第第3章章图像采集图像采集3.1 采集装置3.2 采集模型3.3 采集方式3.4 摄像机标定第第3章章图像采集图像采集图像采集：获取图像的技术和过程。利用几何学原理，解决场景中目标投影在图像中什么位置的问题，利用辐射度或者光度原理，建立场景中目标亮度与图像中对应位置的灰度之间的联系。采集装置（照相机和摄像头）性能指标：空间分辨率和幅度分辨率3.1 采集装置为采集数字图像，采集装置需要包括两种器件(1)传感器：对某个电磁能量谱波段（如X射线、紫外线、可见光、红外线等）敏感的物理器件，它可以接收辐射并产生与所接收到的电磁辐射能量成正比的（模拟）电信号(2)数字化器：将上述（模拟）电信号转化为数字（离散）的形式2.1 采集装置3.基本性能指标基本性能指标(1)线性响应：输入信号强度与输出响应之间是否为线性(2)灵敏度：绝对灵敏度，相对灵敏度(3)信噪比：有用信号与无用干扰的比值(4)阴影（不均匀度）：输入信号为常数，而输出的数字不为常数(5)快门速度：每次采集拍摄所需的时间(6)读取速率：信号从敏感单元读取信号的速率3.1 采集装置3.2 采集模型图像采集中的主要模型包括几何成像模几何成像模型型和亮度成像模型亮度成像模型3.2.1几何成像模型3.2.2亮度成像模型3.2.3空间和幅度分辨率3.2.1几何成像模型图像采集的过程从几何角度可看作是一个将客观世界的场景通过投影进行空间转化的过程投影成像涉及到在不同坐标系统之间的转换(1)世界坐标系统：XYZ(2)摄像机坐标系统：xyz(3)图像平面坐标系统：xy 一般取图像平面与摄像机坐标系统的xy平面平行，且x轴与x轴、y轴与y轴分别重合3.2.1几何成像模型1.重合模型重合模型摄像机坐标与世界坐标重合3.2.1几何成像模型齐次坐标齐次坐标世界坐标齐次坐标摄像机坐标笛卡尔坐标2.分离模型分离模型摄像机坐标与世界坐标不重合图像平面（原点）与世界坐标系统的位置偏差用矢量D表示，其分量分别为Dx，Dy，Dz。摄像机的扫视角（x和X轴间的夹角）为，而倾斜角（z和Z轴间的夹角）为a第3章3.2.1几何成像模型2.分离模型分离模型平移旋转第3章3.2.1几何成像模型3.2.1几何成像模型2.分离模型分离模型一个满足几何关系的摄像机观察到的齐次世界坐标点在摄像机坐标系统中具有如下的齐次表达3.2.1几何成像模型2.分离模型分离模型这个不重合的摄像机模型可通过以下一系列步骤转换为前面的重合模型：3.2.1几何成像模型2.分离模型分离模型将图像平面原点按矢量D移出世界坐标系统的原点；以某个角（绕z轴）扫视x轴；以某个a角将z轴倾斜（绕x轴旋转）3.2.2亮度成像模型1.景物亮度景物亮度场景中景物本身的亮度亮度与光辐射的强度有关对不发光的景物，要考虑其他光源对它的照度照度照度和均匀照度照度和均匀照度3.2.2亮度成像模型1.景物亮度景物亮度3.2.2亮度成像模型2.图像灰度图像灰度照度分量反射分量图像点灰度值空间位置的亮度照度函数反射函数3.2.3空间和幅度分辨率空间分辨率空间分辨率（即数字化的空间采样点数）幅度分辨率幅度分辨率（即采样点值的量化级数）辐射到图像采集矩阵中光电感受单元的信号在空间上被采样采样，而在强度上被量化量化3.2.3空间和幅度分辨率图像的尺寸为MN用G个灰度值将这些量均取为2的整数次幂存储一幅图像所需的数据量由图像的空间分辨率和幅度分辨率决定存储一幅图像所需的位数b3.3 采集方式3.3.1成像方式一览3.3.2结构光法3.3.1成像方式一览3.3.2结构光法在采集图像时直接获取深度信息的方法利用照明中的几何信息来帮助提取景物自身的几何信息结构光成像结构光成像成像高度中包含了成像高度中包含了3-D的深度信息的深度信息 3.3.2结构光法成像宽度成像宽度结构光成像不仅能给出空间点的距离Z，同时也能给出沿Y方向的物体厚度3.4 摄像机标定3.4.1标定程序和步骤3.4.2两级标定法3.4.1标定程序和步骤成像模型建立了根据给定的世界坐标点W（X，Y，Z）计算它的图像平面坐标（x,y）的表达式。相机参数的影响相机参数的影响：相机自身特点、摆放位置：相机自身特点、摆放位置 摄像机的标定摄像机的标定：借助相机的已知点（对应坐标系钟的坐标）来：借助相机的已知点（对应坐标系钟的坐标）来获取摄像机参数的计算过程称为摄像机标定（也称为摄像机定获取摄像机参数的计算过程称为摄像机标定（也称为摄像机定标、校准或校正）标、校准或校正）3.4.1标定程序和步骤1、标定程序标定程序令A=PRT，A中的元素包括摄像机平移、旋转和投影参数获得M6个具有已知世界坐标(Xi,Yi,Zi)的空间点实际应用中常用25个以上的点，再借助最小二乘拟合来减小误差。用摄像机拍摄这些点以得到图像平面坐标(xi,yi)把这些坐标代入上两式以解出未知系数3.4.1标定程序和步骤2、标定步骤标定步骤第1步：标定旋转矩阵R和平移矢量T第2步：标定焦距l第3步：标定镜头径向失真系数k第4步：标定不确定性图像尺度因子m外参内参3.4.2两级标定法先外部参数，即摄摄像像机机姿姿态态参参数数（如摄像机的位置和方向或平移、扫视角和倾斜角）后内部参数，摄摄像像机机自自身身参参数数（如焦距、镜头径向失真、不确定性图像尺度因子）如果m 已知，标定时只需用一幅含有一组共面基准点的图像即可如果m未知，标定时需用一幅含有一组不共面基准点的图像小结采集装置及其性能指标几何模型成像方式摄像机标定