目前，面陣CCD攝像機(jī)多為工業(yè)與保安監(jiān)控用機(jī)，而對(duì)其成像的幾何性能和量測(cè)精度都知之甚少。在利用面陣CCD攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的系統(tǒng)中，CCD攝像機(jī)所產(chǎn)生的誤差是系統(tǒng)中的主要誤差。而這種誤差是在圖像輸入的過(guò)程中產(chǎn)生的，它影響系統(tǒng)的測(cè)量精度，因而是不可忽視的。所以很有必要對(duì)CCD攝像機(jī)所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析與檢校，以便對(duì)系統(tǒng)的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

    CCD攝像機(jī)所產(chǎn)生的誤差主要由它的光學(xué)成像鏡頭，CCD器件本身的質(zhì)量以及圖像采集裝置(含圖像采集卡等)共同產(chǎn)生。一般分為光學(xué)誤差、機(jī)械誤差和電學(xué)誤差。

    光學(xué)誤差主要是指影響影像幾何精度的CCD攝像機(jī)的光學(xué)鏡頭所產(chǎn)生的鏡頭畸變差。它包括徑向畸變差和切向畸變差(鏡頭的這種誤差早在六、七十年代就已作過(guò)深入的研究，由于CCD攝像機(jī)鏡頭與普通照相機(jī)鏡頭沒(méi)什么差別，故其研究結(jié)果可以直接引用)。鏡頭的這種畸變差在影像上一般表現(xiàn)為中心小而周邊較大。

    機(jī)械誤差主要是指CCD器件質(zhì)量不好，即CCD機(jī)械加工安裝時(shí)造成的CCD面陣的幾何誤差。也就是說(shuō)象元排列不規(guī)則而使影像產(chǎn)生的幾何誤差，它包括象素定位不準(zhǔn)，行列不直及相互不垂直等誤差。此外還有CCD不同的象元對(duì)相同的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換得到的灰度值有差異的象元敏感不均勻性誤差。隨著現(xiàn)代加工工藝水平的提高，這種誤差較其它誤差要小的多。因而一般不予考慮。

    電學(xué)誤差主要是指CCD在光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，電荷在勢(shì)阱中的傳遞以及A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所產(chǎn)生的影像幾何誤差。它主要包括行同步誤差、場(chǎng)同步誤差和象素采樣誤差。主要原因是光電信號(hào)轉(zhuǎn)換不完全、信號(hào)傳遞后滯以及CCD驅(qū)動(dòng)電路電壓及頻率不穩(wěn)等因素造成。

    下面分別介紹CCD攝像機(jī)所產(chǎn)生的光學(xué)誤差、電學(xué)誤差及其誤差檢測(cè)與分析。

一、CCD攝像機(jī)的光學(xué)誤差
    CCD攝像機(jī)的光學(xué)誤差即CCD攝像機(jī)鏡頭的畸變差。由于CCD攝像機(jī)的物鏡與普通攝影物鏡無(wú)異，而這部分誤差早在六、七十年代就已作過(guò)相當(dāng)細(xì)致而深入的研究，其結(jié)果可直接應(yīng)用。

    對(duì)畸變差的改正，可采用二次多項(xiàng)式擬合法?；儾钪械木€性部分可用二維DLT(直接線性變換)算法改正。下面主要討論非線性誤差的改正。

一般非線性的物鏡畸變差可表示如下：
式中：x，y是象點(diǎn)的坐標(biāo)儀坐標(biāo);
x0，y0是像主點(diǎn)在坐標(biāo)儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo);
k1,k2,k3…是待定的對(duì)稱物鏡畸變系數(shù);
p1,,p2是待定的非對(duì)稱物鏡畸變系數(shù);
r是向徑，

    如果考慮物鏡畸變差非線性部分，只要把△x,△y代入二維DLT基本關(guān)系式即可。這里取△x=k1(x-x0)2,△y=k1(y-y0)2。因此可得：

亦即是：
    在有多余控制點(diǎn)的情況下，可以列出式的誤差方程和法方程式如下：

    在解算出k1系數(shù)后，就可以對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行改正，從而可以消除或減弱畸變的影響。

    在上面求解k1系數(shù)的過(guò)程中，需要事先知道x0，y0的初值。初值的確定方法如下：用同一CCD攝像機(jī)對(duì)一平面攝像，讓CCD攝像機(jī)與平面近似平行。

    先攝一張像片;保持?jǐn)z像機(jī)與平面位置不動(dòng)，換不同的焦距的鏡頭再攝一張像。這時(shí)由于兩次攝像時(shí)其它條件均相同，只是焦距不同，因此圖中1、2、3、4點(diǎn)在兩幅影像上的成像情況可表示。用高精度點(diǎn)檢測(cè)算法分別檢測(cè)出1、2、3、4點(diǎn)在兩幅影像上的位置1ˊ,2ˊ,3ˊ,4ˊ和1″，2″，3″，4″。分別求出過(guò)點(diǎn)1′，1〞的直線L1，過(guò)點(diǎn)2′，2〞的直線L2，過(guò)點(diǎn)3′，3″的直線L3，過(guò)點(diǎn)4′，4″的直線L4的方程。再分別求直線L1和L2，L2和L3，L3和L4，L4和L1的交點(diǎn)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。理論上，如果沒(méi)有任何誤差，這四點(diǎn)應(yīng)該重合。因此求出這四點(diǎn)的坐標(biāo)平均值x0,y0,即可認(rèn)為是CCD攝像機(jī)的主點(diǎn)位置。[nextpage]

二、CCD攝像機(jī)的電學(xué)誤差
    電學(xué)誤差即是指影像信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的影像幾何誤差(即CCD信號(hào)轉(zhuǎn)換中的誤差)。它主要包括行同步誤差，場(chǎng)同步誤差和象素采樣誤差。

    上述電學(xué)誤差統(tǒng)稱為行抖動(dòng)誤差。這種行抖動(dòng)誤差不僅影響象素的幾何位置，同時(shí)也影響象素的灰度值，即表現(xiàn)為象點(diǎn)灰度的畸變及象點(diǎn)的移位。在此誤差的影響下，若目標(biāo)中一條理想的階躍邊緣，在CCD影像上即呈一種抖動(dòng)狀。說(shuō)的簡(jiǎn)單點(diǎn)，具體表現(xiàn)在目標(biāo)中的一條直線在CCD影像上即呈非規(guī)則的抖動(dòng)狀。由此，只要檢測(cè)出直線的行抖動(dòng)，即可考慮在擬合邊緣直線時(shí)校正，所以可提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

三、CCD攝像機(jī)的誤差檢測(cè)與校正
    若使用較好的CCD器件質(zhì)量及攝像鏡頭，則主要是考慮CCD攝像機(jī)的電學(xué)誤差了。因此這里主要是分析討論電學(xué)誤差即行抖動(dòng)誤差的檢測(cè)與校正。

    為了檢測(cè)出影像行抖動(dòng)誤差的大小，我們采用了以下的方法。

    1、在目標(biāo)中放置兩根懸垂的黑色鋼尺，背景為白色，鋼尺邊緣可認(rèn)為是理想的階躍邊緣。我們采用邊緣檢測(cè)算法--采樣矩陣匹配法(SampleMomentMatch.簡(jiǎn)稱SMM法)進(jìn)行邊緣檢測(cè)，可得較高的檢測(cè)精度。攝像時(shí)讓兩鋼尺基本位于影像的中部，相距較近。且鋼尺邊緣基本與影像行方面垂直，經(jīng)SMM法邊緣檢測(cè)后，利用SMM邊緣檢測(cè)算子，由各邊緣點(diǎn)分別擬合出兩條直線L1，L2，直線擬合后各邊緣點(diǎn)上的殘差，即可看作是行抖動(dòng)誤差。殘差統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表1：

線編號(hào)L1L2
最大誤差0.2510.250
殘差中誤差0.0790.078
表1(單位：象元)
線編號(hào)L3L4
最大誤差0.2450.165
殘差中誤差0.0730.070
表2(單位：象元)

    2、還是用兩根鋼尺作為目標(biāo)，與上述方法唯一不同之處是攝像時(shí)讓一鋼尺位于影像左邊緣，另一鋼尺位于影像中部。經(jīng)邊緣檢測(cè)和直線擬合(L3，L4)后，殘差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表2：

通過(guò)測(cè)試結(jié)果分析可知：
    1、行抖動(dòng)誤差可以分為低頻和高頻兩部分。低頻部分主要是行同步誤差和鏡頭畸變差所致。高頻部分主要是場(chǎng)同步誤差所為，而象元采樣誤差則可認(rèn)為是隨機(jī)誤差。行同步誤差與場(chǎng)同步誤差分別作用于每一行上，但對(duì)行上各象元的影響比較一致。而象素采樣誤差對(duì)每個(gè)象元的影響是隨機(jī)的。采用多行檢測(cè)的邊緣點(diǎn)進(jìn)行平均，對(duì)其高頻噪聲有一定的抑制作用，因而采用橫跨多行的標(biāo)志代替僅占一行或少數(shù)行的特征點(diǎn)進(jìn)行定位，可以提高定位精度。

    2、在整幅影象中，行抖動(dòng)誤差的大小并不是一致的，因此糾正只能在局部范圍內(nèi)進(jìn)行。而越到邊緣，行抖動(dòng)現(xiàn)象越明顯。如果只取奇數(shù)行或偶數(shù)行的邊緣點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，再求殘差，可以發(fā)現(xiàn)行抖動(dòng)差的數(shù)值變小了，這是因?yàn)槠渲幸巡话▓?chǎng)同步誤差影響的緣故。

    總之，行抖動(dòng)誤差是比較復(fù)雜的，只能在局部范圍內(nèi)進(jìn)行糾正。影像邊緣的行抖動(dòng)誤差大于影像中間的行抖動(dòng)誤差。檢測(cè)結(jié)果表明，行抖動(dòng)誤差在0.2~0.3個(gè)象元之間。此外，在檢測(cè)過(guò)程中，盡量采用橫跨多行的標(biāo)志代替僅占一行或少數(shù)行的特征點(diǎn)進(jìn)行定位，盡量讓目標(biāo)成象于影像中央，都有助于提高系統(tǒng)的量測(cè)精度。