用于微装配的显微视觉系统标定技术的研究

论文摘要

摄像机标定主要是确定空间物体表面点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的对应关系,以利于对目标进行准确识别、定位和重建,是机器视觉的关键技术之一。随着人类研究朝着微观领域发展,特别是近年来微操作和微装配技术的发展,显微视觉相关技术的研究受到了国内外的广泛关注。由于显微视觉系统中使用的显微镜头具有视场狭小、焦距短等特点,导致现有的摄像机标定技术不能直接应用于显微视觉系统的标定。因此,研究适合显微视觉系统的标定方法是非常必要的。本文主要对微装配中变焦显微视觉系统的标定技术进行了研究,首先建立变焦显微视觉系统的成像模型,并在张正友多视图标定法的基础之上,提出了一种基于单视图单应(同形)矩阵分解的标定方法。建立了实验平台,采用本算法分别对参数固定的和变参数的显微成像系统进行了标定测试实验。本文的主要研究工作和成果包括:1.对微装配中显微视觉系统的构成和摄像机的成像原理进行了研究,用针孔成像模型模拟参数固定的显微视觉系统的成像过程,同时基于变焦镜头的特点,提出了一种简单的在线摄像机标定方法,简化了焦距改变后复杂的标定过程。2.根据显微镜景深短、视场小、标定板只能与CCD成像面平行放置等特点,提出了一种基于单视图单应矩阵分解的标定算法。建立了实验平台,对参数固定的摄像机标定和变焦显微视觉系统的在线标定分别进行了实验测试,实验结果表明可以达到0.5 um的反透射标定精度。3.在对标定图像进行椭圆拟合获取标定基础数据时,实现了一种基于随机采样一致(Random Sample Consensus, RANSAC)估计的椭圆拟合算法,以欧式距离作为内点选择阈值,在内点域内使用最小二乘算法精确估计椭圆参数。实验表明当显微图像中存在较严重的噪声或者遮挡时,使用本估计算法可以有效地剔除粗大误差,提高椭圆拟合的精度。4.对变焦显微系统中图像主点进行了分析,并且利用变焦距法标定图像主点。实验结果表明,图像主点不随焦距的改变而变化,本方法可以实现±0.5 pixel的标定精度。本文的研究工作为研制一种高性能的基于显微视觉伺服的微装配系统奠定了理论和技术基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 微装配技术的国内外研究现状
• 1.3 摄像机标定技术的国内外研究现状
• 1.3.1 摄像机成像模型
• 1.3.2 摄像机标定算法
• 1.4 本文的研究目的和研究内容
• 1.4.1 本文的研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 2 摄像机成像模型
• 2.1 引言
• 2.2 针孔成像模型
• 2.2.1 针孔模型
• 2.2.2 坐标系及其坐标变换
• 2.3 镜头畸变模型
• 2.4 本文采用的成像模型及需要标定的参数
• 2.5 本章小结
• 3 摄像机标定算法
• 3.1 引言
• 3.2 传统的摄像机标定算法
• 3.2.1 直接线性变换
• 3.2.2 Tsai 两步法
• 3.2.3 张正友多视图标定法
• 3.3 基于单视图的摄像机标定法
• 3.3.1 求解标定参数
• 3.3.2 畸变系数及整体优化
• 3.4 标定精度的评价方法
• 3.5 摄像机标定实验
• 3.5.1 仿真实验
• 3.5.2 相机标定实验
• 3.6 本章小结
• 4 标定预处理
• 4.1 引言
• 4.2 标定模板
• 4.3 椭圆图像中心检测
• 4.3.1 椭圆提取的常用方法
• 4.3.2 椭圆边缘的提取
• 4.3.3 基于RANSAC 估计的椭圆拟合
• 4.3.4 形心偏移的影响
• 4.4 图像主点的标定
• 4.4.1 图像主点与帧存中心
• 4.4.2 图像主点的计算方法
• 4.4.3 变焦距法标定图像主点
• 4.5 本章小结
• 5 变焦显微视觉系统的在线标定
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统
• 5.3 变焦显微视觉系统的在线标定
• 5.3.1 变焦内部参数矩阵
• 5.3.2 在线获取放大倍数
• 5.3.3 在线标定实验
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文主要研究工作
• 6.2 主要贡献与创新点
• 6.3 后续研究工作与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目
• C. 作者在攻读硕士学位期间其它相关工作