下視系統靶面誤差技術研究

李禮，王紅

（國營長虹機械廠，廣西 桂林 541002）

0 引 言

下視系統由鏡頭、光電模塊和控制模塊等部件組成。由于人工等因素在生產及裝配下視系統部件時，其靶面與下視系統內部框架結構安裝定位面必然存在誤差，導致地垂點位置未能夠在理想光軸上，也就是地垂點不能夠在成像面的中心，最終導致成像與原像存在誤差，該誤差就是所謂的靶面安裝誤差。下視系統在遠距離工作時，其安裝誤差是否能夠在合適的范圍內將直接影響圖像采集的精度。由于下視系統一般高空作業，所以它的工作距離非常大，最終的結果就是微小的誤差都可能被無限放大，非常影響工作精度。因此下視系統在裝配出廠前都會對誤差進行測試標校，盡可能的通過提高加工框架精度、裝配精度等物理手段和軟件手段使其安裝誤差在可接受范圍內。

下視系統中任何誤差對采集的圖像的影響都將最終表現在像差上。通過結合實際加工和裝配情況，理論推導誤差模型及考慮在實際加工裝配時所可能產生的靶面安裝誤差影響因素，得到綜合考慮靶面指向安裝誤差以及判斷依據，并通過軟件剪切手段進行實時調試測試將地垂點移到成像中心，使成像面處于中心位置。

下視系統成像模型為小孔成像，坐標系有三大系：即世界坐標系、下視系統坐標系和圖像坐標系，如圖1所示。

圖1 下視系統測量常用坐標系及理想下視系統成像模型

記空間點在世界坐標系和下視系統坐標系中的坐標分別為（，，）、=（X，Y，Z），其投影圖像坐標為=（，），圖像主點為（C，C），等效焦距為（F，F），則理想下視系統成像共線方程為：

1 裝配誤差模型

1.1 下視系統誤差分析

在生產下視系統時，一般情況下能夠優化的是系統誤差，因為該誤差可以通過各種技術手段進行無限的降低，從而達到理想情況。但是隨機誤差是消除不了的，因為它會隨環境的改變發生變化。因此在工程上會通過固定好的技術流程進行系統誤差的修正。

下視系統靶面安裝誤差包括相對安裝位置誤差和相對指向安裝誤差。相對安裝位置誤差主要就是指各個部件在裝配時它們之間的相對固定距離，也就是所謂的下視系統的內參，因此下視系統內部各部件之間的相對位置的安裝精度直接影響到采集圖像的質量，故在裝配時需對其進行檢測和修訂。通常情況下下視系統光軸與機械結構Z 軸相同，而當在裝配過程中光電模塊未能夠與所設計的機械結構達到平行吻合，也就是機械結構的中心軸未能夠與鏡頭的光軸重合，結果就會導致光軸與像面不垂直，即地垂點未能夠在所設計的像面中心。當進行遠距離工作時，所采集的圖像就會發生偏移，導致圖像發生誤差，質量嚴重降低，最終影響匹配精度。

1.2 靶面指向安裝誤差模型

下視系統靶面指向安裝誤差是指下視系統光電模塊的光敏面與所配套的鏡頭模塊光軸相互不垂直所造成，也就是地垂點未達到理想值。如圖2所示為下視系統靶面指向安裝誤差示意圖。

圖2 下視系統靶面指向安裝誤差示意圖

系與實際下視系統坐標系間的偏差用歐拉角表示為=（，，），依次為繞相應xyz軸的旋轉角度；空間點理想坐標與實際坐標間的偏差為（dX，dX，dZ），則有坐標轉換關系：

式中R（）、R（）、R（）表示旋轉矩陣，考慮到指向安裝誤差為小量，則有：

忽略二階小量，化簡（3）式得到：

移項得到：

對共線方程（1）式兩邊求全微分，化簡得到：

將（5）式帶入（6）式得到：

將（1）式右邊代入（7）式得到指向安裝誤差模型：

根據（1）式和（8）式則可得到下視系統非線性成像模型即考慮靶面安裝誤差的成像模型：

2 調試方法研究

2.1 硬件誤差分析及調試

因為有加工、安裝誤差，所以光心坐標會有偏差。故需要先排除加工、安裝所帶來的誤差。具體確定步驟分為兩步：

（1）首先將多目標準直儀固定在兩軸或者三軸平移臺上，三軸平移臺固定在光學平臺（或自制平臺）上。

（2）將轉臺與多目標準直儀固定在同一平臺上，并粗調整平移臺，目測多目標準直儀與轉臺基本在同一水平線上。

（3）將設計的工裝固定在轉臺上，并保證兩者接觸緊密，無松動，且要保證在啟動轉臺和多目標準直儀之前確保所有參數均符合要求。

（4）在未放產品時將多目標準直儀的光軸與工裝的中心調整到同一水平線，之后將校準后的平面反射鏡粘貼在工裝的表面（工裝表面的平整度為秒級別），利用多目標準直儀發出十字準直光束，光束照射到反射鏡后返回，被準直儀上的探測器探測到并沒有角度產生，也就是出射光線與反射光線重合，這樣做的目的是保證多目標準直儀的光軸與工裝的基準面垂直。

（5）將鏡頭和光電模塊安裝到專用調整臺上，保證產品與工裝的基準面相互平行。通過多目標準直儀調整專用調整臺，并且使其與基準面垂直。多目標準直儀的光軸與鏡頭的光軸基本同軸。在室內照度小于0.1lx 條件下下視系統開始工作，如果環境光照太強，需調整曝光度，改變增益值調整到合適值后采集圖像，圖像中心可看到一小亮斑，即為光心位置。

（6）將采集的圖像進行坐標值讀取得到光學坐標值。

（7）將坐標值帶入公式中進行修正。

（8）光心的理想坐標即為成像面的中心坐標，因為有加工、安裝誤差，所以坐標有偏離。通過改變幾個角度位置信息得到單軸伺服機構的轉軸與基準面的垂直度誤差和光心坐標。伺服機構的轉軸與基準面的垂直度誤差在允許范圍內，且通過調整下視系統的圖像坐標使光心滿足要求。經過調整下視系統的圖像坐標后，光心坐標仍然不符合要求，需要將鏡頭轉動180°重新安裝，確定誤差原因。若光心坐標有2～3個象元的變化，表明鏡頭有加工或者安裝誤差，若偏離量減小，說明安裝正確；若轉動鏡頭后光心坐標仍然沒有變化，說明從軸筒到殼體之間工序的加工、裝配超差。

2.2 軟件誤差分析及調試

為了能夠在裝配下視系統時使得光電模塊的成像面的像心與鏡頭的光心在一條光軸上，不僅需要通過硬件調試裝配，而且需要配合后端處理軟件進行調試。后端圖像處理的目的就是為了讓光心在圖像的中心。目前圖像處理中圖像分割技術有很多種，本文所用的是剪切圖像處理技術，通過對圖像的剪切，能夠讓最終的成像中心位于光心。剪切原理如圖4所示，設計時考慮到安裝誤差等因素，故設計的光電模塊實際象元大小為516×516，但在裝配后所使用象元大小為512×512，在安裝調試時就會有4×4 的象元區域可調整，如圖中黑色框圖所示。

圖4 確定圖像中心原理

通過利用算法將處理軟件中的trace（，）坐標進行特定修改后，圖像最終的成像面將發生改變，而像心也將發生改變，如圖紅色點和淺藍色點所示。當把左上角作為原點，為橫坐標，為縱坐標，那通過軟件能夠調整坐標為（，）對應（0～3，0～3），中心坐標為（256，256）。選取圖像中心算法公式為：

具體實施方式：

（1）通過利用圖3所示測試設備進行像心的測試。利用硬件調試步驟，將不裝配殼體組件的光電模塊安裝上鏡頭后，通過調試工裝安裝到專用調整臺上，通過分束鏡使得平行光與專用調整臺的基準面垂直，并且平行光與鏡頭的光軸基本同軸。在室內照度小于0.1lx 條件下下視系統開始工作，如果環境光照太強，需調整曝光度，改變增益值調整到合適值后采集圖像，圖像中心可看到一小亮斑，即為光心位置。

圖3 測試設備布局圖

（2）通過調整trace 坐標進行定位。前文也提到，像心坐標的理想值為（256×256），因為有加工安裝誤差，所以坐標有偏差。通過三個角度位置的圖像得到轉軸與基準面的垂直度誤差和像點坐標。轉軸與基準面的垂直誤差在允許范圍內，且通過調整下視系統的圖像坐標（trace 坐標）使像點坐標滿足要求。經過trace 坐標調整像心點坐標扔不符合要求，需要將鏡頭轉180°重新安裝，確定誤差原因：若像心點坐標有2～3 個像元的變化，表明鏡頭有加工或安裝誤差；偏離量減小為正確安裝；若像心點坐標沒有變化，表明從軸筒到殼體之間工序的加工、裝配超差。

3 結 論

由于工藝水平的限制，下視系統靶面不可避免地存在鏡頭和光電模塊的位置安裝誤差和指向安裝誤差，為了消除靶面裝配誤差的影響，通過結合實際加工和裝配情況，理論推導誤差模型及考慮在實際加工裝配時所可能產生的靶面安裝誤差影響因素，得到綜合考慮靶面指向安裝誤差以及判斷依據。通過設計測試平臺以及利用后端處理軟件，能夠非常便捷的實現軟硬件的調試，為下視系統的流水線生成提供了非常好的調試方案。