專利名稱：投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的多點擬合標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)定方法，具體是一種投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的多點擬合標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)光三維面形成像系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，其中，投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀參數(shù)的精度與三維測量數(shù)據(jù)的精度有著直接聯(lián)系。因此，如何實現(xiàn)投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的高精度標(biāo)定對保證三維測量的精確性有著重要的研究意義。然而，目前現(xiàn)有的一些利用結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)三維成像的系統(tǒng)中，對結(jié)構(gòu)光大都采取目測估計的方法，人為因素影響較大，而主要的投影結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定方法存在問題是(1)將投影結(jié)構(gòu)光假設(shè)為平面，過于簡單，由于用于生成結(jié)構(gòu)光的投影裝置在制作、安裝中不可避免地出現(xiàn)誤差，特別是以投影儀為代表的結(jié)構(gòu)光投影裝置不可避免地存在光學(xué)畸變，投影裝置發(fā)出的投影結(jié)構(gòu)光往往都有變形，故只將投影結(jié)構(gòu)光假設(shè)為平面在實際應(yīng)用時存在較大缺陷；(2)現(xiàn)有投影結(jié)構(gòu)光標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，需要特殊的工作臺，操作過程要求高。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開(公告)號CN1570553A，名稱為“型面光學(xué)測量系統(tǒng)綜合標(biāo)定方法”，雖然提出了攝像機與投影儀及測量系統(tǒng)的綜合標(biāo)定，但該方法僅對投影儀進行了標(biāo)定，標(biāo)定了投影儀的光學(xué)參數(shù)，并未完成對結(jié)構(gòu)光自身的標(biāo)定，對于其他任意裝置產(chǎn)生的投影結(jié)構(gòu)光標(biāo)定不具有廣泛的應(yīng)用價值。此外，該方法首先需要特制標(biāo)定板，其精度與一致性均不易控制，直接影響標(biāo)定精度。并且在標(biāo)定過程中，當(dāng)標(biāo)定板傾斜放置時，要使投影儀投影的菱形方格陣列正好位于標(biāo)定板的白色間隙內(nèi)非常困難，標(biāo)定板的位置擺放局限性很大，無法充分獲取攝像機視場角范圍內(nèi)標(biāo)定數(shù)據(jù)，使精度難以提高，可操作性差。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，對現(xiàn)有技術(shù)進一步完善，本發(fā)明提出一種投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的多點擬合標(biāo)定方法，通過多次獲取同一投影結(jié)構(gòu)光曲面與參考面想截線上多點的空間位置，求解曲面方程確定結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的參數(shù)，實現(xiàn)高精度的投影結(jié)構(gòu)光標(biāo)定。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明在結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的有效視場范圍內(nèi)，投影裝置產(chǎn)生投影結(jié)構(gòu)光，多次改變參考面空間位置，二維成像裝置攝取投影結(jié)構(gòu)光空間曲面與參考面多次相截的圖像并存入計算機，計算機通過域值法和空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系計算出多條相截線上多點在結(jié)構(gòu)光投影三維成像系統(tǒng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，以多點擬合實現(xiàn)高精度的結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的標(biāo)定。
所述的參考面是指，在結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)有效視場范圍內(nèi)，與結(jié)構(gòu)光曲面相交，且能夠?qū)崿F(xiàn)對二維成像裝置的標(biāo)定，確定二維成像裝置的內(nèi)參數(shù)，通過計算確定參考面坐標(biāo)系與二維成像裝置坐標(biāo)系間的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系的平面。
所述的多次改變參考面空間位置是指，二維成像裝置攝取投影結(jié)構(gòu)光空間曲面與參考面相截的圖像時，參考面所處的空間位置多次改變并覆蓋整個結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的有效視場范圍。
對于多個二維成像裝置與結(jié)構(gòu)光陣列組成的三維成像系統(tǒng)，可通過先后標(biāo)定各結(jié)構(gòu)光曲面在其中一個二維成像裝置坐標(biāo)系下的空間位置和形狀，進而利用各個二維成像裝置間的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光陣列中各個投影結(jié)構(gòu)光曲面在每個二維成像裝置坐標(biāo)系下的空間位置和形狀的標(biāo)定。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，在本發(fā)明方法的實現(xiàn)中，對標(biāo)定裝置的要求低，不需制作特定復(fù)雜的標(biāo)定板，無需提供特殊的工作臺，操作簡單，只需參考面與投影結(jié)構(gòu)光相截即可，減少了標(biāo)定過程的復(fù)雜性，方便快捷，易于現(xiàn)場標(biāo)定、現(xiàn)場調(diào)試，可應(yīng)用于任何基于結(jié)構(gòu)光投影的三維成像系統(tǒng)，對于三維成像系統(tǒng)精度的提高有重要意義。


圖1為本發(fā)明投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的多點擬合標(biāo)定方法示意圖。圖中，A為投影結(jié)構(gòu)光與參考面在位置1的相截線，B為投影結(jié)構(gòu)光與參考面在位置2的相截線。O為二維成像裝置光心。
圖2為基于投影結(jié)構(gòu)光陣列的雙目視覺三維成像系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式
為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和實施例作進一步的詳細描述。
如圖1所示，為本發(fā)明投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的多點擬合標(biāo)定方法示意圖。以二維成像裝置的透鏡中心為原點，以其光軸為OZ軸，建立二維成像裝置坐標(biāo)系OXYZ，二維成像裝置采用的是現(xiàn)有任意一種二維成像技術(shù)，例如CCD攝像機、CMOS攝像機、PSD位置敏感傳感器等通用成像裝置。投影裝置的投影方式可采用現(xiàn)有任意一種二維投影結(jié)構(gòu)光技術(shù)，例如線激光投影、光柵投影、彩色結(jié)構(gòu)光投影等。參考面是指，在結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)有效視場范圍內(nèi)，與結(jié)構(gòu)光曲面相交的空間平面，取參考面上特定一直角交叉線為OXrYr，建立參考面坐標(biāo)系OXrYrZr，通過空間計算，能夠確定參考面坐標(biāo)系OXrYrZr與二維成像裝置坐標(biāo)系OXYZ間的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系，如棋盤格標(biāo)定板、網(wǎng)格標(biāo)定板等。當(dāng)二維成像裝置攝取投影結(jié)構(gòu)光空間曲面與參考面多次相截的圖像并存入計算機，計算機通過域值法能夠?qū)⑾嘟鼐€從背景中區(qū)分和識別出。
在結(jié)構(gòu)光三維成像有效視場范圍內(nèi)，首先用現(xiàn)有的標(biāo)定技術(shù)用參考面來標(biāo)定二維成像裝置的內(nèi)參數(shù)，如二步法、四步法等。參考面的空間位置多次改變，并覆蓋整個結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的有效視場范圍，改變參考面位置的次數(shù)一般在40次以上。二維成像裝置攝取投影結(jié)構(gòu)光空間曲面與參考面多次相截的圖像并存入計算機。在計算機中，通過空間計算，確定參考面坐標(biāo)系OXrYrZr與二維成像裝置坐標(biāo)系OXYZ的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系。計算機通過域值法來識別出投影結(jié)構(gòu)光截線，并利用參考面坐標(biāo)系OXrYrZr與二維成像裝置坐標(biāo)系OXYZ的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，來計算出多條相截線上多點在結(jié)構(gòu)光投影三維成像系統(tǒng)坐標(biāo)系OXYZ下的坐表侄，以多點擬合實現(xiàn)高精度的結(jié)構(gòu)光曲面空間位置標(biāo)定。其中，每條相截線上取點方式為均勻間隔取點，取點數(shù)大于40個。即以1600個三維點擬合投影結(jié)構(gòu)光空間曲面，即標(biāo)定出投影結(jié)構(gòu)光的空間位置和形狀的參數(shù)。
如圖2所示，為基于結(jié)構(gòu)光陣列的雙目視覺三維成像系統(tǒng)示意圖。分別以各個二維成像裝置的透鏡中心為原心，光軸為O1Z1軸和O2Z2軸，建立成像裝置坐標(biāo)系O1X1Y1Z1、O2X2Y2Z2。結(jié)構(gòu)光陣列由投影裝置產(chǎn)生，分別與二維成像裝置1、2構(gòu)成三維成像系統(tǒng)。
在兩個三維成像系統(tǒng)有效視場公共區(qū)域內(nèi)，改變參考面的空間位置，兩個成像裝置同時攝取圖像，首先利用現(xiàn)有標(biāo)定技術(shù)對系統(tǒng)中的各成像裝置進行立體標(biāo)定，獲取兩成像裝置坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)矩陣R及平移向量T。在采用投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的多點擬合標(biāo)定方法完成結(jié)構(gòu)光陣列中各投影結(jié)構(gòu)光曲面在二維成像裝置坐標(biāo)系O1X1Y1Z1下的空間位置和形狀標(biāo)定后，再利用O1X1Y1Z1與O2X2Y2Z2坐標(biāo)系的空間位置變轉(zhuǎn)換關(guān)系，完成各投影結(jié)構(gòu)光曲面在二維成像裝置坐標(biāo)系O2X2Y2Z2下的標(biāo)定。
同樣，對于多個二維成像裝置與結(jié)構(gòu)光陣列組成的三維成像系統(tǒng)，可通過先后標(biāo)定各結(jié)構(gòu)光曲面在其中一個二維成像裝置坐標(biāo)系下的空間位置和形狀，進而利用各個二維成像裝置間的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光陣列中各個投影結(jié)構(gòu)光曲面在每個二維成像裝置坐標(biāo)系下的空間位置和形狀參數(shù)的標(biāo)定。
權(quán)利要求
1.一種投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的多點擬合標(biāo)定方法，其特征在于，在結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的有效視場范圍內(nèi)，投影裝置產(chǎn)生投影結(jié)構(gòu)光，多次改變參考面的空間位置，二維成像裝置攝取投影結(jié)構(gòu)光空間曲面與參考面多次相截的圖像并存入計算機，計算機通過域值法和空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系，計算出多條相截線上多點在結(jié)構(gòu)光投影三維成像系統(tǒng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，以多點擬合實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光曲面空間位置和形狀的標(biāo)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的多點擬合標(biāo)定方法，其特征是，參考面是指，在結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)有效視場范圍內(nèi)，與結(jié)構(gòu)光曲面相交，且能夠?qū)崿F(xiàn)對二維成像裝置的標(biāo)定，確定二維成像裝置的內(nèi)參數(shù)，并能夠通過計算確定參考面坐標(biāo)系與二維成像裝置坐標(biāo)系間的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系的平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的多點擬合標(biāo)定方法，其特征是，多次改變參考面空間位置是指，二維成像裝置攝取投影結(jié)構(gòu)光空間曲面與參考面相截的圖像時，參考面所處的空間位置多次改變并覆蓋整個結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的有效視場范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的多點擬合標(biāo)定方法，其特征是，對于多個二維成像裝置與投影結(jié)構(gòu)光陣列組成的三維成像系統(tǒng)，通過先后標(biāo)定各結(jié)構(gòu)光曲面在其中一個二維成像裝置坐標(biāo)系下的空間位置和形狀，進而利用各個二維成像裝置間的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光陣列中各個投影結(jié)構(gòu)光曲面在每個二維成像裝置坐標(biāo)系下的空間位置和形狀的標(biāo)定。
全文摘要
一種光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的投影結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的多點擬合標(biāo)定方法，在結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的有效視場范圍內(nèi)，投影裝置產(chǎn)生投影結(jié)構(gòu)光，多次改變參考面的空間位置，二維成像裝置攝取投影結(jié)構(gòu)光空間曲面與參考面多次相截的圖像并存入計算機，計算機通過域值法和空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系，計算出多條相截線上多點在結(jié)構(gòu)光投影三維成像系統(tǒng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，以多點擬合實現(xiàn)高精度的結(jié)構(gòu)光空間位置和形狀的標(biāo)定。本發(fā)明方法實現(xiàn)容易、操作簡便，適用于結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定與調(diào)試等工作。
文檔編號G01B11/03GK1888815SQ20061002888
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者陳亞珠, 郝麗俊, 程勝, 楊榮騫 申請人:上海交通大學(xué)