1、第三章第三章 图像测量系统图像测量系统 照明照明图像采集图像采集图像处理图像处理结果输出结果输出图像存储 图像表示焦距，焦距，光圈，光圈，放大率，放大率，姿态等姿态等输入参数输入参数控制控制A/DA/D变换变换强度强度,构造等构造等图图 像像 处处 理理照明控制照明控制u 采样孔：使数字化器能够单独观测特定的图采样孔：使数字化器能够单独观测特定的图像元素而不受图像其它部分的影响。像元素而不受图像其它部分的影响。u 图像扫描机构：使采样孔按照选定的方式在图像扫描机构：使采样孔按照选定的方式在图像上移动，从而按照一定的顺序对图像的图像上移动，从而按照一定的顺序对图像的像素进行观测。像素进行观测。u
2、 光传感器：将被观测像素处的光强转换为电光传感器：将被观测像素处的光强转换为电压或电流信号，完成光电转换功能。压或电流信号，完成光电转换功能。u 量化器：将传感器输出的连续电量转化为整量化器：将传感器输出的连续电量转化为整数值。数值。u 图像帧存储器：将量化器产生的灰度值按照图像帧存储器：将量化器产生的灰度值按照一定的格式存储起来，以用于后续的处理。一定的格式存储起来，以用于后续的处理。n 像素大小像素大小n 图像大小图像大小n 被测的局部特征被测的局部特征n 线性度线性度n 噪声噪声 像素的物理尺寸像素的物理尺寸 相邻像素的间距相邻像素的间距 允许输入的范围允许输入的范围 输出的像素数输出的
3、像素数 物理参数物理参数 反射率反射率 透射率透射率 图像灰度和辐射照度图像灰度和辐射照度 读出噪声读出噪声 光子噪声光子噪声n 并入串出并入串出n 并入并出并入并出n 串入串出串入串出n 串入并出串入并出n 光源光源白炽灯白炽灯激光器激光器荧光物质荧光物质发光二极管发光二极管n 光传感器光传感器光传感器的工作基础是光电效应光传感器的工作基础是光电效应光电效应光电效应 一些金属、金属氧化物、半导体一些金属、金属氧化物、半导体材料在光的照射下释放电子的现象。材料在光的照射下释放电子的现象。外光电效应外光电效应（光电发射效应）：物体在光的作用（光电发射效应）：物体在光的作用下，其中的电子从物体表面
4、逸出的现象。下，其中的电子从物体表面逸出的现象。内光电效应内光电效应：当物体在光的作用下所释放的电子当物体在光的作用下所释放的电子不逸出物体表面，而只是在物体的内部运动并使不逸出物体表面，而只是在物体的内部运动并使其电特性发生变化的现象。其电特性发生变化的现象。光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应n 光传感器光传感器光电导效应：光电导效应：当半导体材料受到光照时，当半导体材料受到光照时，如果入射光子的能量大于其禁止带宽，如果入射光子的能量大于其禁止带宽，则半导体内载流子数目增多，这将导致则半导体内载流子数目增多，这将导致半导体电导率的改变，从而使半导体的半导体电导率的改变，从而使半导
5、体的电阻减小。电阻减小。光生伏特效应：光生伏特效应：当半导体的当半导体的PNPN结受到光结受到光照时，如果入射光子的能量大于其禁止照时，如果入射光子的能量大于其禁止带宽，则在带宽，则在PNPN结两侧会产生光生电动势结两侧会产生光生电动势。n 光传感器光传感器光电管光电管光电倍增管光电倍增管当入射光照射到阴极上时，阴当入射光照射到阴极上时，阴极会发射出电子，由于阳极的极会发射出电子，由于阳极的电位比阴极高，阳极便会收集电位比阴极高，阳极便会收集阴极发射出来的电子，并在光阴极发射出来的电子，并在光电管回路中形成电流，该电流电管回路中形成电流，该电流在负载电阻上产生输出电压。在负载电阻上产生输出电压
6、。在入射的频谱成分和光电管电在入射的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压与压不变的条件下，输出电压与入射光通量成正比。入射光通量成正比。当电子或光子以足够大的速度轰击金当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面时，会使金属表面的电子逸出属表面时，会使金属表面的电子逸出金属表面。这种逸出金属表面的电子金属表面。这种逸出金属表面的电子叫做次生电子。叫做次生电子。光电倍增管的光电转换过程：当入射光电倍增管的光电转换过程：当入射光的光子打在光电阴极上时，光电阴光的光子打在光电阴极上时，光电阴极发射出电子，该电子流又会打在比极发射出电子，该电子流又会打在比光电阴极电位高的第一倍增极上，产光电阴极电位高
7、的第一倍增极上，产生新的次生电子生新的次生电子上述过程不断进上述过程不断进行，直到最后一级的倍增极产生的次行，直到最后一级的倍增极产生的次生电子被具有更高电位的阳极收集，生电子被具有更高电位的阳极收集，并在外部回路中形成电流为止。并在外部回路中形成电流为止。外部回路中流过的电流与光电阴极外部回路中流过的电流与光电阴极上入射的光通量成正比。上入射的光通量成正比。次生电子倍增极次生电子倍增极光敏二极管光敏二极管无光照射时，反向饱和漏电流小；无光照射时，反向饱和漏电流小；有光照射时，反向饱和漏电流大有光照射时，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流。该光电流大增加，形成光电流。该光电流随入射光强度的变化
8、而相应变化随入射光强度的变化而相应变化。硅传感器硅传感器光光P P型硅衬底型硅衬底金属电极金属电极二氧化硅二氧化硅沟阻沟阻势阱势阱信号电荷信号电荷n 光传感器：硅传感器光传感器：硅传感器n 扫描机制：机械扫描扫描机制：机械扫描n 扫描机制：电子束扫描扫描机制：电子束扫描n 电视摄像机电视摄像机 电视摄像机是一种被广泛使用的图像输入电视摄像机是一种被广泛使用的图像输入设备。它能将景物的光学图像转换成全电视信设备。它能将景物的光学图像转换成全电视信号。根据所使用的光谱波段的不同可有不同种号。根据所使用的光谱波段的不同可有不同种类的摄像机。类的摄像机。在可见光范围内，主要有在可见光范围内，主要有:l
9、 黑白摄像机黑白摄像机l 彩色摄像机彩色摄像机n 电视摄像机电视摄像机 电视摄像机的关键部件是电视摄像管。所电视摄像机的关键部件是电视摄像管。所谓的电视摄像管是一种能将景物的光学图像转谓的电视摄像管是一种能将景物的光学图像转换成电视图像信号的器件。该器件对整个摄像换成电视图像信号的器件。该器件对整个摄像机系统的性能起着确定性的作用。它能将器件机系统的性能起着确定性的作用。它能将器件成像面上的空间景物的二维图像转变成时间轴成像面上的空间景物的二维图像转变成时间轴上的一维图像信号。上的一维图像信号。l 光电转换功能光电转换功能l 空时转换功能空时转换功能n 黑白电视摄像机黑白电视摄像机光电像管光电
10、像管析像管析像管超光电管超光电管超正析像管超正析像管光电导管光电导管硅靶管硅靶管 硫化锑摄像管（硫化锑摄像管（VidiconVidicon）氧化铅摄像管（氧化铅摄像管（PlumbiconPlumbicon）硒靶管（硒靶管（SaticonSaticon）硒化镉摄像管（硒化镉摄像管（ChanniconChannicon）新视像管（新视像管（NewviconNewvicon）黑白电视摄像黑白电视摄像管管n 光电导摄像管光电导摄像管工作原理工作原理 靶聚焦线圈偏转线圈校正线圈镜头网电极阴极控制极加速极A1聚焦极A2聚焦极A3RL来自被摄景物的光线经摄像机的来自被摄景物的光线经摄像机的光学系统在光电靶表
11、面成像。靶光学系统在光电靶表面成像。靶面不同位置处的点，由于所受到面不同位置处的点，由于所受到的照度不同将激励出数目不等的的照度不同将激励出数目不等的光电子，从而产生数值不等的光光电子，从而产生数值不等的光电导效应，引起高低不同的电位电导效应，引起高低不同的电位起伏，最终形成与输入光学图像起伏，最终形成与输入光学图像相对应的电位图像。相对应的电位图像。n 光电导摄像管光电导摄像管工作原理工作原理 靶聚焦线圈偏转线圈校正线圈镜头网电极阴极控制极加速极A1聚焦极A2聚焦极A3RL为了将电位图像转变成相应的时间信号，通常采用电子扫描的方法。为了将电位图像转变成相应的时间信号，通常采用电子扫描的方法。
12、如图所示，电子枪的作用是产生一条极细的电子束。由阴极所发出的如图所示，电子枪的作用是产生一条极细的电子束。由阴极所发出的电子束在加速电极电子束在加速电极A1A1和聚焦电极和聚焦电极A2A2、A3A3的作用下，将的作用下，将以均匀的速度以均匀的速度准确地落到靶面上准确地落到靶面上。图中的校正线圈的作用是把出射的电子束的方向。图中的校正线圈的作用是把出射的电子束的方向校正到和管轴的方向保持准确一致以校正到和管轴的方向保持准确一致以提高管子的空间分辨率提高管子的空间分辨率，而偏转，而偏转线圈则被用来控制电子束在空间的运动以线圈则被用来控制电子束在空间的运动以实现电子束对靶面的扫描。实现电子束对靶面的
13、扫描。n 光电导摄像管的等效电路光电导摄像管的等效电路a2an+ERL信号输出Ka3a1R根据设计要求，整个根据设计要求，整个扫描将按从左到右、扫描将按从左到右、自上而下的顺序进行自上而下的顺序进行以完成相应的空时转以完成相应的空时转换功能。换功能。电子束的作用如同一电子束的作用如同一个电子开关。随着电个电子开关。随着电子束连续地扫过整个子束连续地扫过整个靶面，在每一个瞬时，靶面，在每一个瞬时，光电导层上被电子束光电导层上被电子束所 击 中 的 微 小 单 元所 击 中 的 微 小 单 元（即像素单元）将和（即像素单元）将和负载电阻一起组成一负载电阻一起组成一个电子回路。个电子回路。n 光电导
14、摄像管光电导摄像管结论：结论：来自被摄景物的光线落到靶面上，来自被摄景物的光线落到靶面上，照度越高，光电导材料激励出的光电子越照度越高，光电导材料激励出的光电子越多，导电率越高，多，导电率越高，R R值越小，流过负载的电值越小，流过负载的电流越大；而照度越低，则光电导材料激励流越大；而照度越低，则光电导材料激励出的光电子越少，导电率越低，出的光电子越少，导电率越低，R R值越大，值越大，流过负载的电流越小。因此，通过记录扫流过负载的电流越小。因此，通过记录扫描过程中加在负载电阻上的电位（或者等描过程中加在负载电阻上的电位（或者等价地，流过负载电阻的电流）就可以得到价地，流过负载电阻的电流）就可
15、以得到关于输入光学图像的明暗变化的信息。关于输入光学图像的明暗变化的信息。n 电视扫描方式电视扫描方式l逐行扫描（逐行扫描（Progressive ScanningProgressive Scanning）对一幅完整图像的扫描在每一个规定的时间间隔对一幅完整图像的扫描在每一个规定的时间间隔内一次完成。这样得到的一幅完整图像称为帧内一次完成。这样得到的一幅完整图像称为帧（FrameFrame）。）。l隔行扫描（隔行扫描（Interlaced ScanningInterlaced Scanning）对一幅完整图像（即一帧）的扫描则被分成两次对一幅完整图像（即一帧）的扫描则被分成两次进行。其中的一次
16、扫描只针对图像中的奇数行进进行。其中的一次扫描只针对图像中的奇数行进行，而另一次扫描则只针对图像中的偶数行进行。行，而另一次扫描则只针对图像中的偶数行进行。由一幅图像中所有的奇数行和偶数行所形成的子由一幅图像中所有的奇数行和偶数行所形成的子图像分别被称为该图像的奇数场和偶数场。图像分别被称为该图像的奇数场和偶数场。n 电视信号简介电视信号简介扫描规程简介扫描规程简介 EIA RS170EIA RS170扫描规程（黑白电视时序标准，美国）扫描规程（黑白电视时序标准，美国）其它扫描规程（彩色电视时序标准）：其它扫描规程（彩色电视时序标准）：（1 1）PAL(Phase Alternation Li
17、ne)PAL(Phase Alternation Line)隔行扫描，隔行扫描，2525帧帧/每秒，每秒，625625行行/每帧。每帧。（2 2）NTSCNTSC（National Television Systems Committee)National Television Systems Committee)RS170 A RS170 A 隔行扫描，隔行扫描，3030帧帧/每秒，每秒，525525行行/每帧。每帧。n 全电视信号全电视信号A AB BC CD D水平扫描水平扫描从左到右的扫描从左到右的扫描垂直扫描垂直扫描自上而下的扫描自上而下的扫描扫描线扫描线用实线表示用实线表示回扫线回
18、扫线用虚线表示用虚线表示奇数行奇数行水平扫描中对应奇数水平扫描中对应奇数场的扫描线，蓝绿色实线表示场的扫描线，蓝绿色实线表示偶数行偶数行水平扫描中对应偶数水平扫描中对应偶数场的扫描线，黄色实线表示。场的扫描线，黄色实线表示。水平消隐线水平消隐线用细虚线表示。用细虚线表示。垂直消隐线垂直消隐线用粗虚线表示。用粗虚线表示。n 全电视信号全电视信号偶 数 场奇 数 场625234562462362212324前 均 衡 脉 冲场 消 隐 脉 冲(a)场 同 步 脉 冲后 均 衡 脉 冲奇 数 场偶 数 场后 均 衡 脉 冲310312311314315316317318336场 消 隐 脉 冲前 均
19、 衡 脉 冲场 同 步 脉 冲313(b)(b)(b)偶数场信号偶数场信号 图像传感器图像传感器(a)(a)奇数场信号奇数场信号n 彩色电视摄像机彩色电视摄像机色彩的三色理论（色彩的三色理论（tri-stimulus theorytri-stimulus theory）几乎所有的色彩都可以用三种基色：几乎所有的色彩都可以用三种基色：红（红（RedRed）、绿（）、绿（GreenGreen）和蓝（）和蓝（BlueBlue）进行混合来再现。进行混合来再现。n 彩色电视摄像机彩色电视摄像机三管式彩色电视摄像机工作原理三管式彩色电视摄像机工作原理三管式彩色电视摄像机采用分色棱镜将入三管式彩色电视摄像机
20、采用分色棱镜将入射光分解成红、绿、蓝三基色光，并使之分别射光分解成红、绿、蓝三基色光，并使之分别在摄像管在摄像管R R、G G、B B的靶面上成像。然后，经光电的靶面上成像。然后，经光电转换将在各自的靶面上形成的光学图像转换成转换将在各自的靶面上形成的光学图像转换成与之对应的电荷图像。这些电荷图像在聚焦和与之对应的电荷图像。这些电荷图像在聚焦和偏转系统的作用下被转换成按照一定的电视扫偏转系统的作用下被转换成按照一定的电视扫描标准的随时间变化的三基色图像信号。描标准的随时间变化的三基色图像信号。（1）（2）RGBFgFrFb(A)(B)(C)入射光去摄像管R 去摄像管B 去摄像管G n 彩色电视
21、摄像机彩色电视摄像机Mr分色棱镜由分色棱镜由(A)(A)、(B)(B)、(C)(C)三部分组成。其中，三部分组成。其中，M Mr r和和M Mb b面上分别蒸镀有不同厚面上分别蒸镀有不同厚度的干涉薄膜。各薄膜的度的干涉薄膜。各薄膜的厚度恰到好处，使得：当厚度恰到好处，使得：当入射光投射到入射光投射到M Mr r面上时能面上时能将红光分量反射回来，而将红光分量反射回来，而让其它的光通过；而当入让其它的光通过；而当入射光投射到射光投射到M Mb b面上时能将面上时能将蓝光分量反射回来，而让蓝光分量反射回来，而让其它的光通过。其它的光通过。分色棱镜的工作原理分色棱镜的工作原理Mbn 彩色电视摄像机彩
22、色电视摄像机彩色电视摄像机输出信号的种类彩色电视摄像机输出信号的种类（1 1）分量模拟视频）分量模拟视频（Component analog videoComponent analog video）（2 2）S-VideoS-Video（Y/C VideoY/C Video）（3 3）复合视频（）复合视频（Composite VideoComposite Video）n 彩色电视摄像机彩色电视摄像机亮度信号亮度信号和色差信号和色差信号 ：299.0701.0299.0EEEYBYRY587.0587.0587.0866.0114.0114.0BGREEEn 彩色电视摄像机彩色电视摄像机彩色全电视
23、信号彩色全电视信号亮度信号亮度信号色度信号色度信号复合同步信号复合同步信号彩色全电视信号彩色全电视信号n 固态摄像机：固态摄像机：CCDCCD像感器像感器体积小体积小重量轻重量轻造价低造价低寿命长寿命长抗震性强抗震性强空间失真小空间失真小不需要电子扫描：不存在真空封装的问题不需要电子扫描：不存在真空封装的问题对外界磁场的屏蔽要求也低对外界磁场的屏蔽要求也低 光光P P型硅衬底型硅衬底金属电极金属电极二氧化硅二氧化硅沟阻沟阻势阱势阱信号电荷信号电荷CCDCCD像感器是由像感器是由MOSMOS电容器组成的一个阵列。当把光电容器组成的一个阵列。当把光学图像聚焦到该阵列时，可以得到正比于景物光辐学图像
24、聚焦到该阵列时，可以得到正比于景物光辐射强度的电荷分布。射强度的电荷分布。n 固态摄像机：固态摄像机：CCDCCD像感器像感器n 固态摄像机：固态摄像机：CCDCCD像感器像感器工作原理：电荷定向转移的机制工作原理：电荷定向转移的机制 f1f1f2f2f3f3t0t1t2 t3tttt=t0t=t1t=t2t=t3P1 P2 P3 P1 P2 P3P1 P2 P3 P1 P2 P3P1 P2 P3 P1 P2 P3P1 P2 P3 P1 P2 P3三相控制方式下三相控制方式下CCDCCD中中的电荷转移过程的电荷转移过程 n 固态摄像机：固态摄像机：CCDCCD像感器像感器工作原理：电荷定向转移
25、的机制工作原理：电荷定向转移的机制 f1f1f2f2f3f3t0t1t2 t3tttt=t4t=t0P1 P2 P3 P1 P2 P3三相控制方式下三相控制方式下CCDCCD中中的电荷转移过程的电荷转移过程 经过一个时钟周期后，相应的电荷将从前经过一个时钟周期后，相应的电荷将从前一像素的一个电极下转移到下一个像素的一像素的一个电极下转移到下一个像素的同号电极下。这样，随着时钟脉冲有规则同号电极下。这样，随着时钟脉冲有规则的变化，电荷将从线阵的一端转移到另一的变化，电荷将从线阵的一端转移到另一端。如果在线阵的另一端对电荷进行收集，端。如果在线阵的另一端对电荷进行收集，并进行放大处理，则可以得到相
26、应的反映并进行放大处理，则可以得到相应的反映图像灰度变化的电信号输出。图像灰度变化的电信号输出。t4P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1n 固态摄像机：固态摄像机：CCDCCD像感器像感器P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3工作原理：电荷定向转移的机制工作原理：电荷定向转移的机制 P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3P1P2P3n CCD CCD像感器：线阵像感器：线阵CCDCCD像感器像感器 输出输出感光单元感光单元不透光的电荷转移结构不透光的电荷转移结构转
27、移栅转移栅n CCD CCD像感器：面阵像感器：面阵CCDCCD像感器像感器 读出移位读出移位寄存器寄存器感光区感光区存储区存储区输出移位寄存器输出移位寄存器二相二相驱动驱动二相二相驱动驱动光栅极光栅极时钟时钟视频输出视频输出感光区感光区存储区存储区视频输出视频输出n CCD CCD摄像机摄像机 除了除了CCDCCD像感器之外，像感器之外，CCDCCD摄像机还摄像机还包括光学系统、定时系统、包括光学系统、定时系统、CCDCCD激励器、激励器、信号处理和校正器等部分。其输出信号信号处理和校正器等部分。其输出信号一般也为标准的全电视信号。一般也为标准的全电视信号。n CID CID摄像机摄像机n
28、CID CID摄像机摄像机读出方式：读出方式：（1 1）非破坏性读出）非破坏性读出 一个电极被驱动至一个电极被驱动至0 0伏或更低电位伏或更低电位 迁移时，在外电路中产生一电流脉冲迁移时，在外电路中产生一电流脉冲（2 2）破坏性读出）破坏性读出 两个电极均被驱动至两个电极均被驱动至0 0伏或更低电位伏或更低电位 像素处积累的光电子被冲洗入下面的基片像素处积累的光电子被冲洗入下面的基片n CID CID摄像机摄像机性能：性能：（1 1）对扩散模糊和辐射危害不敏感）对扩散模糊和辐射危害不敏感（2 2）不存在电荷转移效率的问题）不存在电荷转移效率的问题（3 3）晶格点阵的缺陷只影响单个像素）晶格点阵
29、的缺陷只影响单个像素标定，有时也称为校准（标定，有时也称为校准（CalibrationCalibration）。）。n 何谓摄像机的几何标定？何谓摄像机的几何标定？确立摄像机内部参数以及摄像机与外部确立摄像机内部参数以及摄像机与外部参考坐标系之间的空间变换关系的过程。参考坐标系之间的空间变换关系的过程。内部参数内部参数 外部参数外部参数确定系统的内部参数确定系统的内部参数确定系统相对于参考坐标系确定系统相对于参考坐标系的位置和姿态的位置和姿态n 需要进行摄像机几何标定的几种情形需要进行摄像机几何标定的几种情形l 固定的内部参数需重新标定固定的内部参数需重新标定内部参数有标称值，但其实际值和标称
30、内部参数有标称值，但其实际值和标称值之间存在偏差。值之间存在偏差。l 内部参数变化后需重新标定内部参数变化后需重新标定内部参数可调，而难于做到精确控制。内部参数可调，而难于做到精确控制。情形情形1 系统内部参数的标定系统内部参数的标定n 需要进行摄像机几何标定的几种情形需要进行摄像机几何标定的几种情形l 不同摄像机之间相对空间变换关系的确定不同摄像机之间相对空间变换关系的确定情形情形2系统外部参数的标定系统外部参数的标定XZYUlVlUrVr(b,0,0)(0,0,0)PirPilP(x,y,z)(0,0,f)(0,0,f)OOYZXn 需要进行摄像机几何标定的几种情形需要进行摄像机几何标定的
31、几种情形l 摄像机和世界坐标系之间空间变换关系的确定摄像机和世界坐标系之间空间变换关系的确定情形情形2系统外部参数的标定（续）系统外部参数的标定（续）XwZwYwXZYOOw世界坐标系世界坐标系摄像机坐标系摄像机坐标系)z,y,x(P)z,y,x(Pwwwn 对摄像机标定的一般要求对摄像机标定的一般要求 （5 5）可实现性）可实现性 不应对实验条件提出过于苛刻的假设，也不应该要求不应对实验条件提出过于苛刻的假设，也不应该要求 使用特别的实验装置。使用特别的实验装置。（4 4）通用性）通用性 要求校准算法能适用于各种不同种类的图像传感器。要求校准算法能适用于各种不同种类的图像传感器。（3 3）有
32、效性）有效性 要求校准算法简洁、快速。要求校准算法简洁、快速。（2 2）精密性）精密性 具有满足使用要求的精度。具有满足使用要求的精度。（1 1）自治性）自治性 尽量减少人工干预，提高校准的自动化程度。尽量减少人工干预，提高校准的自动化程度。n 进行摄像机几何标定的一般方法进行摄像机几何标定的一般方法 基准物体标定法基准物体标定法先由摄像机获取基准物体的先由摄像机获取基准物体的图像，然后运用图像处理技图像，然后运用图像处理技术抽取基准物体上特征点的术抽取基准物体上特征点的图像位置信息。由于这些特图像位置信息。由于这些特征点在世界坐标系中的位置征点在世界坐标系中的位置信息是已知的，因此可利用信息
33、是已知的，因此可利用摄像机几何模型的知识，根摄像机几何模型的知识，根据特征点所提供的信息计算据特征点所提供的信息计算摄像机的内部参数和摄像机摄像机的内部参数和摄像机相对于世界坐标系的空间变相对于世界坐标系的空间变换关系（即外部参数）。换关系（即外部参数）。Reference Reference ObjectObjectYwXwZw特征点特征点内内/外部分离参数法外部分离参数法混合参数法混合参数法n 内内/外部分离参数法外部分离参数法XWYWZW(X XWW,Y YWW,Z ZWW )P(X,Y,Z)P(X,Y,Z)或或P PP Pu u(X(Xu u,Y,Yu u)P Pd d(X(Xd d,
34、Y,Yd d)X Xi i-Y Yi i平平面面YXZOf世界坐标系世界坐标系摄像机坐标系摄像机坐标系(X Xu u,Y Yu u)理想成像情况下像点理想成像情况下像点的图像坐标的图像坐标(X Xd d,Y Yd d)实际成像情况下像点实际成像情况下像点的图像坐标的图像坐标(X Xf f,Y Yf f)(X Xd d,Y Yd d)的计算机像的计算机像素坐标表示素坐标表示OWOi iY YX XZ ZX XWWY YWWZ ZWW(X XWW,Y YWW,Z ZWW )P(X,Y,Z)P(X,Y,Z)或或P PP Pu u(X(Xu u,Y,Yu u)P Pd d(X(Xd d,Y,Yd d)
35、X Xi i-Y Yi i平平面面世界坐标系世界坐标系摄像机坐标系摄像机坐标系OOWWOOstep1.step1.从世界坐标系到摄像从世界坐标系到摄像机坐标系的刚体变换机坐标系的刚体变换step2.step2.从摄像机坐标系到理从摄像机坐标系到理想的图像坐标系的透视变换想的图像坐标系的透视变换step3.step3.从理想的图像坐标到从理想的图像坐标到实际的图像坐标的变换实际的图像坐标的变换 建立建立(x,y,z)(x,y,z)和和(x(xf f,y,yf f)映射关系映射关系step4.step4.从实际的图像坐标到从实际的图像坐标到计算机图像坐标的变换计算机图像坐标的变换 n 内内/外部分
36、离参数法外部分离参数法n 从世界坐标系到计算机图像坐标系的变换从世界坐标系到计算机图像坐标系的变换 Y YX XZ ZX XWWY YWWZ ZWW(X XWW,Y YWW,Z ZWW )P(X,Y,Z)P(X,Y,Z)或或P PP Pu u(X(Xu u,Y,Yu u)P Pd d(X(Xd d,Y,Yd d)X Xi i-Y Yi i平平面面世界坐标系世界坐标系摄像机坐标系摄像机坐标系OOWWOOstep1.step1.从世界坐标系到摄像从世界坐标系到摄像机坐标系的刚体变换：机坐标系的刚体变换：xyzxyzwww+RTR=rrr147rrr258rrr369T TTTxyz其中，其中，R
37、R为旋转变换矩阵，它是一个为旋转变换矩阵，它是一个单位正交矩阵，而单位正交矩阵，而T T则为平移向量，则为平移向量，分别由下面定义：分别由下面定义：为了完全描述上述刚体变换，总共为了完全描述上述刚体变换，总共需要六个系统参数：三个旋转参数需要六个系统参数：三个旋转参数和三个平移参数。和三个平移参数。Y YX XZ ZX XWWY YWWZ ZWW(X XWW,Y YWW,Z ZWW )P(X,Y,Z)P(X,Y,Z)或或P PP Pu u(X(Xu u,Y,Yu u)P Pd d(X(Xd d,Y,Yd d)X Xi i-Y Yi i平平面面世界坐标系世界坐标系摄像机坐标系摄像机坐标系OOWW
38、OOstep2.step2.从摄像机坐标系到理从摄像机坐标系到理想的图像坐标系的透视变换：想的图像坐标系的透视变换：Xfxzu Yfyzu n 从世界坐标系到计算机图像坐标系的变换从世界坐标系到计算机图像坐标系的变换 Y YX XZ ZX XWWY YWWZ ZWW(X XWW,Y YWW,Z ZWW )P(X,Y,Z)P(X,Y,Z)或或P PP Pu u(X(Xu u,Y,Yu u)P Pd d(X(Xd d,Y,Yd d)X Xi i-Y Yi i平平面面世界坐标系世界坐标系摄像机坐标系摄像机坐标系OOWWOOstep3.step3.从理想的图像坐标到从理想的图像坐标到实际的图像坐标的变
39、换：实际的图像坐标的变换：失真系数 若失真主要由径向畸变引起，则若失真主要由径向畸变引起，则XDXdxu+YDYdyu+DxXrrd+()k kk k1224LLLLDYrryd+()k kk k1224LLLL这里，这里，rXYdd+22n 从世界坐标系到计算机图像坐标系的变换从世界坐标系到计算机图像坐标系的变换 Y YX XZ ZX XWWY YWWZ ZWW(X XWW,Y YWW,Z ZWW )P(X,Y,Z)P(X,Y,Z)或或P PP Pu u(X(Xu u,Y,Yu u)P Pd d(X(Xd d,Y,Yd d)X Xi i-Y Yi i平平面面世界坐标系世界坐标系摄像机坐标系摄
40、像机坐标系OOWWOOstep4.step4.从实际的图像坐标到从实际的图像坐标到计算机图像坐标的变换：计算机图像坐标的变换：C Cx x,C,Cy y.图像中心的行图像中心的行/列指标列指标d dx x .X.X方向上相邻像素间距方向上相邻像素间距d dy y .Y.Y方向相邻像素点间距方向相邻像素点间距N Ncx cx .X.X方向上的像素数方向上的像素数N Nfx fx .X.X方向上采样的像素数方向上采样的像素数s sx x .模糊度因子模糊度因子 Xs dXCfxxdx+1YdYCfydy+1ddNNxxcxfx n 从世界坐标系到计算机图像坐标系的变换从世界坐标系到计算机图像坐标系
41、的变换 n 从世界坐标系到计算机图像坐标系的变换从世界坐标系到计算机图像坐标系的变换 P Pu u(X(Xu u,Y,Yu u)X Xi iY Yi iOOi iY YX XZ ZX XWWY YWWZ ZWW(X XWW,Y YWW,Z ZWW )P(X,Y,Z)P(X,Y,Z)或或P PP Pu u(X(Xu u,Y,Yu u)P Pd d(X(Xd d,Y,Yd d)X Xi i-Y Yi i平平面面世界坐标系世界坐标系摄像机坐标系摄像机坐标系OOWWOOX Xi iY Yi i假想的图像坐标轴假想的图像坐标轴X Xi iY Yi iX Xi iY Yi i与实际图像一致的与实际图像一致
42、的图像坐标轴图像坐标轴X Xi iY Yi iOOi i实际图像实际图像的左上角的左上角顺时针顺时针转转0 0平移平移 yxccTX Xi iY Yi iOOi ic cx xc cy yP Pd d(X(Xd d,Y,Yd d)P Pd d(X Xd d,Y Yd d)yddcYY+xddcXX+(0,0)(M-1,N-1)X Xf fY Yf fOOf fP Pd d(X(Xf f,Y,Yf f)xxxdcC yyydcCP Pd d(X(Xd d,Y,Yd d)X Xi iY Yi iOOi iX Xi iY Yi i数字化数字化x xdfCdXX+y ydfCdYY+xd1xxfCXd
43、sX+yd1yfCYdY+(M-1,N-1)X Xf fY Yf fOOf fP Pd d(X(Xf f,Y,Yf f)(0,0)xd1xxfCXdsX+yd1yfCYdY+d dx x .X.X方向上相邻像素间距方向上相邻像素间距 .X.X方向上实际的像素间距方向上实际的像素间距N Ncx cx .X.X方向上的像素数方向上的像素数N Nfx fx .X.X方向上采样的像素数方向上采样的像素数ddNNxxcxfx xds sx x .模糊度因子模糊度因子(x x向尺度补偿因子向尺度补偿因子)xd 1-xx xdfCXdCdXX+yd 1-yy ydfCYdCdYY+d dx xxd考虑考虑s
44、 sx x需要标定的参数需要标定的参数R=rrr147rrr258rrr369T TTTxyzXs dXCfxxdx+1YdYCfydy+1Xfxzu Yfyzu DxXrrd+()k kk k1224LLLLDYrryd+()k kk k1224LLLL外部参数外部参数内部参数内部参数n 内内/外部分离参数法外部分离参数法需要标定的两组参数（一）需要标定的两组参数（一）u外部参数外部参数R=rrr147rrr258rrr369T TTTxyz个旋转参数个旋转参数个平移参数个平移参数共六个共六个n 内内/外部分离参数法外部分离参数法需要标定的两组参数（二）需要标定的两组参数（二）u内部参数内部
45、参数 f f 有效焦长有效焦长 k k1 1 镜头的失真系数镜头的失真系数 s sx x 图像图像X X坐标的模糊度因子坐标的模糊度因子 C Cx x 图像平面原点在计算机图像坐标系中的图像平面原点在计算机图像坐标系中的X X坐标坐标 C Cy y 图像平面原点在计算机图像坐标系中的图像平面原点在计算机图像坐标系中的Y Y坐标坐标 n 内内/外部分离参数法外部分离参数法C Cx x、C Cy y的确定（的确定（1 1）：变焦法）：变焦法位置固定位置固定时间可控时间可控点状光源点状光源n 内内/外部分离参数的个别标定外部分离参数的个别标定C Cx x、C Cy y的确定（的确定（2 2）：激光光
46、束法）：激光光束法成像面成像面外置屏幕外置屏幕位置可控激位置可控激光发射装置光发射装置n 内内/外部分离参数的个别标定外部分离参数的个别标定C Cx x、C Cy y的确定（的确定（3 3）：辐射度学模型法）：辐射度学模型法成像面成像面外置屏幕外置屏幕均匀光照均匀光照22020211100100 xayaxyaxayaay)I(x,+211022020101101xaa4aa2aaaC211022002011101yaa4aa2aaaC2 2次多项式近似次多项式近似n 内内/外部分离参数的个别标定外部分离参数的个别标定C Cx x、C Cy y的确定（的确定（4 4）：辐射度学模型法（续）：辐
47、射度学模型法（续）成像面成像面外置屏幕外置屏幕均匀光照均匀光照等灰度线等灰度线口径蚀口径蚀n 内内/外部分离参数的个别标定外部分离参数的个别标定s sx x的确定的确定成像面成像面外置屏幕外置屏幕xDyDyxxDDs n 内内/外部分离参数的个别标定外部分离参数的个别标定其它参数的确定其它参数的确定Y YX XZ ZX XWWY YWWZ ZWW(X XWW,Y YWW,Z ZWW )P(X,Y,Z)P(X,Y,Z)或或P PP Pu u(X(Xu u,Y,Yu u)P Pd d(X(Xd d,Y,Yd d)X Xi i-Y Yi i平平面面世界坐标系世界坐标系摄像机坐标系摄像机坐标系OOWW
48、OOuXzxfuYzyfxd1xxfCXdsX+yd1yfCYdY+）（xfx-1xdCXdsX)C(YdYyfyd)r)(1C(Xds 21xf x1x+)r)(1C(Yd 21yfy+2yfx2xf x1x)CY(d()CX(ds(r+)rr(1X4221dLL+)rr(1Y4221dLL+n 内内/外部分离参数法外部分离参数法+zyf )r)(1C(Ydzxf)r)(1C(Xds21yfy21xf x1x 确定其它参数的基本关系式确定其它参数的基本关系式zw9w8w7xw3w2w1TzryrxrTzryrxrf +zw9w8w7yw6w5w4TzryrxrTzryrxrf +zyxwww
49、987654321wwwTTTzyxr r rr r rr r rTzyxRzyx+zw9w8w7yw6w5w4xw3w2w1Tzryrxr zTzryrxr yTzryrxr xn 内内/外部分离参数法外部分离参数法其它参数的确定其它参数的确定n 内内/外部分离参数法外部分离参数法（一）（一）模糊度因子模糊度因子s sx x已知已知 使用共平面基准参考使用共平面基准参考点集来完成标定任务。点集来完成标定任务。如图所示：选择世界如图所示：选择世界坐标系使得基准参考坐标系使得基准参考点集位于平面点集位于平面 z zw w=0=0上，并使世界坐标系上，并使世界坐标系原点不在原点不在Y Y轴上，即使
50、轴上，即使T Ty y 0 0成立。成立。YXZOWXWYWZWX Xi i-Y Yi i平平面面O基准参考点集基准参考点集其它参数的确定其它参数的确定+TzryrxrTzryrxrf )r)(1C(YdTzryrxrTzryrxrf )r)(1C(Xdszw9w8w7yw6w5w421yfyzw9w8w7xw3w2w121xf x1xyw6w5w4xw3w2w1yfyxf x1xTzryrxrTzryrxr)C(Yd)C(Xds+（一）（一）模糊度因子模糊度因子s sx x已知已知 1zTryTrxTrTTzTryTrxTrw1-y6w1-y5w1-y4-1yxw-1y3w-1y2w-1y1
