CCD攝像機的誤差及其檢測

目前，面陣CCD攝像機多為工業(yè)與保安監(jiān)控用機，而對其成像的幾何性能和量測精度都知之甚少。在利用面陣CCD攝像機進行實時檢測的系統(tǒng)中，CCD攝像機所產(chǎn)生的誤差是系統(tǒng)中的主要誤差。而這種誤差是在圖像輸入的過程中產(chǎn)生的，它影響系統(tǒng)的測量精度，因而是不可忽視的。所以很有必要對CCD攝像機所產(chǎn)生的誤差進行分析與檢校，以便對系統(tǒng)的精度進行評價。

    CCD攝像機所產(chǎn)生的誤差主要由它的光學成像鏡頭，CCD器件本身的質量以及圖像采集裝置(含圖像采集卡等)共同產(chǎn)生。一般分為光學誤差、機械誤差和電學誤差。

    光學誤差主要是指影響影像幾何精度的CCD攝像機的光學鏡頭所產(chǎn)生的鏡頭畸變差。它包括徑向畸變差和切向畸變差(鏡頭的這種誤差早在六、七十年代就已作過深入的研究，由于CCD攝像機鏡頭與普通照相機鏡頭沒什么差別，故其研究結果可以直接引用)。鏡頭的這種畸變差在影像上一般表現(xiàn)為中心小而周邊較大。

    機械誤差主要是指CCD器件質量不好，即CCD機械加工安裝時造成的CCD面陣的幾何誤差。也就是說象元排列不規(guī)則而使影像產(chǎn)生的幾何誤差，它包括象素定位不準，行列不直及相互不垂直等誤差。此外還有CCD不同的象元對相同的光強信號轉換得到的灰度值有差異的象元敏感不均勻性誤差。隨著現(xiàn)代加工工藝水平的提高，這種誤差較其它誤差要小的多。因而一般不予考慮。

    電學誤差主要是指CCD在光電信號轉換，電荷在勢阱中的傳遞以及A/D轉換時所產(chǎn)生的影像幾何誤差。它主要包括行同步誤差、場同步誤差和象素采樣誤差。主要原因是光電信號轉換不完全、信號傳遞后滯以及CCD驅動電路電壓及頻率不穩(wěn)等因素造成。

    下面分別介紹CCD攝像機所產(chǎn)生的光學誤差、電學誤差及其誤差檢測與分析。

一、CCD攝像機的光學誤差 

    CCD攝像機的光學誤差即CCD攝像機鏡頭的畸變差。由于CCD攝像機的物鏡與普通攝影物鏡無異，而這部分誤差早在六、七十年代就已作過相當細致而深入的研究，其結果可直接應用。

    對畸變差的改正，可采用二次多項式擬合法�；�變差中的線性部分可用二維DLT(直接線性變換)算法改正。下面主要討論非線性誤差的改正。

一般非線性的物鏡畸變差可表示如下：
式中：x，y是象點的坐標儀坐標;
x0，y0是像主點在坐標儀坐標系中的坐標;
k1,k2,k3…是待定的對稱物鏡畸變系數(shù);
p1,,p2是待定的非對稱物鏡畸變系數(shù);
r是向徑，

    如果考慮物鏡畸變差非線性部分，只要把△x,△y代入二維DLT基本關系式即可。這里取△x=k1(x-x0)2,△y=k1(y-y0)2。因此可得：

亦即是：
    在有多余控制點的情況下，可以列出式的誤差方程和法方程式如下：

    在解算出k1系數(shù)后，就可以對坐標進行改正，從而可以消除或減弱畸變的影響。

    在上面求解k1系數(shù)的過程中，需要事先知道x0，y0的初值。初值的確定方法如下：用同一CCD攝像機對一平面攝像，讓CCD攝像機與平面近似平行。

    先攝一張像片;保持攝像機與平面位置不動，換不同的焦距的鏡頭再攝一張像。這時由于兩次攝像時其它條件均相同，只是焦距不同，因此圖中1、2、3、4點在兩幅影像上的成像情況可表示。用高精度點檢測算法分別檢測出1、2、3、4點在兩幅影像上的位置1ˊ,2ˊ,3ˊ,4ˊ和1″，2″，3″，4″。分別求出過點1′，1〞的直線L1，過點2′，2〞的直線L2，過點3′，3″的直線L3，過點4′，4″的直線L4的方程。再分別求直線L1和L2，L2和L3，L3和L4，L4和L1的交點Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。理論上，如果沒有任何誤差，這四點應該重合。因此求出這四點的坐標平均值x0,y0,即可認為是CCD攝像機的主點位置。