多方位投影的投影儀標定方法及裝置與流程
2023-06-24 23:04:31
本發明屬於光學測量技術領域，尤其涉及一種多方位投影的投影儀標定方法及裝置。
背景技術：
三維成像系統的標定技術在三維成像中是非常關鍵一步，其中，三維數字成像中的投影儀標定技術是一種用於估計三維成像系統中投影儀的固定內部參數的方法，投影儀標定技術為三維成像技術提供重要的三維成像條件，更優的標定技術和方法能為三維成像提供更好的成像條件。
目前，三維成像系統可分為兩類，一類是由單相機、單投影儀組成的三維成像系統，另一類是由雙相機、單投影儀組成的系統。第一類系統結構簡單、測量速度快、測量效率高，但其成像系統必須涉及到相機和投影儀的標定。相機的標定技術已經發展的比較成熟，但是投影儀卻不然，最大的困難是投影儀不是成像設備，因而不能採集圖像，那麼如何精確獲取特徵點在投影儀圖像坐標系下的坐標是要解決的一大難題。
目前常用相位法對投影儀進行標定，這種相位法具體為：投射相位編碼圖到標靶平面，利用相位解調技術求出標靶特徵點的相位，進而求得對應投影儀圖像坐標系下的坐標。這種方法考慮了非線性畸變，同時也不需要利用相機的標定結果；但是，一方面，該方法存在特徵點圖像提取不準確的問題；另一方面，標靶特徵點的三維世界坐標x是作為已知量輸入的，它與其真實坐標之間的偏差(由於標靶不是理想平面、三維點印製誤差等多種因素導致)會引入系統誤差，降低標定結果的可靠性。
技術實現要素：
本發明提供一種多方位投影的投影儀標定方法及裝置，旨在解決利用相位法進行標定時存在的特徵點圖像提取不準確、標靶特徵點的三維世界坐標與真實值之間有偏差從而引入系統誤差的問題，使得標定結果更加精確。
本發明提供了一種多方位投影的投影儀標定方法，所述投影儀標定方法應用於投影儀標定系統，所述投影儀標定系統包括：投影儀、相機和標靶，所述相機位於所述標靶上方，並且相機的光軸和標靶所在平面垂直；所述投影儀標定方法包括：
步驟s1，利用所述投影儀依次在標靶周圍預置的n個指定方位投射預置的標定圖案到標靶平面，在每個指定方位用所述相機採集標靶信息圖；
步驟s2，對每個指定方位下的標靶信息圖進行特徵點提取得到標靶特徵點在相機圖像坐標系下的位置，利用相位解調技術得到標靶信息圖的相位分布，結合標靶特徵點的位置和標靶信息圖的相位分布，並經過亞像素插值計算得到標靶特徵點的精確相位及基於所述標靶特徵點的精確相位得到投影儀圖像坐標系中與所述標靶特徵點相對應的亞像素坐標xi，i＝1,2,......n；
步驟s3，利用得到的投影儀圖像坐標系下亞像素坐標xi和已知的標靶特徵點的三維世界坐標x對所述投影儀進行標定，求得初始標定參數，i＝1,2,......n；
所述初始標定參數包括：由投影儀與標靶組成的n個外參θ1、θ2......θn，和投影儀內部參數θ；
步驟s4，利用光束平差法對所述初始標定參數和所述三維世界坐標x進行優化，得到最終標定參數。
進一步地，所述預置的n個指定方位需要滿足：所述投影儀在所述預置的n個指定方位投射的標定圖案在標靶平面聚焦。
進一步地，所述預置的標定圖案包括：若干幅正弦周期相移圖和若干幅格雷碼圖；所述標靶信息圖包括：若干幅含有標靶信息的相移圖和若干幅含有標靶信息的格雷碼圖。
進一步地，所述基於所述標靶特徵點的精確相位得到投影儀圖像坐標系中與所述標靶特徵點相對應的亞像素坐標xi，包括：
根據投影儀圖像坐標系下的標靶特徵點的亞像素坐標與相位的映射關係，即利用以下公式計算得到與所述標靶特徵點相對應的亞像素坐標xi；
其中，代表所述標靶特徵點的精確相位，t代表相位周期寬度，i＝1,2,......n。
進一步地，所述步驟s4中，所述光束平差法具體為：假設每個指定方位下的標靶特徵點有m個，通過最小化目標函數對所述初始標定參數和標靶特徵點的三維世界坐標xj,j＝1,2...，m進行優化，得到最終標定參數；
所述目標函數為：
其中，xij代表第i個方位下標靶信息圖中的第j個標靶特徵點經過圖像處理得到的亞像素坐標，代表根據標定模型計算得到的第i個方位下標靶信息圖中的第j個標靶特徵點的坐標，τ＝{θ,θi,xj}為待優化的參數向量，其中，θ代表投影儀內部參數，θi代表投影儀與標靶組成的外參，i＝1,2,......n。
本發明還提供了一種多方位投影的投影儀標定裝置，所述投影儀標定裝置應用於投影儀標定系統，所述投影儀標定系統包括：投影儀、相機和標靶，所述相機位於所述標靶上方，並且相機的光軸和標靶所在平面垂直；所述投影儀標定裝置包括：
投影採集模塊，用於利用所述投影儀依次在標靶周圍預置的n個指定方位投射預置的標定圖案到標靶平面，在每個指定方位用所述相機採集標靶信息圖；
特徵點信息獲取模塊，用於對每個指定方位下的標靶信息圖進行特徵點提取得到標靶特徵點在相機圖像坐標系下的位置，利用相位解調技術得到標靶信息圖的相位分布，結合標靶特徵點的位置和標靶信息圖的相位分布，並經過亞像素插值計算得到標靶特徵點的精確相位及基於所述標靶特徵點的精確相位得到投影儀圖像坐標系中與所述標靶特徵點相對應的亞像素坐標xi，i＝1,2,......n；
初始標定模塊，用於利用得到的投影儀圖像坐標系下亞像素坐標xi和已知的標靶特徵點的三維世界坐標x對所述投影儀進行標定，求得初始標定參數，i＝1,2,......n；
所述初始標定參數包括：由投影儀與標靶組成的n個外參θ1、θ2......θn，和投影儀內部參數θ；
優化模塊，用於利用光束平差法對所述初始標定參數和所述三維世界坐標x進行優化，得到最終標定參數。
進一步地，所述預置的n個指定方位需要滿足：所述投影儀在所述預置的n個指定方位投射的標定圖案在標靶平面聚焦。
進一步地，所述預置的標定圖案包括：若干幅正弦周期相移圖和若干幅格雷碼圖；所述標靶信息圖包括：若干幅含有標靶信息的相移圖和若干幅含有標靶信息的格雷碼圖。
進一步地，所述特徵點信息獲取模塊包括：
精確相位確定模塊，用於對每個指定方位下的標靶信息圖進行特徵點提取得到標靶特徵點在相機圖像坐標系下的位置，利用相位解調技術得到標靶信息圖的相位分布，結合標靶特徵點的位置和標靶信息圖的相位分布，並經過亞像素插值計算得到標靶特徵點的精確相位
亞像素確定模塊，用於根據投影儀圖像坐標系下的標靶特徵點的亞像素坐標與相位的映射關係，即利用以下公式計算得到與所述標靶特徵點相對應的亞像素坐標xi；
其中，代表所述標靶特徵點的精確相位，t代表相位周期寬度，i＝1,2,......n。
進一步地，優化模塊具體用於：假設每個指定方位下的標靶特徵點有m個，通過最小化目標函數對所述初始標定參數和標靶特徵點的三維世界坐標xj,j＝1,2...，m進行優化，得到最終標定參數；
所述目標函數為：
其中，xij代表第i個方位下標靶信息圖中的第j個標靶特徵點經過圖像處理得到的亞像素坐標，代表根據標定模型計算得到的第i個方位下標靶信息圖中的第j個標靶特徵點的坐標，τ＝{θ,θi,xj}為待優化的參數向量，其中，θ代表投影儀內部參數，θi代表投影儀與標靶組成的外參，i＝1,2,......n。
本發明與現有技術相比，有益效果在於：本發明提供的一種多方位投影的投影儀標定方法及裝置是基於相位法，一方面，通過投影儀分別在n個指定方位進行投射，並且相機光軸垂直於標靶平面來採集標靶信息圖的方式，使得特徵點圖像提取更加準確；另一方面，本發明採用光束平差法，將標靶特徵點的三維世界坐標x作為待優化的變量進行了優化，消除了標靶特徵點的三維世界坐標x與其真實坐標之間的偏差引入的系統誤差，將x在光束平差優化的過程中調整為可靠性更高的值，從而使得標定結果更加精確。
附圖說明
圖1是本發明實施例提供的一種投影儀標定系統中的硬體模塊示意圖；
圖2是本發明實施例提供的一種多方位投影的投影儀標定方法的流程示意圖；
圖3是本發明實施例提供的11*9圓形標誌點標靶圖；
圖4是本發明實施例提供的在某個指定方位下標靶特徵點在相機圖像坐標系下的亞像素坐標圖；
圖5是本發明實施例提供的在某個指定方位下標靶特徵點在投影儀圖像坐標系中的亞像素坐標圖；
圖6是本發明實施例提供的標定模型的原理示意圖；
圖7是本發明實施例提供的投影儀經初始標定後的重投影誤差圖；
圖8是本發明實施例提供的投影儀經平差優化後的重投影誤差圖；
圖9是本發明實施例提供的一種多方位投影的投影儀標定裝置的模塊示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明提供了一種多方位投影的投影儀標定方法，所述投影儀標定方法應用於投影儀標定系統，如圖1所示，所述投影儀標定系統包括：投影儀1、相機2和標靶3，所述相機2位於所述標靶3上方，並且相機2的光軸和標靶3所在平面垂直。
具體地，在執行標定步驟之前，一方面，需要在標靶平面周圍確定n個合適的投影方位，使得在執行標定步驟時，投影儀1分別在預置的n個指定方位投射標定圖案；另一方面，需要調節相機2與標靶3的位置關係，使相機光軸與標靶平面垂直，從而保證標靶3在相機2的最佳拍攝位置成像。
更具體地，確定n個指定方位的方法為：在確定第一個指定方位時，調節投影儀1焦距，確保投射的圖案能在標靶3平面聚焦，具體的操作步驟為：在標靶3平面上放一張白紙，調節投影儀1的調焦旋鈕，使投出的圖案投在白紙上能成清晰的圖案；另外，要保證標靶能夠被投出去的圖案全面覆蓋。再在標靶平面周圍確定剩下n-1個指定方位，在剩下的每個指定方位都需要保證標靶3能夠被投出去的圖案全面覆蓋，並且在投影儀1的景深範圍內。其中，n≥3。
更具體地，調節相機2與標靶3的位置關係的方式為：將標靶3平放在實驗臺上，相機2置於所述標靶3上方，並使相機2光軸垂直於標靶平面擺放，調節相機2的視場、光圈和焦距，使標靶3成像清晰；所述相機2與標靶3的位置關係使提取標靶特徵點的相位值更加準確，進而得到與標靶特徵點相對應的投影儀圖像坐標系下亞像素位置更加準確。
具體地，本發明實施例中，投影儀1採用的是dell的dlp(digitallightprocessing，數字光處理技術)，型號m110，標準解析度1280*800；相機2採用imavision的工業數字攝像機，型號mer-130-30um，解析度1280*1024，像素尺寸5.2μm*5.2μm,相機2的鏡頭採用pentax工業鏡頭，型號c1614-m。
下面具體介紹這種多方位投影的投影儀標定方法，如圖2所示，包括：
步驟s1，利用所述投影儀依次在標靶周圍預置的n個指定方位投射預置的標定圖案到標靶平面，在每個指定方位用所述相機採集標靶信息圖；
具體地，所述步驟s1中，所述預置的標定圖案包括：若干幅正弦周期相移圖和若干幅格雷碼圖；所述標靶信息圖包括：若干幅含有標靶信息的相移圖和若干幅含有標靶信息的格雷碼圖；另外，相機在投影儀只投射均勻光照的時候，採集原標靶圖。
具體地，本發明實施例中用的是11*9的圓形標誌點標靶，如圖3所示，特徵點即是圓形圖案的圓心，一共99個特徵點。
步驟s2，對每個指定方位下的標靶信息圖進行特徵點提取得到標靶特徵點在相機圖像坐標系下的位置，利用相位解調技術得到標靶信息圖的相位分布，結合標靶特徵點的位置和標靶信息圖的相位分布，並經過亞像素插值計算得到標靶特徵點的精確相位及基於所述標靶特徵點的精確相位得到投影儀圖像坐標系中與所述標靶特徵點相對應的亞像素坐標xi，i＝1,2,......n；
具體地，在所述n個指定方位投射和採集完成後，處理每個指定方位下的標靶信息圖，具體地，處理分為三部分：一是經過特徵點提取得到標靶特徵點在相機圖像坐標系下的位置，如圖4所示，為得到的在某個指定方位下標靶特徵點在相機圖像坐標系下的位置；二是利用相位解調技術得到標靶信息圖的相位分布；三是結合標靶特徵點的位置和標靶信息圖的相位分布，並經過亞像素插值計算得到標靶特徵點的精確相位然後，根據得到的精確相位並結合投影儀圖像坐標系下的標靶特徵點的亞像素坐標與相位的映射關係，即結合公式計算得到投影儀圖像坐標系中與所述標靶特徵點相對應的亞像素坐標xi，i＝1,2,......n，如圖5所示；其中，t代表相位周期寬度(單位：像素)。
步驟s3，根據標定模型，利用得到的投影儀圖像坐標系下亞像素坐標xi和已知的標靶特徵點的三維世界坐標x對所述投影儀進行標定，求得初始標定參數，i＝1,2,......n；
所述初始標定參數包括：由投影儀與標靶組成的n個外參θ1、θ2......θn，和投影儀內部參數θ。
具體地，本發明實施例提供的標定模型的原理圖如圖6所示，標定後的重投影誤差如圖7所示；重投影誤差的分布和標準差是評價標定結果的重要標準，一般地，特徵點的重投影誤差集中圍繞在原點附近，並且重投影誤差的標準差越小標定結果越準確。
步驟s4，利用光束平差法對所述初始標定參數和所述三維世界坐標x進行優化，得到最終標定參數。
具體地，所述步驟s4中，所述光束平差法具體為：假設每個指定方位下的標靶特徵點有m個，通過最小化目標函數對所述初始標定參數和標靶特徵點的三維世界坐標xj,j＝1,2...，m進行優化，得到最終標定參數；
所述目標函數為：
其中，xij代表第i個方位下標靶信息圖中的第j個標靶特徵點經過圖像處理得到的亞像素坐標，代表根據標定模型計算得到的第i個方位下標靶信息圖中的第j個標靶特徵點的坐標，τ＝{θ,θi,xj}為待優化的參數向量，其中，θ代表投影儀內部參數，θi代表投影儀與標靶組成的外參，i＝1,2,......n。
具體地，與一般標定的優化目標函數相比，光束平差法的優化方法區別在於將標靶特徵點的三維世界坐標xj,j＝1,2...，m作為待優化的變量，來消除誤差帶來的不利影響，將x在光束平差優化的過程中調整為可靠性更高的值，從而使標定結果更加精確；標定後的重投影誤差如圖8所示，與圖7相比有所提升。
本發明實施例中，經過多方位投影採集、圖像處理、初始標定、平差優化之後，其重投影誤差(reprojectorerror)分布如圖8所示，水平和豎直方向的標準偏差分別是0.02541pixel和0.01926pixel；而只經過初始標定，水平和豎直方向的標準偏差分別是0.11119pixel和0.08406pixel，如圖7所示；由此可見提高的標定精確度可達77％。
下面再介紹一種多方位投影的投影儀標定裝置，所述投影儀標定裝置應用於投影儀標定系統，所述投影儀標定系統包括：投影儀、相機和標靶，所述相機位於所述標靶上方，並且相機的光軸和標靶所在平面垂直；
如圖9所示，所述投影儀標定裝置包括：
投影採集模塊1，用於利用所述投影儀依次在標靶周圍預置的n個指定方位投射預置的標定圖案到標靶平面，在每個指定方位用所述相機採集標靶信息圖；
具體地，所述投影採集模塊1中，所述預置的n個指定方位需要滿足：所述投影儀在所述預置的n個指定方位投射的標定圖案在標靶平面聚焦。
具體地，所述投影採集模塊1中，所述預置的標定圖案包括：若干幅正弦周期相移圖和若干幅格雷碼圖；所述標靶信息圖包括：若干幅含有標靶信息的相移圖和若干幅含有標靶信息的格雷碼圖；另外，相機在投影儀只投射均勻光照的時候，採集原標靶圖。
特徵點信息獲取模塊2，用於對每個指定方位下的標靶信息圖進行特徵點提取得到標靶特徵點在相機圖像坐標系下的位置，利用相位解調技術得到標靶信息圖的相位分布，結合標靶特徵點的位置和標靶信息圖的相位分布，並經過亞像素插值計算得到標靶特徵點的精確相位及基於所述標靶特徵點的精確相位得到投影儀圖像坐標系中與所述標靶特徵點相對應的亞像素坐標xi，i＝1,2,......n；
具體地，所述特徵點信息獲取模塊2具體包括：精確相位確定模塊，用於對每個指定方位下的標靶信息圖進行特徵點提取得到標靶特徵點在相機圖像坐標系下的位置，利用相位解調技術得到標靶信息圖的相位分布，結合標靶特徵點的位置和標靶信息圖的相位分布，並經過亞像素插值計算得到標靶特徵點的精確相位還包括亞像素確定模塊，用於根據投影儀圖像坐標系下的標靶特徵點的亞像素坐標與相位的映射關係，即利用以下公式計算得到與所述標靶特徵點相對應的亞像素坐標xi；
其中，代表所述標靶特徵點的精確相位，t代表相位周期寬度(單位：像素)，i＝1,2,......n。
初始標定模塊3，用於利用得到的投影儀圖像坐標系下亞像素坐標xi和已知的標靶特徵點的三維世界坐標x對所述投影儀進行標定，求得初始標定參數，i＝1,2,......n；
所述初始標定參數包括：由投影儀與標靶組成的n個外參θ1、θ2......θn，和投影儀內部參數θ；
優化模塊4，用於利用光束平差法對所述初始標定參數和所述三維世界坐標x進行優化，得到最終標定參數。
具體地，所述優化模塊4具體用於：假設每個指定方位下的標靶特徵點有m個，通過最小化目標函數對所述初始標定參數和標靶特徵點的三維世界坐標xj,j＝1,2...，m進行優化，得到最終標定參數；
所述目標函數為：
其中，xij代表第i個方位下標靶信息圖中的第j個標靶特徵點經過圖像處理得到的亞像素坐標，代表根據標定模型計算得到的第i個方位下標靶信息圖中的第j個標靶特徵點的坐標，τ＝{θ,θi,xj}為待優化的參數向量，其中，θ代表投影儀內部參數，θi代表投影儀與標靶組成的外參，i＝1,2,......n。
本發明提供的一種多方位投影的投影儀標定方法及裝置是基於相位法，但優於一般的相位法，一方面，解決了特徵點圖像提取不準確的問題；另一方面，解決了標靶特徵點三維世界坐標與真實值之間有偏差的問題，與一般標定的優化目標函數相比，光束平差法的優化方法區別在於將標靶特徵點的三維世界坐標xj,j＝1,2...，m作為待優化的變量，消除了誤差帶來的不利影響，將x在光束平差優化的過程中調整為可靠性更高的值，最後使標定結果更加精確。
上述實施例方法中的全部或部分步驟是通過程序來控制相關硬體完成，所述的程序可以存儲於一計算機可讀取存儲介質中，所述的存儲介質，如rom/ram、磁碟、光碟等。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。