一种基于CMOS图像传感器的大视场角度测量装置的误差校正方法.doc

一种基于CMOS图像传感器的大视场角度测量装置的误差校正方法 第卷第期光学技术?月（）一种基于图像传感器的大视场角度测?装置的误差校正方法何征宇，魏平（?京?工大学信息科学技术学院光电工程系，?京）摘要基于图像传感器的大视场角度测?装置的设计方案，重点研究了装配误差和图像畸变对角度测?精度的影响，得到了系统的综合误差模型。 介绍了利用经纬仪校正自准直光?中装配误差和图像畸变误差的步骤，即通过抽取?程内?干控制点，再根据综合误差模型拟合得到整个?程的校正数据。 仿真实验验证了此方法的适用性，并将此方法和常见的分段线性插值法以及多项式拟合法进?了性能对比。 关键词图像传感器；测角仪；自准直仪；误差校正，（，）、，；引言自准直光?，如图所示。 。 物镜近些?来，随着图像传感器像素数?的被测扫分光镜?断增加，提供了可在大视场角度测?上应用的可幺一能性。 由于传感器具有体积小以及?需要，、可动部件等优点，加上一个自准直光?即可实现一个超小型的角度测?装置。 进一步借助的采集及处?，（）功能，辅以目标实时预测与跟踪的算法，可使测?速度远远超过采用面阵的同类装置【，。 图系统原?图本文针对一个基于高像素图像传感器图中，由于角度测?范围较大，因而选用了一的大视场角度测?仪器的实际设计，重点讨论了系个分辨率为像素的图像芯片来统误差的校正方法，以?利用查表法来完成作为传感器。 为了保证测?精度，采用了发光面积高速角度测?的任务。 和发散角都非常小的点光源。 如图所示，光源发角度测?的基本原?出的光线经过分光镜及物镜后呈准直光出射，经被测摆镜反射后再次经过物镜和分光镜，并成像在角度测?装置所采用的是改进了的双分划板型传感器上。 按照自准直角度测?光?的原作者简介何征宇（一），男，湖南省人，?京?工大学信息科学技术学院光电工程系硕士研究生，主要从事高速光电传感器及图像处?方面的研究。 第期何征宇，等一种基于图像传感器的大视场角度测?装置的误差校正方法?，当被测摆镜的角度有（，）的变化时，反射镜上的入射光线和反射光线的夹角将随之改变，光源像点在传感器上相应地移动了（，），依此可得出像点位移?和被测角度变化的规?动误差?会对图像传感器上的像点位置造成影响，故可忽略。 同时由于镜头可以调焦以及图像传感器也可进?安装调整，因此光源和在光?方向上的偏移误差也可忽略。 又由于没有绝对零点，所以在平面上?存在偏移误差。 由于分光镜在平面上的同一性，分光镜在轴方向上的偏移误差也?复存在。 按照上述分析，项误差中实际需要校正的误差只剩下项，如表所示，分别为光源在轴和弋（）（）?（）于光源像点覆盖蔷告番荃攫童在本装置中，由二二二一传感器的像素很少，故可借助于图预测反馈控制原?图轴上的偏移误差，分光镜的转动误差和在轴及图像传感器轴上的偏移误差，以及传感器绕轴和轴的转动的功能，只读出光源像点附近的图像数据，同误差。 时采用实时预测下一帧的读出窗口位置来表需要校准的误差项跟踪光点的移动，并通过查询存储器中的校正数据转动误差偏移误差表输出测?结果。 这个闭环反馈的窗口控制过程如光源图所示，可大大减少无用像素的输出以提高角度分光镜膨测?的实时性。 传感器系统误差分析与校正方法由于所分析的分光镜误差对整个系统误差的影响非常复杂，所以建立了一个新的等效光源，利用棱式（）是没有考虑任何误差的?想计算公式，而镜转动原?，近似地将分光镜的误差合并至新光源在实际系统中，光学部件的装配误差和成像畸变都的偏移误差和，通过这个转化来吸收分光将对测?精度造成影响，尤其是本装置体积要求较镜的影响。 经过逐项推导，得到等效后的光源偏移小，无法加入调整机构。 因此，本文将所有误差看成误差为一个整体，用数字处?的方式对系统误差进?综合，、校正。 （）为了建立中的综合误差校正表，在本系统中意味着需要对高达的像素点进?式中为光源到分物镜、反射锾平面逐一标定，这样就带来了巨大的标定工作?。 当然光镜中心的距离。 这自然会考虑到采用?干抽样点的数据来插值或拟合样，等效的装配误差二。 得到整个?程的校正数据以缩短标定过程。 由于插源又降为个，即值或拟合基函数的选取将直接对精度带来影响，所，和。 图示出了其、，以本系统中没有选用常见的分段线性插值或多项式拟合方法，而是根据式（）的自准直测?原?所具有中一个方向上的误图简化误差模型原?示意图的固有规?，提出了引入装配误差和畸变后的测?差情况，图中的点为假想的等效光源，在轴上模型，并依此模型研究了拟合算法以及具体的标定有偏移误差。 为它在传感器上的像点，步骤。 传感器有转动误差。 首先分析系统各部件的装配误差。 在本系统中通过图所示几何关系得到的考虑装配误差后有个主要部件，分别为光源、分光镜、物镜和图像的角度计算公式为传感器，各有个自由度，所以系统中可能出现的装（）配误差源为项。 ?过，在这项误差中，有些误（一）一差实际上可以?必考虑。 ?定义物镜光轴为轴，在分析了装配误差（主要系统误差源）之后，又的?方向为轴，列方向为轴，这样物镜进一步加入了成像畸变所带来的误差。 与一般小视的装配误差将转换为别的部件相对于它的误差，场自准直仪?同，本装置角度测?范围较大，可以导绕轴的转动误差也?再存在。 此外，由于人摄像机的畸变误差模型来进?探讨，只是需要是成像系统且光源为中心对称，光源较小的转根据本系统的特点对摄像机的畸变误差模型进?简光学技术化。 首先，由于自准直光?中的目标物即内部光源，所以?存在被测空间坐标与摄像机坐标之间的转换问题；此外，焦距厂可以用放大率法标定，光学中心（，）也可以用透镜表面反射法【标定。 因此只需借用摄像机模型中的畸变因素，主要考虑影响较大的径向畸变即可。 然后再进一步考虑本装置所用镜头的畸变率，最大仅为，所以只用一个二阶多项式近似已经足够（式（），其中（，）为读出的相对于光学中心的坐标，为待定的畸变系数。 忌（）（）综合式（）和式（）可得到考虑上述两种主要误差后的综合误差模型（式（）。 由式（）可见，至少需要个以上的抽样点才能得到，和。 （）一！垒！二（）根据这个综合误差模型探讨了相应的标定方法。 标定中采用经纬仪作为标准仪器，如图所示。 由于本装置是一种相对角度测?仪器，所以经纬仪的绝对误差可以忽略。 又因为此装置出射的测?光束为平?光，所以本装置与经纬仪之间的相对位置要求并?严格。 在校正中，为了计算方?，抽样点只取自传感器的水平轴（轴）和垂直轴（轴），其标定操作步骤如下（）在经纬仪的镜筒上固定一块反射镜，将本装置卡在一个一维角度（绕轴）调整盘上，并对准反射镜，调整经纬仪位置使传感器的光源像处于光学中心位置。 （）锁死经纬仪的水平转动（轴），调节经纬仪镜筒带动反射镜在垂直方向（轴）摆动，此时光源像会在图像传感器上移动。 （）调整角度调整盘，使本装置绕轴转动，直到光源像轨迹的横坐标都归零。 此时必须注意的是角度调整盘的转轴跟轴?一定重合，因此每次转动后都需要重新调整角度调整盘位置，使光源像重新回到光学中心。 第卷，、【（）读出光点轨迹（轴）上?干个传感器坐标（，），（，），?（，），并同时记录经纬仪此时的转动角度口，?，并按照下式进?最小二乘法拟合（）一；一）（）式中（，）为待定系数。 拟合获得的数据可作为垂直方向（轴）上的角度与对应坐标的数据表。 （）同?，在水平方向（轴）上也可获得相应的数据表。 至此即可完成整个传感器坐标与被测反射镜角度间的对应表。 仿真实验以一个仿真实验对上述校正方案进?评估。 首先根据光学部件以及机械的加工精度（），估算出各部件装配时的转动和偏移误差的范围，然后将这些误差的最大值加上镜头的畸变?，引入仿真光?进?追迹计算。 顺?指出，如果按?想公式（）直接计算，边缘的角度测?误差将达。 以上，所以误差校正是必?可少的。 下面以?程较长的轴方向为例，选取了等间距的个抽样点，测试了几种算法的校正效果。 本文方法的拟合结果如图（）所示，而图（）示出了采用分段线性插值法、三次多项式拟合法与本方法的精度对比结果。 图仿真实验结果图（）本文方法校准结果；（）采用?同方法的误差曲线。 （下转第页）光学技术木，显微镜一一研究，第卷【，大津元一才二走查，（），（），（），（），（），】，【，（）（），一【，（）；，（），一，（），【，（），（）【，（），（），【，（），（），（），。 ，【，（）一（，】，（）（上接第页）差模型。 研究了使用抽样点拟合获取被测角度与像由图可见，三次多项式与分段线性插值的精点坐标对应表的算法，提出了具体的操作步骤，使采度在同一?纲。 其中，分段线性插值的结果在抽样用快速查表的功能得以实现。 仿真实验结点处较好，但在其它区域特别是边缘处误差较大。 果证明了本文所提出的方法具有精度高、标定简?相比之下，三次多项式的误差分布较均匀，整体上精等优点。 度较高，但是仍达?到本装置的设计要求。 而当采目前已经完成此装置的原?样机，如图所示。 用本文所提出的算随着仪器的研制过程将继续完成对实际装置的调校法时，拟合后的误差工作，以验证整个仪器的可?性和实用性。 远远小于上述两种参考文献方法，仿真实验结果邹万军，朱国?，吴学兵基于面阵的激