專利名稱：一種新型的單個攝像機和單個投影光源同步標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單個攝像機和單個投影光源高精度同步標定方法，更具體的說，本發(fā)明所提供的標定方法，可以同時獲得單個攝像機和單個投影光源的內(nèi)部和外部以及三維重建過程中所需要的參數(shù)信息。
背景技術(shù)：
三維重建方法已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、逆向工程、人體掃描、文物保護、服裝鞋帽等多個領(lǐng)域，對自由曲面的檢測具有速度快、精度高的優(yōu)勢。按照成像照明方式的不同，光學三維測量技術(shù)可分為被動三維測量和主動三維測量兩大類。在主動三維測量技術(shù)中，結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)發(fā)展最為迅速，尤其是相位測量輪廓術(shù)(Phase MeasuringProf ilometry, PMP),也被稱為相移測量輪廓術(shù)(Phase Shifting Prof ilometry, PSP),是目前三維測量產(chǎn)品中常用的測量方法。相位測量方法是向被測物體上投射固定周期的按照三角函數(shù)(正弦或者余弦)規(guī)律變化的光亮度圖像，此光亮度圖像經(jīng)過大于3步的均勻相 物體上面的每個點，經(jīng)過相移圖像的投射后，在圖像中會分別獲得幾個不同的亮度值。此亮度值經(jīng)過解相運算，會獲得唯一的相位值。如果能夠獲得攝像機及投影光源的幾何位置信息，就可以利用所獲得的相位值及相關(guān)的幾何位置信息，獲得被測場景的三維坐標信息。攝像機及投影光源標定系統(tǒng)的任務(wù)，就是獲取攝像機以及投影光源相關(guān)幾何參數(shù)的方法。除了已有標定方法可以獲得攝像機以及投影光源的內(nèi)部參數(shù)(內(nèi)部參數(shù)主要包括焦距，相面中心，畸變參數(shù)等)和外部參數(shù)(外部參數(shù)主要包括旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣)之外，還必須標定出來的幾個參數(shù)信息包括(I)投影光源與攝像機之間的距離D ；(2)攝像機與參考平面的距離L ；(3)投影光源投射的正弦或者余弦信號波的頻率f。；(4)圖像在X軸方向相鄰像素點的距離值Rx ；(5)圖像在Y軸方向相鄰像素點的距離值Ry。清華大學機械工程系先進成形制造教育部重點實驗室韋爭亮等給出了一種單攝像機單投影儀三維測量系統(tǒng)標定技術(shù)，該方法依靠具有黑底白色圓點圖案的單平面標定塊，采用Tsai兩步法及非線性優(yōu)化完成攝像機標定。通過雙方向解相實現(xiàn)標志點在投影平面上的反向成像，把投影儀作為虛擬攝像機采用同樣方法進行標定。解相時采用基于偽隨機彩色條紋序列展開的時空域編碼和3步相移法。該方法的缺點如下(I)該方法采用Tsai兩步法進行攝像機標定，而Tsai兩步法是建立在空間坐標點為非共面坐標點的基礎(chǔ)之上，因此該方法必須要構(gòu)造空間非共面的坐標信息點，僅僅依靠一幅平面標記點信息無法精確完成參數(shù)標定工作；(2)該方法采用基于偽隨機彩色條紋序列展開的時空域編碼和3步相移法來進行投影光源的解相，在解相過程中，相移的步數(shù)越多，解相精度越高。3步相移法的解相精度遠遠低于6步相移法的解相精度。因此，用低精度的相位信息進行投影光源的標定，勢必要影響投影光源的標定精度；(3)沒有給出D、L、fQ、Rx和Ry的標定方法。華中科技大學李中偉博士在博士論文《基于數(shù)字光柵投影的結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)與系統(tǒng)研究》中也給出一種攝像機和投影光源的標定方法，該方法首先對攝像機的參數(shù)進行標定，然后再通過投影光源，投射4步相移的外差多頻圖像，獲得投影光源的相關(guān)標定參數(shù)。該方法的缺點是(I)采用4步相移的外差多頻圖像，在進行相位解相時的精度，也不如6步相移的解相精度高，因此無法保證投影光源的標定精度；(2)該方法首先對攝像機進行標定，然后對投影光源進行標定，沒有實現(xiàn)攝像機和投影光源信息的同步標定，對后續(xù)其他參數(shù)的運算帶來一定的困難；
(3)沒有給出D、L、f。、Rx和Ry的標定方法。在國際上，哈佛大學張松博士以及意大利E. Zappa博士等多位學者，也曾經(jīng)對攝像機以及投影光源的標定進行過相關(guān)的研究。但是目前所有已有的標定方法中，都只是介紹了如何獲得攝像機以及投影機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)信息，并沒有給出如何獲得在三維重建系統(tǒng)中所需要的五個重要參數(shù)的信息的標定方法。為了更好的提高三維重建系統(tǒng)的精度，本發(fā)明設(shè)計了一種新型的攝像機和投影光源同步標定方法，在獲得攝像機以及投影光源內(nèi)部和外部參數(shù)的同時，可以獲得三維重建中五個最重要的參數(shù)D、L、f0, Rx和Ry的標定方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種單個攝像機和單個投影光源同步標定方法，經(jīng)過標定后的參數(shù)能夠應(yīng)用于高精度三維測量中，可以彌補已有標定方法存在的缺陷，提高標定和三維測量的精度。所述的單個攝像機和單個投影光源同步標定系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括用于投射光信號的投影光源裝置，投影光源的分辨率為Lk X L。，投影光源的個數(shù)為I個；用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計算機；用于采集圖像的彩色或者黑白攝像機，圖像分辨率為CkXCc,攝像機個數(shù)為I個；用于放置所述的投影光源裝置和所述的彩色或者黑白攝像機的掃描平臺；本發(fā)明所設(shè)計的單個攝像機和單個投影光源同步標定方法，具體操作步驟如下步驟I :將彩色或者黑白攝像機與投影光源(所述的投射光源的分辨率為LkXLc)固定在掃描平臺上，并確定在標定結(jié)束后，三維測量時，所述的彩色或者黑白攝像機與所述的投影光源的位置也不會被改變；將事先加工好的標定靶標放置于與被測物體距離相近，即距離被測物體±500mm范圍的位置，擺放好所述的標定靶標，并確定所述的標定靶標能夠被所述的彩色或者黑白攝像機拍攝完全，且所述的投影光源能夠投射的光信號范圍能夠覆蓋所述的標定靶標所在的位置；調(diào)整好所述的彩色或者黑白攝像機以及所述的投影光源的焦距，使之處于最佳狀態(tài)；步驟2 :利用所述的彩色或者黑白攝像機拍攝沒有投射相移光柵之前的所述的標定靶標圖像，并提取所述的標定靶標上面所有圓在所述的彩色或者黑白攝像機坐標系下的圓心坐標(xci, yci), (i = 0......98)；步驟3 :在所述的標定靶標相同位置，利用所述的投影光源在所述的標定靶標上投射橫向和縱向的格雷碼及6步相移光柵，利用所述的彩色或者黑白攝像機實時拍攝每幅圖像，在圓心位置的每個點(Xc;i，yj，利用解算出來的橫向相位9rf(Xc;i，yci)和縱向相位
計算在所述的投影光源坐標系中圓心位置所對應(yīng)的圓心坐標UPi，yPi)，(i =0......98),其中Xpi和ypi分別由下式確定
權(quán)利要求
1.一種單個攝像機和單個投影光源同步標定方法，其特征是，包括下列步驟 步驟1 :將彩色或者黑白攝像機與投影光源(所述的投射光源的分辨率SLkXLc)固定在掃描平臺上，并確定在標定結(jié)束后，三維測量時，所述的彩色或者黑白攝像機與所述的投影光源的位置也不會被改變；將事先加工好的標定靶標放置于與被測物體距離相近，即距離被測物體±500mm范圍的位置，擺放好所述的標定靶標，并確定所述的標定靶標能夠被所述的彩色或者黑白攝像機拍攝完全，且所述的投影光源能夠投射的光信號范圍能夠覆蓋所述的標定靶標所在的位置；調(diào)整好所述的彩色或者黑白攝像機以及所述的投影光源的焦距，使之處于最佳狀態(tài)； 步驟2 :利用所述的彩色或者黑白攝像機拍攝沒有投射相移光柵之前的所述的標定靶標圖像，并提取所述的標定靶標上面所有圓在所述的彩色或者黑白攝像機坐標系下的圓心坐標(xci，yci)，(i = 0......98)；步驟3 :在所述的標定靶標相同位置，利用所述的投影光源在所述的標定靶標上投射橫向和縱向的格雷碼及6步相移光柵，利用所述的彩色或者黑白攝像機實時拍攝每幅圖像，在圓心位置的每個點X?！?yj ,利用解算出來的橫向相位QrfUei, yci)和縱向相位計算在所述的投影光源坐標系中圓心位置所對應(yīng)的圓心坐標(xpi，ypi)，(i =.0......98),其中Xpi和ypi分別由下式確定
全文摘要
本發(fā)明屬于三維機器視覺領(lǐng)域，涉及一種高精度單個攝像機和單個投影光源同步標定方法。本發(fā)明可以同步獲得攝像機和投影光源的標定參數(shù)，減少標定的復雜度，并且本發(fā)明可以直接獲得投影光源與攝像機之間的距離D、攝像機與參考平面的距離L、投影光源投射的正弦或者余弦信號波的頻率f0、圖像在X軸方向相鄰像素點的距離值Rx以及圖像在Y軸方向相鄰像素點的距離值Ry等與后續(xù)三維重建直接相關(guān)的標定參數(shù)，利用本發(fā)明所提供的標定方法，可以直接進行三維坐標信息的計算，彌補了已有標定方法缺少相關(guān)參數(shù)標定方法的缺陷。
文檔編號G06T7/00GK102708566SQ20121013938
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者宋麗梅, 張亮, 楊燕罡, 董虓霄, 陳昌曼 申請人:天津工業(yè)大學