研究发现:数码相机的温度变化会影响拍摄图像的质量!

   电子分析员        

在光力学研究中,由于数码相机热变形而产生的与电阻应变测量方法相同大小的热诱导测量误差,极大地降低了高精度测量的精度,因此必须进行补偿。从热诱导测量误差的基本机理出发,研究了广泛应用于光力学中的数码相机热行为引起的像差。通过实验确定了热行为与温度的关系,导出了光力学方法的成像误差与测量误差之间的关系,并建立了一个物理模型来解释热诱导测量误差与温度之间的根本关系。在对其机理进行研究的基础上,介绍了三种光力学温度补偿方法,即模型补偿法、预热法和补偿试样法。实验证明了这些补偿方法的可行性。模型补偿法只需要数字相机运行过程中的环境温度数据,就可以实现对测量结果的校正,提高光力学法的测量精度。该方法适用于环境温度几乎恒定的室内摄影力学测量,可保证数码相机经过一段时间的自热后表面热平衡。补偿试样方法降低了图像的有效分辨率,同时要求试样区域内的图像误差形式与补偿试样区域内的图像误差形式相同。


相关论文以题为“Mechanism and Compensation of Measurement Error Induced by Thermal Deformation of Digital Camera in Photo Mechanics”发表在《Applied Sciences》上。




在实验力学中,光力学和电阻应变测量通常被认为是两种最重要和应用最广泛的方法。对于后者,研究人员相信温度变化是引入测量误差的主要因素。此外,还采用了以电桥补偿技术为代表的一系列温度补偿技术作为标准误差修正方法。这些技术表明电阻应变测量是一种高精度的测量方法,适用于长时间、复杂环境的实验力学测量。最近的研究表明,在光力学方法中,温度是引起测量误差的一个重要因素,正如电阻应变测量一样。


总之,现有的温度补偿方法包括补偿标本方法使用电阻应变测量中的温度补偿的概念,而建立数学表达式的thermal-induced错误以及建立简化的物理模型基于机械相机组件的热变形。这些方法要么没有解决热诱导测量误差的潜在物理机制,要么没有完全调查机制。因此,这些方法在实际应用中存在局限性,甚至可能无效。目前,研究热致测量误差的基本机制和通用的温度补偿方法仍是一个有待解决的问题。人们普遍认为,实现高精度的光力学测量方法是一个重大挑战。


因此,在这项研究中,研究人员确定了可能导致图像误差的机械相机组件的热行为。然后通过光学成像关系建立了基于这些热行为导致成像误差的物理模型,分析了在光力学测量中成像误差与测量误差的关系。在这些研究的基础上,研究人员可以清楚地识别引起热诱导测量误差的潜在机制。然后介绍了三种温度补偿方法,即模型补偿法、预热法和补偿试样法。实验证明了这些补偿方法的可行性。


图像误差建模


广泛应用于摄影力学测量的典型数码相机系统主要由相机机箱、支架、镜头、CCD焦平面和固定相机的机械装置组成。摄像系统一旦开始工作,其自热与环境温度耦合作用产生的传热将导致温度变化,进而产生上述部件的热行为。图1给出了可能导致图像误差的热行为。这些热行为包括旋转(AcX、AcY AcZ)和变形(δcZ)相机的情况下,变形(δmZ)山,变形(δlZ)的镜头,旋转(ACCDX、ACCDY ACCDZ)和翻译(tCCDX、tCCDY tCCDZ) CCD焦平面相对于相机的情况以及变形(δCCDX和δCCDY) CCD本身的翻译(tcY)整个相机系统由热变形引起的固定装置。



图1.用于光力学测量的典型数码相机系统中元件的热行为。


图2展示了在上述热行为发生之前和之后空间中一点的成像光路。在发生热行为之前,根据中心透视投影模型,空间点P在世界坐标系(OW-XWYWZW)中的坐标(XPW, YPW, ZPW)与其在像素坐标系(os-xsys)中的坐标(xps, yps)之间的定量关系可以表示为:



其中R和T分别为世界坐标系(OW-XWYWZW)和相机坐标系(OC-XCYCZC)之间的旋转矩阵和平移向量。Cx和Cy主点的坐标在图像像素坐标系(os-xsys), dx和dy表示一个像素的物理尺寸沿x和y方向,分别v是图像距离,ZPC Z-directional坐标空间的点在摄像机坐标系(OC-XCYCZC)。



图2.发生热行为前后的成像光路,其中L1和L2分别为相机壳体旋转中心与光学中心之间的z方向距离和y方向距离,x方向距离设为零。假设CCD焦平面的旋转中心为主点。


结合上式建立了基于热行为的图像误差模型。接下来,模拟每种热行为产生的图像误差,图像误差的形式如图3所示。表1列出了每种热行为对应的错误形式。



图3.热行为引起的不同形式的图像误差。


表1.误差形式对应于每种热行为。



图4为所研究的摄像系统在真实实验条件下,温度变化引起的像素漂移。可以看出,实际的图像误差是上述误差形式的组合,而每种误差形式的影响程度是不同的。对上述热行为进行了实验研究,并分析了热行为引起的成像误差。这样做是为了消除对图像误差影响不大的热行为,简化前面讨论的图像误差模型。



图4.在真实的实验条件下,像素漂移。


针对特定相机系统的图像误差模型的开发和验证


在本节中,研究人员将讨论所选相机系统对温度变化的热响应,该系统由IPX-16M3-L CCD相机和Sigma macro 105-mm F2.8DG镜头组成。研究人员评估了这些热响应对图像采集的影响,并利用所研究的摄像机系统开发了特定的热诱导图像误差模型。


图5显示了实验安排测量旋转的反应(AcX、AcY AcZ)和翻译(δcZ)相机的情况下温度变化两种类型的固定模式,例如,一个简单的固定模式用一个接触点与多个接触飞机和一种改进的固定模式。采用高精度激光位移传感器测量相机自热过程中的热旋转和平移。同时,利用热传感器测量相机外壳的温度。在图5b中,热旋转(AcX、AcY和AcZ)和平移(翻译cZ)被绘制成相机外壳温度的函数。与简单的固定模式相比,改进的固定模式可以有效地消除相机机壳的热旋转和平移,并进一步消除对图像采集的不利影响。



图5.不同固定模式下相机壳体热行为的实验研究:(a)实验设置示意图;(b)热行为随相机壳体温度的变化。


结论


当使用对温度变化敏感的相机系统以光力学方法捕捉图像和进行测量时,温度是引入大量图像误差的重要因素,进而导致光力学中的测量误差。这些错误必须消除或补偿。针对这一主要问题,本文首先研究了光力学方法中热诱导测量误差的基本机制,并进一步建立了一个物理模型来阐明温度与热诱导测量误差之间的定量关系。其基本机理表明:(a)相机机械部件,包括相机机箱、机座、镜头和CCD焦平面,具有温度变化的热行为。这些行为包括热变形、旋转和平移。(b)研究人员认为,照相机组件的这些热行为在图像几何形状上产生微小的变化,导致不可避免的热引起的误差。(c)利用改进相机固定模式的策略,可以有效地减少甚至消除一些热行为,这可能有助于提高光力学方法的测量精度。


最后,需要指出的是,不同相机系统的机械部件对温度变化的响应不同,这可能导致误差模型略有不同,而这可以通过本文充分说明的分析方法得到。重要的是,本文提出了建立温度与热诱导测量误差之间的定量物理关系的思想,并介绍了一些有效的光力学测量温度补偿方法。这些研究都有助于利用实验力学提高光力学的测量精度。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3422/htm



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