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1、西北工业大学机电学院2014届本科毕业设计（论文）开题报告专业： 车辆工程 班级：姓名何海学号指导教师王侃伟报 告 题 目工业检测技术相机标定及自动调焦系统题目来源（划）科研生产实验室专题研究企业联合其 他论文类型（划）工程设计类实验研究类软件开发类其 他 报 告 日 期 年 月 日 报告地点本科生开题报告（不少于1000字）一综述 随着现代工业的快速发展，传统的检测工具检测方法已经越来越不能满足测量要求，精密测量技术亟待发展。视觉测量作为一种新的测量思路，能够适应多种恶劣的测量环境对空间点的精确定位也能保证足够的测量精度，它的高速发展满足了现代工业生产检测在测量精度测量范围等方面提出了新的要
2、求，在工业生产检测及国防航空等领域有着广泛且重要的应用。 传统的测量方式主要有两种：一是采用手工测量。但这种方法十分耗时，也容易因测量人员的主观因素产生较大的测量误差；二是采用超声、激光等主动测量装置。这些装置虽然能够达到很高的精度，但是对于一些仅出现在照片、影像中的非实体的测量无能为力，并且这些装置在测量过程中容易受到一些意外反射和交叉干扰的影响而降低测量精度。相比传统测量方法，基于计算机视觉的图像测量技术具有很多优点：（1）所需要的硬件设备简单，成本低廉；（2）测量过程方便，自由度高：（3）所获取的数字化信息可以重复使用，无需重复进行实地测量。基于计算机视觉的测量方法主要有两类。其中最为典
3、型的是通过同一场景的两幅或多幅图像利用立体视觉的方法重建出被测场景的三维结构，从而测量出三维空间中任何两点之间的距离。这种方法的测量精度取决于摄像机的标定精度和图像匹配点的定位精度，而摄像机的精确标定和图像匹配点的精确定位都是计算机视觉领域的经典难题，有时很小的参数误差都会对最后测量的结果产生很大的影响。第二类是近年发展起来的基于单幅图像的测量方法，这种方法与基于立体视觉的方法相比，其主要优点在于避免了视觉领域的图像匹配问题，而且不需要知道摄像机的内外参数，使整个测量过程更方便。这种方法尤其适用于本身带有大量约束信息的结构化场景的测量。 中国加工制造业的发展和技术的提高以及对质量要求的不断提升
4、，中国机器视觉市场也由初期的低端慢慢的在走向高端，未来需要更加智能、更快速和更高分辨率的工业相机来适应行业发展的需要，当然能符合测试要求、高性价比、质量稳定、便于开发、良好的技术支持和售后的工业相机现在更适合中国市场。目前，国内生产的工业相机的都基本是比较低端、低成本的相机，最主要的原因的缺乏核心技术。中国机器视觉行业似乎刚刚度过概念导入期，慢慢开始进入不断发展的成长期。国内的技术人员正潜心研究，目的是攻破工业相机的核心技术，如定标、高速率时传感器的散热、前端高速AD的选择、大数据量的数据处理和高速传输接口等等问题。现在我们要研究的是怎么样运用一种比较好的定标方法来满足工业检测技术用的相机。
5、在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定（或摄像机标定）。摄像机住往往在图像的获墩、图像的传导和图像的导出历程中，因为一些不确定的因素容易导致图像的质量不好，还有可能导致图像变形，从而不能满足我们所给定约束条件下的导出标。所以，比较有针对性的对所获得图像中的畸变进行恢复和修正是相当有必要的，它事进行摄像机定标的前提条件。我们利用摄像机获取的图像，可以通过一定的设备把模拟的信息处理为数字的信息
6、，然后通过对图像的分析，指出被观察的点在图像平面的正确坐标，最后利用摄像机定标的结论求解出被观察的点位于物体坐标系中的位置，通过这种方法我们能够完成对图像中存在的畸变进行修正的目标。综上所述，摄像机的定标已经成为一项越来越重要的工作，在计算机视觉领域中也扮演着非常重要的角色。无论是在图像测量或者机器视觉应用中，相机参数的标定都是非常关键的环节。其标定结果的精度及算法的稳定性直接影响相机工作产生结果的准确性。在相机标定的过程中，还涉及到了计算机图形学（计算机视觉），也就是对输入的原始图像进行处理，抽取图像中诸如点、边缘、纹理、线条和边界等基本几何元素或特征，这些特征的集合称为基元图或要素图；这一
7、过程需要运用了大量的图像处理技术和算法，如图像滤波、图像增强、边缘检侧等，以便从图像中抽取诸如角点、边缘、线条、边界以及色彩等关于场景的基本特征，这一过程还包括了图像变换、图像校正、图像纹理检测和图像运动检测等。相机标定法就是建立在计算机图形学和三维图形绘制基础上的。 国内外相机定标算法的的现状如下：整体来说，可以吧目前摄相机的标定方法划分为两大类：第一大类是摄像机的传统标定技术，第二大类是摄像机的自标定技术。在第一种方法中，我们常用的是直接线性变换法和透视变换矩阵法。国外的Dainis和Juberb讲述了怎么样通过直接线性法进行摄像机定标。而Ganapathy 提出了一种通过透视变换矩阵法来
8、进行摄像机定标，而且在对未知参数的计算方面也做了比较细致的阐述。虽然这些算法，在太多数情况下应用起来还是可以被我们接受的，可是如果想要获得比较高的精确值，我们还应该涉及到一些图像畸变的因素，因此我们可以通过非线性模型进行定标，并通过这种方法来提高定标的精确度。Faig总结出一种涉及了全部畸变因素的非线性的最优化汁算方法。Tsai也提出了一种方法，这种方法我们只需要思考它的径向畸变因素，然后通过两步法来进行摄像机定标。这种方法首先通过第一种方法求解出摄像机的定标参数，然后通过我们所求解得到的参数当作初始给定值，思考到径向畸变的条件，最后通过最优化算法来达到我们的目的。同时Tsa同样提出了思考到径
9、向畸变因素和切向畸变因素的摄像机定标方法，这种方方的提出对它的方法的完善起到了很大的推动作用。 现阶段，一种新的摄像机定标方法被大家所熟知，他往往不需要通过几何元素已知的物体就可以进行相机的定标，我们把这种方法叫做摄像机的自标定。Faugeras等研究者通过射影几何的相关知识，提供了在任意两张图像之间拥有两个和Kruppa方程差不多的先知条件。Kruppa方程思想是把外极线的相关转换和绝对二次曲线所形成的平面图像相互关联在一起，它只是由摄像机的内参数所决定而与摄像机的外参数没有关系，所以我们能够利用它的这一性质来获得摄像机的内参数。但是由于计算Kruppa方程存在一定的难度，大家总结出一种分层
10、次，分步骤进行摄像机定标的思想，它需要第一步进行射影重建，然后在第一步完成的前提下，在进行舍相机定标。他主要方法有以下几种：Hartley的QR分解法，Triggs的绝对二次曲面法和Pollefeys的模约束法。而国内的张正友提出了一种新的摄像机定标方法，它主要是基于平面模板的摄像机定标算法，这种方法是摄像机自标定和传统摄像机定标之间的一个算法，这种定标算法是通过圆环点来提供摄像机内部参数的限制条件，通过求解线性方程的方法来计算出摄像机的内部参数，然后在考虑到镜头畸变，最后使用最大似然法进行求精，经过大量的实践证明，这种方法还是具有非常高的精度和比较强的鲁棒性的。他主要通过个画有精准点阵序列的
11、二维平面模板。可是这样我们就肯定得考虑模扳和模板之间的如何进行配对的问题。而后，孟晓桥和胡占义等提出了一种利用直线和圆的平面模板来进行摄像机定标的算法，虽然这类模板并不存在匹配的问题，但是它对畸变参数的求解还是存在一定的困难。 相机标定使用的方法是数学解析的方法，在标定的过程中利用数学的方法对图形中获取的数据进行处理。 相机标定技术有两大方面，即相机模型和相机标定，两者互为关联相机模型决定要采用的标定方法。相机标定的主要内容为：建立成像模型和求解相机参数。相机的成像模型包括线性模型和非线性模型，线性成像模型是根据小孔成像原理，建立像点和对应物体表面空间点的几位置关系，描述的是理想情况，即像点投
12、影中心和空间点三者是共线关系。实际中像点位置会偏移理想像点位置，造成像点投影中心和相应空间点的共线关系受到破坏，所以需要建立非线性模型。一个完整的成像模型应当包括线性模型和非线性模型。 相机标定方法有：传统相机标定法、主动视觉相机标定方法、相机自标定法。（1）传统相机标定法需要使用尺寸已知的标定物，通过建立标定物上坐标已知的点与其图像点之间的对应，利用一定的算法获得相机模型的内外参数。根据标定物的不同可分为三维标定物和平面型标定物。三维标定物可由单幅图像进行标定，标定精度较高，但高精密三维标定物的加工和维护较困难。平面型标定物比三维标定物制作简单，精度易保证，但标定时必须采用两幅或两幅以上的图
13、像。传统相机标定法在标定过程中始终需要标定物，且标定物的制作精度会影响标定结果。同时有些场合不适合放置标定物也限制了传统相机标定法的应用。传统标定方法中有一种是Tsai两步标定法，它是根据相机的径向畸变模型利用径向排列约束条件提出一种两阶段标定方法：首先根据径向排列约束求解出大部分模型参数，然后通过非线性搜索方法求解畸变系数有效焦距等参数。完整的标定步骤包括制定定标板和获取标定图像序列特征点提取直接线性定标非线性优化和校正。（2）自标定法：该方法不需要借助于任何外在的的特殊标定物，仅仅利用了图像对应点的信息，直接通过图像来完成标定任务。这种定标思想给相机自标定方法提供了很大的灵活性，也是计算机
14、视觉技术面向范围更广阔。在许多应用中，由于要经常改变相机的参数，因此需要经常给相机进行定标，而传统的相机定标方法在此便不再适用。（3）主动视觉相机标定方法就是根据自主的获取图像数据线性的求解相机模型参数。这种方法的主要优点是在标定过程中已知了相机的运动信息，所以相机的模型参数可以线性求解。 对于自动对焦，国外对该领域的研究相对于国内起步比较早。例如，1970年美国斯坦福大学J.M.Tenenbaum开展了计算机视觉系统的自动对焦，起根据图像的特征提取离焦信号，通过调制梯度作为自动对焦的评价函数，实现了比较好的对焦效果。1983年，英国瑞丁大学物理系Grembeby.J.B提出了调制传递函数作为
15、离焦判据，这一判据已经被光学界所接受，成为评价图像品质的一种很好的标准。随着自动对焦技术理论研究的不断完善和CCD技术的迅速发展，目前则更关注面向高精度的直接对焦系统在实际系统中的应用，利用CCD用于工业图像检测也越来越广泛。而国内目前很多高校、科研院所及企业单位致力于研究开发对焦系统，虽然自动对焦系统研究起步比国外晚，但也取得了巨大成果。例如1985年，上海光学仪器研究所采用光学的自准直方法研制完成集成电路光刻机自动对焦装置。1992年，哈尔滨工业大学光学仪器教研室研制完成图像检测式频带切割差动比较CCd自动对焦系统，使我国在图像检测自动对焦领域的研究跟国外80年代的研究水平相当。 自动调焦
16、系指由照相机根据被摄体距离的远近，自动地调节镜头的对焦距离。根据所基于的原理，可以分成测距法和像检测法(又称调焦检测法)两大类。主动式红外系统属于测距法中的一种。这种系统的工作程序，是从照相机发光元件发射出一束红外线光，照射到被摄物主体后反射回照相机，感应器接收到回波。照相机根据发光光束与反射光束所形成的角度来测知拍摄距离，实现自动对焦。 采用这种方式的相机，因为是由自身发出照射光，所以其对焦精度与被摄物的亮度和反差无关，即使是室内等较暗的环境下，也可以顺利地拍摄。但是，由于这种方式是以被摄物反射的红外光为检测对象，所以对反射率较低的被摄物，以及与此相反，表面有反射的被摄物，或面积太小的被摄物
17、，有时不能发挥其功能。自动调焦这里选用像检测法，它属于被动型，主要有两种形式：对比度检测系统和相位检测系统。这是利用当影像最清晰时，成像的反差最大的原理而制成的，与手动调焦的磨砂屏焦点检测法的原理相似。 确定了相机标定的方法以及模型和自动对焦方法后，现在讨论一下这种定标相对于其他的定标方法的优势和不足：优点是能很好的反映像差，模型的精度高于其他类型，缺点为计算量较大，鲁棒性降低，但随着计算机的计算速度的不断迅猛提高，这些问题也能够相应的慢慢解决。二研究内容 使用尺寸已知的的标定物，通过建立标定物上坐标已知的点与起图像之间的对应。首先要求解出用以表示从3D景物到2D图像平面的投影的矩阵。这个矩阵
18、一般有11个自由度，并且摄像机的一些性质，例如它的中心和焦距等，都可以从中抽取。利用非线性定标模型，解决相机图像中的几个问题，例如：几何畸变、散射、光晕、削波与逆变、量化效应等。通过对这个相机标定算法及自动对焦系统的编程，实现相机标定物设计及自动调焦软件，其运行环境为windows，其开发软件选定为Visual C+6.0。该软件要达到的功能为：有交互式界面，包括打开相机拍照定标验证退出等步骤，能够满足了现代工业生产检测在测量精度测量范围的要求。三研究进度 开题 一周 （第 5 周） 外文科技资料翻译 一周 （第 6 周） 初步熟悉Visual C+软件 一周 （第 7 周） 熟悉使用Visu
19、al C+进行程序设计 一周 （第 8 周） 使用Visual C+进行图形界面设计 一周 （第 9 周） 确定相机标定方法模型 一周 （第 10 周） 设计标定物 一周 （第 11 周） 推导定标算法 一周 （第 12 周） 完成相机标定自动调焦软件 一周 （第 13 周） 绘制工作图 一周 （第 14 周） 撰写毕业论文 一周 （第 15 周） 制作答辩电子稿，准备答辩 一周 （第 16 周） 毕业答辩准备 一周 （第 17 周）四论文工作量的估计 论文工作量适中五预期达到的目的 （1）外文科技资料翻译（30000 字） （2）计算机胡值得装配图1张（2#） （3）Visual C+程序一
20、份 （4）论文一份打印稿（用学校规定的稿纸），约30-40页 （5）用PowerPoint 制作论文答辩电子稿1份六存在的问题及拟采取的解决措施 对计算机视觉了解不多，对相机标定的方法模型以及标定算法不够了解，对Visual C+软件掌握不够，不能成熟操作。 抓紧复习专业知识，学习Visual C+软件，查阅相关资料，对计算机视觉深入了解，学习相机标定的方法模型以及其算法。七参考文献1、谭浩强，C+程序设计，清华大学出版社，北京，20042、谭浩强，C+程序设计实践指导，清华大学出版社，北京，20043、黄宜国，空间解析几何，复旦大学出版社，上海，20044、马颂德、张正友，计算机视觉计算理论
21、与算法基础，科学出版社，北京 20015、吴立德，计算机视觉，复旦大学出版社，上海，19936、kuffman J,Thangarathinam T.ASP.NET2.0 数据库入门经典，第四版，北京，清华大学出版社，20067、舒远、谈正、丁礼儒，利用空间正交约束的相机自标定和三维重建J，西安交通大学学报，2005，39（2）：138-1428、章毓晋，图像处理与计算机视觉，清华大学出版社，北京，20009、莆田、方庆吉、倪国强，基于对比度的多分辨率图像融合J，电子学报2000,28（12）：598-60210、贾云得，机器视觉，科学出版社，北京，200011、王斌，摄像机定标与单视测量技术
22、研究，西安电子科大硕士研究生论文，西安200112、刘阳、王福利等，黑白棋盘格角点检测算法，东北大学学报，沈阳，200713、Richard.Sreliski, 计算机视觉;算法与应用，清华大学出版社，201214、高满屯，计算机视觉研究中的投影理论和方法，西北工业大学出版社，199815、杨淑莹，图形模式识别VC+技术实现，清华大学出版社16、韦穗，计算机视觉中的多视图几何，安徽大学出版社17、David.Rogers，石墩英等译，计算机图形学的算法基础18、贾永红，计算机图像处理与分析，武汉大学出版社19、孙龙祥、程义民，深度图像分析，电子工业出版社20、Hecht.E.,and A.Za
23、jac.1974,Optics.Addition-wesley,reading,MA21、张秋梅，数码相机自动对焦算法的研究与实现，西北工业大学硕士学文论文，2006指导教师意见： 签名：开题评议小组成员： 开题评议小组意见：（包括对论文的选题、难度、进度、工作量、论文形式意见）：1. 论文选题: 有理论意义； 有实用价值； 有理论意义与实用价值； 意义不大。2. 论 文 的难度: 偏高； 适当； 偏低。3. 论文的工作量: 偏大； 适当； 偏小。4. 进度: 可行； 不可行；5. 学生开题报告中反映出的综合能力和表达能力: 好； 较好；一般； 较差。6. 论文形式意见： 可行； 不可行；7.
24、 对论文选题报告的总体评价: 好； 较好； 一般； 较差。（在相应的方块内作记号“”） 评议结论是否同意论文选题报告： 同意； 需重作（在相应的方块内作记号“”） 评议小组组长签名： 年 月 日学院意见年 月 日备注：本科生毕业设计论文开题报告要求1. 本科生选题报告内容应包括：选题目的与背景、主要研究内容和方案、预期达到的目标。2. 本科开题报告由各专业负责安排，公开进行；开题小组人员3人以上。3. 学生在规定的时间内，写出选题报告初稿，经指导教师审阅同意后，由各专业安排开题报告时间；开题学生自述5分钟，提问5-10分钟。开题报告未通过者，需重新开题。4. 开题报告必须按期完成；如有问题应及时向所在专业或导师提出。5. 开题报告统一用A4纸、正反两面打印。