摘 要

根据在机器视觉检测系统应用中的需要，工业相机主要是完成对工件照片的拍摄采集，因此相机作为系统的核心部件之一其准确性就显得非常重要。本文主要研究了工业相机的标定和图像操作工具设计问题。

针对相机参数的标定方面一般来讲主要包括相机的内部参数、外部参数和视觉当量的标定三个部分。本文通过建立和分析相机成像的几何模型以及相机的畸变模型阐明了相机畸变和标定的原理，然后利用两步法的思想，基于张正友2D平面靶标标定方法利用Halcon软件设计了相机标定程序。相机的标定程序分为离线相机内部参数标定、在线相机外参及视觉当量标定程序和相机标定结果准确性验证程序。

同时针对相机的标定方法进行了与之对应的相机标定系统的设计，主要包括标定板靶标设计、实验台设计和辅助标定结构设计。最后通过离线在线实验操作验证分析了标定算法的准确性。

针对图像操作工具的设计则是利用数字图像处理方法，在Visual Studio软件中基于Halcon控件设计了图像采集、感兴趣区域选取、图像标注、图像缩放平移等程序，并利用C#语言完成了软件界面设计，最后通过实验验证了设计的图像交互工具的功能可以达到要求。

关键词：相机标定；靶标设计；图像操作工具；数字图像处理

Abstract

According to the needs of the machine vision detection system, the industrial camera is mainly to complete the shooting of the workpiece photo acquisition, so the camera as one of the core components of the system accuracy is very important. This paper mainly studies the calibration of industrial cameras and the design of image operation tools.

The calibration aspects of the camera parameters generally include the camera's internal parameters, external parameters and visual equivalent of the three parts of the calibration. Based on the geometric model of camera imaging and the distortion model of camera, this paper clarifies the principle of camera distortion and calibration. Then, based on Zhang Zhengyou 2D planar target calibration method, the camera calibration program is designed by Halcon software. The calibration procedure of the camera is divided into the internal parameters of the off-line camera calibration, the online camera outside the visual equivalent calibration program and the camera calibration result accuracy verification procedure.

At the same time, the camera calibration method is designed for the calibration method of the camera, including the design of the calibration plate, the design of the test bed and the design of the auxiliary calibration. Finally, the accuracy of the calibration algorithm is analyzed by online experiment.

The design of image manipulation tool is based on the use of digital image processing method, in the Visual Studio software based on Halcon control design of the image acquisition, region of interest selection, image labeling, image scaling and other procedures, and the use of C # language to complete the software interface design , And finally through experiments to verify the design of the image interactive tool function can meet the requirements.

Key Words：Camera calibration; target design; Image manipulation tool; digital image processing

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状及发展前景 1

1.2.1 研究现状 1

1.2.2 发展前景 2

1.3论文研究内容 3

第2章相机基础标定知识 4

2.1 镜头和相机 4

2.1.1 镜头 4

2.1.2 相机 5

2.2 相机标定坐标系 6

2.2.1 图像坐标系 7

2.2.2 摄像机坐标系（Xc, Yc, Zc） 7

2.2.3 世界坐标系（Xw, Yw, Zw） 8

2.3 相机成像模型 8

2.3.1 针孔相机模型 9

2.3.2 远心相机模型 10

2.4 相机畸变模型 11

2.3.1 径向畸变 11

2.3.2 切向畸变 12

2.3.3 薄棱畸变 12

2.4 相机标定参数 13

2.5 图像处理 13

2.5.1 图像增强 13

2.5.2 图像分割 14

2.5.3 图像边缘 14

2.6 中心特征提取 16

2.6.1 重心法 16

2.6.2 椭圆拟合法 16

第3章 相机标定方案设计 17

3.1 相机标定方法 17

3.2 标定系统设计 19

3.2.1 标定板设计 20

3.2.2 辅助标定结构设计 24

第4章 图像操作工具设计及实验 27

4.1 图像采集 28

4.2 图像缩放和平移 29

4.3 感兴趣区域选取和区域标注 30

第5章 相机标定过程和实验 31

5.1 相机标定过程 31

5.1.1 相机内参标定 31

5.1.2 相机外参和视觉当量标定 33

5.2 标定实验 35

5.2.1 相机内参标定实验 35

5.2.2 相机外参和视觉当量标定实验 37

5.1 相机标定结果及评价 39

第6章 总结和期望 41

6.1 工作总结 41

6.2 未来期望 41

参考文献 42

附录 44

附录A:标定程序 44

附A1:普通定焦相机标定程序 44

附A2:远心定倍相机标定程序 49

附A3:标定验证程序 55