三维扫描测量与逆向工程技术PPT课件（共5章）第二章三维测量技术原理.pptxVIP

第二章 三维测量技术原理 内容提要 2.1. 三维测量系统基本模型 2.1.1. 相机线性模型 2.1.1.1.坐标系定义 2.1.1.2.坐标系转换关系 2.1.2. 相机非线性模型 2.2. 三维测量系统标定方法 2.1.1. 相机线性模型 相机线性模型可以简化为摄像镜头成像几何模型，如果将相机镜头等效为薄透镜，并令薄透镜的孔径无限趋于零，则相机的成像过程类似于小孔成像，我们称此类相机模型为针孔成像模型（如图 2‑1所示），或称之为相机线性模型。 图 2‑1针孔成像模型 2.1.1. 相机线性模型 图 2‑2相机线性模型 2.1.1.1. 坐标系定义 由图 2‑2可知，相机线性模型中拥有四个坐标系，分别是： 世界坐标系： 相机坐标系： 图像物理坐标系： 图像像素坐标系： 图像像素坐标系 图 2‑3图像像素坐标系与图像物理坐标系 2.1.1.2. 坐标系转换关系 1、世界坐标系和相机坐标系之间的关系 2.1 2.1.1.2. 坐标系转换关系 2、相机坐标系与图像物理坐标系之间的关系 2.1 2.1.1.2. 坐标系转换关系 3、图像像素坐标系与图像物理坐标系之间的关系 2.1 2.1.1.2. 坐标系转换关系 4、相机坐标系与图像像素坐标系的关系 2.1 2.1.1.2. 坐标系转换关系 5、世界坐标系与图像像素坐标系的关系 2.1 2.1.1.2. 坐标系转换关系 5、世界坐标系与图像像素坐标系的关系 2.1 2.1.1.2. 坐标系转换关系 5、世界坐标系与图像像素坐标系的关系 2.1 2.1.1.2. 坐标系转换关系 5、世界坐标系与图像像素坐标系的关系 2.1.2. 相机非线性模型 由于相机的光学成像系统在生产制作加工及装备过程中会产生误差，这使得空间点在相机成像平面上实际成像点与理论成像点之间存在偏差，这种偏差称为相机镜头光学畸变偏差。所以，真正的相机光学成像系统并不等同于理想成像系统，而相机线性模型忽略了镜头畸变，不能准确地描述实际成像系统的几何关系。因此，引入相机非线性模型，对相机镜头畸变进行建模。 如图 2‑4所示，相机镜头畸变模型主要包括：径向畸变和切向畸变。其中径向畸变会使相机镜头产生径向偏差，切向畸变使相机镜头产生切向偏差。 图 2‑4相机径向畸变与切向畸变 2.1.2. 相机非线性模型 径向畸变是由于相机镜头形状不满足理论成像系统要求导致的，其关于主光轴对称分布，使得实际像点与理论像点仅在径向出现偏差，经过光轴投影到像面上的光线仍然是真线，只是变长或者变短了。如果直线变长，实际像点沿径向偏离向外称之为枕形畸变；相反，如果直线变短，实际像点沿径向偏离向里，称之为桶形畸变。图 2‑5是这两种畸变的直观图。 （a）枕形畸变 （b）桶形畸变 图 2‑5径向畸变 2.1.2. 相机非线性模型 图 2‑6切向畸变 切向畸变主要是由于相机镜头组的成像中不在同一直线上导致的，这使得实际成像点相对理论成像点不但产生径向偏差，而且还产生切向偏差。 2.2. 三维测量系统标定方法 图 2‑8 张正友平面标定法标定模型 如图 2‑8描述了张正友平面标定法中世界坐标系、相机坐标系和二维图像坐标系之间的位置关系。 2.2. 三维测量系统标定方法 张正友平面标定法的主要步骤 （1）第一步：选取具有网格状的平面标定模板，令标定模型中网格之间交叉点为标定特征点； （2）第二步：利用相机采集多幅具有不同角度的标定模板图像； （3）第三步：利用图像处理算法，提取相机所采集图像中的标定特征点，获取标定特征点的二维图像坐标； （4）第四步；根据标定特征点在世界坐标系下的三维坐标和其在成像平面上的二维图像坐标算出相机内外参数； （5）第五步：对估算出的相机内外参数进行非线性优化。