何海-开题报告

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1、西北工业大学机电学院西北工业大学机电学院2014 届本科毕业设计（论文）开题报告届本科毕业设计（论文）开题报告专业：专业： 车辆工程 班级：班级：05031001姓名何海学号2009301429指导教师王侃伟报 告 题 目工业检测技术相机标定及自动调焦系统题目来源（划）科研生产实验室专题研究企业联合其 他论文类型（划）工程设计类实验研究类软件开发类其 他 报 告 日 期 年 月 日 报告地点本科生开题报告（不少于 1000 字）一一综述综述随着现代工业的快速发展，传统的检测工具检测方法已经越来越不能满足 测量要求，精密测量技术亟待发展。视觉测量作为一种新的测量思路，能够适应 多种恶劣的测量环境

2、对空间点的精确定位也能保证足够的测量精度，它的高速发 展满足了现代工业生产检测在测量精度测量范围等方面提出了新的要求，在工 业生产检测及国防航空等领域有着广泛且重要的应用。传统的测量方式主要有两种：一是采用手工测量。但这种方法十分耗时，也 容易因测量人员的主观因素产生较大的测量误差；二是采用超声、激光等主动测 量装置。这些装置虽然能够达到很高的精度，但是对于一些仅出现在照片、影像 中的非实体的测量无能为力，并且这些装置在测量过程中容易受到一些意外反射 和交叉干扰的影响而降低测量精度。相比传统测量方法，基于计算机视觉的图像 测量技术具有很多优点：（1）所需要的硬件设备简单，成本低廉；（2）测量过

3、 程方便，自由度高：（3）所获取的数字化信息可以重复使用，无需重复进行实地 测量。基于计算机视觉的测量方法主要有两类。其中最为典型的是通过同一场景 的两幅或多幅图像利用立体视觉的方法重建出被测场景的三维结构，从而测量出 三维空间中任何两点之间的距离。这种方法的测量精度取决于摄像机的标定精度 和图像匹配点的定位精度，而摄像机的精确标定和图像匹配点的精确定位都是计 算机视觉领域的经典难题，有时很小的参数误差都会对最后测量的结果产生很大 的影响。第二类是近年发展起来的基于单幅图像的测量方法，这种方法与基于立 体视觉的方法相比，其主要优点在于避免了视觉领域的图像匹配问题，而且不需 要知道摄像机的内外参

4、数，使整个测量过程更方便。这种方法尤其适用于本身带 有大量约束信息的结构化场景的测量。中国加工制造业的发展和技术的提高以及对质量要求的不断提升，中国机器 视觉市场也由初期的低端慢慢的在走向高端，未来需要更加智能、更快速和更高 分辨率的工业相机来适应行业发展的需要，当然能符合测试要求、高性价比、质 量稳定、便于开发、良好的技术支持和售后的工业相机现在更适合中国市场。目 前，国内生产的工业相机的都基本是比较低端、低成本的相机，最主要的原因的 缺乏核心技术。 中国机器视觉行业似乎刚刚度过概念导入期，慢慢开始进入不断发展的成长期。国内的技术人员正潜心研究，目的是攻破工业相机的核心技术，如定标、高速率

5、时传感器的散热、前端高速 AD 的选择、大数据量的数据处理和高速传输接口等 等问题。 现在我们要研究的是怎么样运用一种比较好的定标方法来满足工业检测技术用的 相机。在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间物体表面某点的三维几何 位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些 几何模型参数就是相机参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能 得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定（或摄像机标定） 。摄像机住往往在 图像的获墩、图像的传导和图像的导出历程中，因为一些不确定的因素容易导致 图像的质量不好，还有可能导致图像变形，从而不能满足我们所给定约束条件下 的导

6、出标。所以，比较有针对性的对所获得图像中的畸变进行恢复和修正是相当 有必要的，它事进行摄像机定标的前提条件。我们利用摄像机获取的图像，可以 通过一定的设备把模拟的信息处理为数字的信息，然后通过对图像的分析，指出 被观察的点在图像平面的正确坐标，最后利用摄像机定标的结论求解出被观察的 点位于物体坐标系中的位置，通过这种方法我们能够完成对图像中存在的畸变 进行修正的目标。综上所述，摄像机的定标已经成为一项越来越重要的工作，在 计算机视觉领域中也扮演着非常重要的角色。无论是在图像测量或者机器视觉应 用中，相机参数的标定都是非常关键的环节。其标定结果的精度及算法的稳定性 直接影响相机工作产生结果的准确

7、性。在相机标定的过程中，还涉及到了计算机 图形学（计算机视觉） ，也就是对输入的原始图像进行处理，抽取图像中诸如点、 边缘、纹理、线条和边界等基本几何元素或特征，这些特征的集合称为基元图或 要素图；这一过程需要运用了大量的图像处理技术和算法，如图像滤波、图像增 强、边缘检侧等，以便从图像中抽取诸如角点、边缘、线条、边界以及色彩等关 于场景的基本特征，这一过程还包括了图像变换、图像校正、图像纹理检测和图 像运动检测等。相机标定法就是建立在计算机图形学和三维图形绘制基础上的。国内外相机定标算法的的现状如下：整体来说，可以吧目前摄相机的标定方 法划分为两大类：第一大类是摄像机的传统标定技术，第二大类

8、是摄像机的自标 定技术。在第一种方法中，我们常用的是直接线性变换法和透视变换矩阵法。国 外的 Dainis 和 Juberb 讲述了怎么样通过直接线性法进行摄像机定标。而 Ganapathy 提出了一种通过透视变换矩阵法来进行摄像机定标，而且在对未知参数 的计算方面也做了比较细致的阐述。虽然这些算法，在太多数情况下应用起来还 是可以被我们接受的，可是如果想要获得比较高的精确值，我们还应该涉及到一 些图像畸变的因素，因此我们可以通过非线性模型进行定标，并通过这种方法来 提高定标的精确度。Faig 总结出一种涉及了全部畸变因素的非线性的最优化汁算 方法。Tsai 也提出了一种方法，这种方法我们只需

9、要思考它的径向畸变因素，然 后通过两步法来进行摄像机定标。这种方法首先通过第一种方法求解出摄像机的 定标参数，然后通过我们所求解得到的参数当作初始给定值，思考到径向畸变的 条件，最后通过最优化算法来达到我们的目的。同时 Tsa 同样提出了思考到径向 畸变因素和切向畸变因素的摄像机定标方法，这种方方的提出对它的方法的完善 起到了很大的推动作用。现阶段，一种新的摄像机定标方法被大家所熟知，他往往不需要通过几何元 素已知的物体就可以进行相机的定标，我们把这种方法叫做摄像机的自标定。 Faugeras 等研究者通过射影几何的相关知识，提供了在任意两张图像之间拥有两个和 Kruppa 方程差不多的先知条

10、件。Kruppa 方程思想是把外极线的相关转换和绝 对二次曲线所形成的平面图像相互关联在一起，它只是由摄像机的内参数所决定 而与摄像机的外参数没有关系，所以我们能够利用它的这一性质来获得摄像机的 内参数。但是由于计算 Kruppa 方程存在一定的难度，大家总结出一种分层次，分 步骤进行摄像机定标的思想，它需要第一步进行射影重建，然后在第一步完成的 前提下，在进行舍相机定标。他主要方法有以下几种：Hartley 的 QR 分解法， Triggs 的绝对二次曲面法和 Pollefeys 的模约束法。而国内的张正友提出了一种新 的摄像机定标方法，它主要是基于平面模板的摄像机定标算法，这种方法是摄像

11、机自标定和传统摄像机定标之间的一个算法，这种定标算法是通过圆环点来提供 摄像机内部参数的限制条件，通过求解线性方程的方法来计算出摄像机的内部参 数，然后在考虑到镜头畸变，最后使用最大似然法进行求精，经过大量的实践证 明，这种方法还是具有非常高的精度和比较强的鲁棒性的。他主要通过个画有精 准点阵序列的二维平面模板。可是这样我们就肯定得考虑模扳和模板之间的如何 进行配对的问题。而后，孟晓桥和胡占义等提出了一种利用直线和圆的平面模板 来进行摄像机定标的算法，虽然这类模板并不存在匹配的问题，但是它对畸变参 数的求解还是存在一定的困难。相机标定使用的方法是数学解析的方法，在标定的过程中利用数学的方法对

12、图形中获取的数据进行处理。相机标定技术有两大方面，即相机模型和相机标定，两者互为关联相机模型 决定要采用的标定方法。相机标定的主要内容为：建立成像模型和求解相机参数。 相机的成像模型包括线性模型和非线性模型，线性成像模型是根据小孔成像原理， 建立像点和对应物体表面空间点的几位置关系，描述的是理想情况，即像点投 影中心和空间点三者是共线关系。实际中像点位置会偏移理想像点位置，造成像 点投影中心和相应空间点的共线关系受到破坏，所以需要建立非线性模型。一个 完整的成像模型应当包括线性模型和非线性模型。相机标定方法有：传统相机标定法、主动视觉相机标定方法、相机自标定法。 （1）传统相机标定法需要使用尺

13、寸已知的标定物，通过建立标定物上坐标已知的 点与其图像点之间的对应，利用一定的算法获得相机模型的内外参数。根据标定 物的不同可分为三维标定物和平面型标定物。三维标定物可由单幅图像进行标定， 标定精度较高，但高精密三维标定物的加工和维护较困难。平面型标定物比三维 标定物制作简单，精度易保证，但标定时必须采用两幅或两幅以上的图像。传统 相机标定法在标定过程中始终需要标定物，且标定物的制作精度会影响标定结果。 同时有些场合不适合放置标定物也限制了传统相机标定法的应用。传统标定方法 中有一种是 Tsai 两步标定法，它是根据相机的径向畸变模型利用径向排列约束条 件提出一种两阶段标定方法：首先根据径向排

14、列约束求解出大部分模型参数，然 后通过非线性搜索方法求解畸变系数有效焦距等参数。完整的标定步骤包括制 定定标板和获取标定图像序列特征点提取直接线性定标非线性优化和校正。 （2）自标定法：该方法不需要借助于任何外在的的特殊标定物，仅仅利用了图像 对应点的信息，直接通过图像来完成标定任务。这种定标思想给相机自标定方法 提供了很大的灵活性，也是计算机视觉技术面向范围更广阔。在许多应用中，由 于要经常改变相机的参数，因此需要经常给相机进行定标，而传统的相机定标方 法在此便不再适用。 （3）主动视觉相机标定方法就是根据自主的获取图像数据线 性的求解相机模型参数。这种方法的主要优点是在标定过程中已知了相机

15、的运动 信息，所以相机的模型参数可以线性求解。对于自动对焦，国外对该领域的研究相对于国内起步比较早。例如，1970 年 美国斯坦福大学 J.M.Tenenbaum 开展了计算机视觉系统的自动对焦，起根据图像 的特征提取离焦信号，通过调制梯度作为自动对焦的评价函数，实现了比较好的 对焦效果。1983 年，英国瑞丁大学物理系 Grembeby.J.B 提出了调制传递函数作为 离焦判据，这一判据已经被光学界所接受，成为评价图像品质的一种很好的标准。 随着自动对焦技术理论研究的不断完善和 CCD 技术的迅速发展，目前则更关注面 向高精度的直接对焦系统在实际系统中的应用，利用 CCD 用于工业图像检测也

16、越 来越广泛。而国内目前很多高校、科研院所及企业单位致力于研究开发对焦系统， 虽然自动对焦系统研究起步比国外晚，但也取得了巨大成果。例如 1985 年，上海 光学仪器研究所采用光学的自准直方法研制完成集成电路光刻机自动对焦装置。 1992 年，哈尔滨工业大学光学仪器教研室研制完成图像检测式频带切割差动比较 CCd 自动对焦系统，使我国在图像检测自动对焦领域的研究跟国外 80 年代的研究 水平相当。自动调焦系指由照相机根据被摄体距离的远近，自动地调节镜头的对焦距离。 根据所基于的原理，可以分成测距法和像检测法(又称调焦检测法)两大类。主动式 红外系统属于测距法中的一种。这种系统的工作程序，是从照相机发光元件发射 出一束红外线光，照射到被摄物主体后反射回照相机，感应器接收到回波。照相 机根据发光光束与反射光束所形成的角度来测知拍摄距离，实现自动对焦。 采用 这种方式的相机，因为是由自身发出照射光，所以其对焦精度与被摄物的亮度和 反差无关，即使是室内等较暗