了二維控制場(chǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出了利用液晶顯示器制作二維控制場(chǎng)存在的問(wèn)題；然后，詳細(xì)的敘述了實(shí)驗(yàn)所用二維試驗(yàn)場(chǎng)的制作方式，并對(duì)其玻璃基板的不平性和整體應(yīng)力變形進(jìn)行分析，指出其所存在的誤差是可以接受的，提出利用寫真機(jī)代替普通打印機(jī)，制作不易變形利于粘覆的標(biāo)定格網(wǎng)；最后利用直線十字求交點(diǎn)的方法獲取了亞像素級(jí)別的像點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)驗(yàn)證具有很高的精度水平。

[1] 邱茂林，馬頌德，李 毅.計(jì)算機(jī)視覺(jué)中攝像機(jī)標(biāo)定綜述[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000，26(11)：43-55.

[2] 殷福忠，劉紅軍.基于DLT方法的非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)檢校研究[J].地理信息世界，2009(1)：84-87.

[3] 馮文灝，李 欣，胡震天.準(zhǔn)二維控制場(chǎng)的建立及其應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2005，30(2)：101-104.

The control field establishment in digital camera calibration process

Yang Shanshan1Wu Liang2Wang Le1

(1.Qian’anCollege,HebeiUnitedUniversity,Qian’an064400,China;2.BeijingOrientalEmergingPetrochemicalEngineeringLimitedCompanybyShare,Beijing100000,China)

This paper introduced the establishment method of digital camera indoor control field, researched the existed problems using liquid crystal display device production of two dimensional control field, and discussed the extract method of image point coordinates, pointed out the control field had the advantages of simple manufacture, low production cost, suitable for calibration work in digital cameras.

2D control field, digital camera, camera calibration, measurement

2015-01-09

楊?yuàn)檴?1988- )，女，碩士，助教； 吳 亮(1987- )，男，助理工程師； 王 樂(lè)(1988- )，女，碩士，助教

1009-6825(2015)08-0226-02

TB852

A