楊姍姍 吳 亮 王 樂

(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)定過程中控制場的建立

楊姍姍1吳 亮2王 樂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)控制場的建立方法，對利用液晶顯示器制作二維控制場存在的問題進(jìn)行了研究，并探討了像點(diǎn)坐標(biāo)的提取方法，指出該控制場制作簡單，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，數(shù)碼相機(jī)，相機(jī)標(biāo)定，測量

0 引言

對于相機(jī)的標(biāo)定很多參考文獻(xiàn)都是基于三維控制場進(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。相對于三維控制場，二維控制場的標(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 二維控制場的建立

二維控制場有著很高的便利性，所以近年來的相關(guān)研究主要集中在二維控制場的基礎(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)量測儀量測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。但是其又在之后的文獻(xiàn)中指出這種方法沒有顧忌聚酯薄膜粘貼時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。在此基礎(chǔ)上他又提出了準(zhǔn)二維控制場的建立方法，首先測量二維控制場中控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，建立準(zhǔn)二維控制場，然后利用相機(jī)和控制點(diǎn)的相對位置將準(zhǔn)二維控制場變換至真二維控制場。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題，并且使得建立大面積高精度二維控制場成為可能。但是這種方法需要利用高精度全站儀測量大量點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，和三維控制場的建立一樣，這就大大地增加了控制場制作的復(fù)雜程度。

上面介紹的二維控制場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。并且擁有小巧、幾何變形趨近完美、無閃爍、價格便宜等優(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LCD不平性進(jìn)行修正，從而提高了標(biāo)定精度。可見雖然LCD的平整度已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)級水平，但是仍然不能忽略。

經(jīng)過搜集相關(guān)資料和實驗本文認(rèn)為利用LCD制作控制場還存在其他問題：

1)LCD的顯示以像素為單位，每個像素的大小約為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)幾何精度沒有直接測量數(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，但是沒有直接的測量數(shù)據(jù)支持；

3)目前生產(chǎn)較大尺寸的LCD依然比較困難且價格較高，并且對于大尺寸的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)過時其折射現(xiàn)象導(dǎo)致的坐標(biāo)位移，還沒有相關(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)行控制場的制作還是存在一些問題的，在之后的實驗中將利用較大尺寸的鋼化玻璃作為基板制作控制場。

2 控制場制作

實驗中的二維控制場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。作為二維控制場其平整度有較高的要求，所以利用游標(biāo)卡尺對玻璃基板的邊緣厚度進(jìn)行量測，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。

共測得20個厚度數(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?？梢娫摶宓暮穸染鶆?，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向下發(fā)生彎曲。為了測量其彎曲的大小，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)卡尺測量細(xì)線和基板之間的最大空隙，如圖1所示。

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

實驗的初期計劃使用普通繪圖儀打印的紙張進(jìn)行制作，但是通過多次嘗試發(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，實驗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)到了實驗的預(yù)計要求，如圖2所示。

3 像點(diǎn)坐標(biāo)提取

實驗中使用了網(wǎng)格交叉點(diǎn)作為控制點(diǎn)，為此設(shè)計了以下方法進(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)。

為了研究量測的精度和穩(wěn)定性，利用一個控制點(diǎn)圖像進(jìn)行了多次量測。按照多次量測中的差異來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)多次量測對比

通過表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)果說明精度滿足亞像素提取的要求。

4 結(jié)語

在本文中著重的介紹了二維控制場的應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出了利用液晶顯示器制作二維控制場存在的問題；然后，詳細(xì)的敘述了實驗所用二維試驗場的制作方式，并對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別的像點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)驗證具有很高的精度水平。

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

[2] 殷福忠，劉紅軍.基于DLT方法的非量測數(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)二維控制場的建立及其應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(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

楊姍姍(1988- )，女，碩士，助教； 吳 亮(1987- )，男，助理工程師； 王 樂(1988- )，女，碩士，助教

1009-6825(2015)08-0226-02

TB852

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