深度相機誤差的測量系統、測量方法、評價方法及補償方法與流程

2023-07-13 21:06:01 1

本發明涉及光學測量技術領域，具體涉及一種深度相機誤差測量系統及評價方法。

背景技術：

深度相機可以獲取目標的深度信息藉此實現3D掃描、場景建模、手勢交互，與目前被廣泛使用的RGB相機相比，深度相機正逐步受到各行各業的重視。在利用深度相機對目標進行深度圖像測量時，清晰、準確的深度信息是衡量深度相機性能的重要指標，然而由於受到溫度、光照、場景等影響，往往會使得深度相機獲取的深度信息有較大的誤差。另一方面，在深度相機元器件製造以及組裝過程中不可避免地會產生誤差，這也會給測量直接帶來系統性的誤差。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決深度相機誤差測量及評價的問題，提供一種用於深度相機的誤差測量的系統、測量方法及評價方法，並在此基礎上提供了一種誤差補償方案。

為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案：

一種深度相機誤差測量系統，其特徵在於，所述測量系統包括：

校驗裝置,所述校驗裝置包括測量平面；

深度相機，用於測量並獲取所述測量平面的深度圖像數據；

距離測量裝置，所述距離測量裝置具有比所述深度相機更高的測量精度；

支架，所述支架用於固定所述深度相機以及所述距離測量裝置，使得所述深度相機以及所述距離測量裝置的測量起始點/面位於同一條基線上，並正對所述測量平面。

優選地，還包括：

計算設備，所述計算設備與所述深度相機以及所述距離測量裝置連接，用於分別獲取所述深度相機以及所述距離測量裝置的測量數據，並根據所述測量數據對所述深度相機進行精度計算。

優選地，所述距離測量裝置為至少兩個雷射測距儀，所述至少兩個雷射測距儀分別位於深度相機兩側的所述基線上。

優選地，所述測量平面平整度不超過1mm。

優選地，所述測量系統還包括溫度控制器，所述溫度控制器用於控制所述深度相機的溫度為恆溫。

優選地，所述支架是可驅動平移支架，且與所述計算設備連接，在所述計算設備的驅動下進行平移。

優選地，所述精度計算是指將所述距離測量裝置的測量數據作為真實值以及將所述深度相機的測量數據作為測量值，利用所述真實值以及所述測量值分別計算誤差及偏差。

採用如上測量系統測量深度相機誤差的方法，包括以下步驟：

S1：所述深度相機獲取所述測量平面的深度圖像數據；

S2：所述距離測量裝置獲取所述測量平面的距離值；

S3：根據所測數據計算所得測量誤差和測量偏差，或所述計算設備計算對所述深度相機進行精度計算，得到測量誤差和測量偏差。

優選地，所述測量誤差為誤差，所述測量誤差中所述測量值是一點的深度值以及以該點為中心的子區域深度值的平均值。

優選地，所述測量偏差的計算包括以下步驟：

S31：獲取S1中所述深度圖像數據中的有效像素值，所述有效像素值指的是所述深度圖像中除了噪聲、壞點之外的像素；

S32：計算所述有效像素值的平均值；

S33：根據所述有效像素值以及所述平均值計算所述測量偏差。

一種評價深度相機誤差的方法，包括如下步驟：

T1：在不同的測量距離下測量並計算出反映深度相機隨測量距離變化的測量誤差及偏差；

T2:所述不同的測量距離以及對應的所述測量誤差進行線性擬合，所述測量偏差進行指數擬合；

T3:將所述線性擬合以及所述指數擬合後的函數中的參數作為評價所述深度相機的性能指標。

一種補償深度相機誤差的方法，根據T3中所述線性擬合函數對深度相機所獲取的深度圖像中各像素進行補償。

本發明的有益效果為：提供了深度相機誤差測量系統、方法以及誤差評價方法以及補償方法，通過深度相機測量並獲取測量平面的深度圖像數據，即測量值；通過比深度相機更高測量精度的距離測量裝置獲取測量平面的真實值，由測量值和真實值可以計算得到深度相機的誤差和偏差，實現對深度相機的精度的準確測量及評估，同時利用補償方法能夠降低誤差以提高深度相機的測量精度。對每臺深度相機進行誤差測量及評價將有利於深入了解該深度相機的性能，將有助於用戶在實際使用中藉此解釋一些具體的問題，另一方面也可以給制定誤差補償方案提供合理的依據。

附圖說明

圖1是本發明實施例的測量系統示意圖。

圖2是本發明實施例的結構光深度相機的誤差隨測量距離的變化曲線。

圖3是本發明實施例的結構光深度相機的標準偏差隨測量距離的變化曲線

圖4是本發明實施例的深度相機誤差的測量、評價及補償方法的流程圖。

圖5是本發明實施例的計算偏差方法的流程圖。

具體實施方式

以下對本發明的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。

實施例1

深度相機的深度測量精度主要通過誤差(error)及偏差(deviation)兩個指標衡量，其中用誤差來衡量深度相機的準確度(accuracy)，用標準偏差來衡量深度相機的精密度(precision)。在其他實施例中也可以用其他精度表示方法。

(1)誤差測量方法

誤差e(x*)用測量值x*與真值x之間的差值來表示，即：e(x*)＝x-x*。真值的獲取利用精度更高的測量設備得到，比如雷射測距儀。在測量時，將深度相機對準一平面，並在深度相機兩邊分別放置雷射測距儀，三者處於同一條基線上，如圖1所示。在實際測量時，將深度相機以及雷射測距儀固定在一個可移動的基座上，以便於同步移動。

真值的獲取也可以利用其他方式，比如利用帶有精密刻度的軌道，將深度相機通過基座在軌道上移動，將刻度的示數作為當前深度相機的真實測量距離。

被測平面的平整度應不超過1mm；被測點O處的測量值應取深度相機獲取的深度圖像中以該點為中心的子區域深度值的平均值，即其中M、N表示子區的大小，指子區中各個像素對應的深度值；真值的計算公式為：x＝(ax2+bx1)/(a+b)。

(2)標準偏差測量方法

如圖5所示,當深度相機對一平面進行測量時，不同像素的深度值會有差異，這裡用標準偏差來反映這種差異情況。因而，標準偏差表示單幅深度圖像中各像素深度值與其平均值之間偏差平方的統計平均值，衡量的是單幅深度圖像的波動情況，標準偏差越小，表示所有像素的值越接近，測量結果越可靠。

標準偏差用下式進行表示：

式中，表示單幅深度圖像中第i個像素對應的深度值，表示單幅深度圖像中各深度值的平均值(深度圖像往往邊緣沒有數值或數值較差，因此在計算平均值時應予以去除)。

實施例2

如圖1所示的是根據本發明的一種實施例的測量系統示意圖。誤差測量系統101包括深度相機102、雷射測距儀103與104、測量平面105以及計算機106。深度相機可以是基於結構光、TOF或者雙目視覺原理的深度相機。一般地深度相機的測量精度(誤差)不超過其測量距離的1％，因此要求所選的雷射測距儀擁有的測量精度要高於1％，最好高出至少一個數量級，即為0.1％，這樣雷射測距儀所測得的數據被用來當做真實值才具有說服力。

如圖4所示,理論上計算誤差時，需要將深度相機以及雷射測距儀對相同的一點或幾個點測量出測量值以及真實值。然而由於深度相機測量出的是平面，而雷射測距儀測量的則是點。一種可行的方案是對空間中的雷射測距儀的點進行標記，然後在深度相機的深度圖像中讀取該點的深度值，最後將該深度值做為測量值進行誤差計算。考慮到深度相機數據的波動性，在本實施例中採取的是對一平面進行測量，理論上這個平面的平整度越高越好，一般地要求不能超過1mm，由此將深度相機獲取的整個深度圖像的平均值做為深度相機正對著的平面上的一點O的測量值，將兩個雷射測距儀的測量值進行換算後得到O點的真實值。這種處理方式可以有效地避免由深度相機在不同環境或溫度等因素引起的波動影響。

在一些實施例中，測量系統還包括支架以及溫度控制器。支架可被計算機驅動做平移，由此可以實現在不同距離時對深度相機的誤差進行測量；溫度控制器可以將深度相機所處的溫度進行控制，由此可以實現恆溫控制或者溫度變化控制，由於可以實現在某一溫度下對誤差進行測量或者測量由溫度變化對誤差的影響。

實施例3

本實施例中主要說明由測量距離變化引起的深度測量誤差，並給出評價方法。測量距離變化是深度相機在正常使用中誤差產生的最大原因。一般定性地說，測量誤差隨測量距離的增大而增大。為了對誤差變化進行定量的評價，本實施例中將結合前面所述的誤差測量系統及測量方法對深度相機在不同測量距離時的測量誤差進行測量，並進行定量分析。

在一個實施例中深度相機102的測量範圍為0.6～6m,分別隔0.6m對深度相機進行一次誤差測量。為了消除溫度帶來的影響，可以將溫度控制器如半導體製冷器(TEC)將深度相機控制在恆溫下。

從0.6～6m且每隔0.6m的各個深度值的確定是根據兩側雷射側距儀的示數，比如要在真實深度值為0.6m處進行測量時，將固定深度相機以及雷射測距儀的基座移動到兩個雷射測距儀的示數均為0.6m時即可，這個值亦看成是被測點的真實值。測量時，將深度相機在真實距離0.6m～6m的區間內每隔0.6m測量出一幅深度圖像，總共採集10幅。然後根據前面所述的公式分別計算每幅深度圖像的測量值、誤差以及標準偏差，最後分別繪製出隨測量距離的變化曲線。

圖2所示的是在溫度為25℃時對一個結構光深度相機進行測量所得到的誤差隨測量距離的變化曲線；圖3所示的是標準偏差隨測量距離的變化曲線。為了定量地對變化曲線進行分析，分別對誤差曲線用線性函數(e(x*)＝a1x*+b1)進行擬合、對標準偏差曲線用指數函數進行擬合。在本實施例中所擬合出線性函數為：e(x*)＝0.0338x*-34.78；指數函數為：σ＝2.9e0.00082x。兩個函數中的參數a1、b1、a2、b2則可以用來定量地衡量該深度相機的誤差以及標準誤差。

實施例4

在誤差評價方法中最終獲得了在恆溫下得到的測量誤差與測量距離變化的線性擬合函數。

在深度相機實際使用中，一般為了獲取穩定的深度圖像會利用TEC將深度相機的雷射投影控制在常溫狀態下，比如25℃。此時獲取的深度圖像就可以利用評價方法得到的線性擬合函數進行深度值補償以減小誤差。具體地，若誤差曲線擬合的線性函數為e(x*)＝a1x*+b1，深度相機獲取的當前目標區域的深度圖像為I，圖像中各像素值分別為I(x,y)。補償後的深度圖像各像素值可用下式表示：

I′(x,y)＝(a1+1)I(x,y)+b1

以上內容是結合具體/優選的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應當視為屬於本發明的保護範圍。