型面光學測量系統綜合標定方法
2023-04-24 05:23:41
專利名稱：型面光學測量系統綜合標定方法
技術領域：
本發明涉及一種型面光學測量系統綜合標定方法，特別是一種用於結構光投影三維型面測量系統的攝像機標定、投影儀標定及系統幾何參數標定的方法，屬於機械工程和光學測量技術領域。
背景技術：
結構光投影三維型面測量系統基於三角測量原理，由攝像機和投影儀組成，攝像機和投影儀的光學模型均採用針孔模型，其光軸相互交叉，光心的連線與參考平面平行，光心距離d、光心到參考平面的距離L以及投影儀或攝像機在參考平面上的視場寬度FW等幾何參數對測量結果均有影響，因此基於針孔模型的攝像機、投影儀內外參數及系統幾何參數都需要標定。如何實現攝像機和投影儀的內外部參數及系統幾何參數的精確標定，以滿足三角測量的基本要求，對保證型面三維測量的精度和可靠性具有至關重要的意義，也是眾多研究者非常關注的問題。
傳統標定方法中，兩步標定法廣泛應用於攝像機的標定，其方法是在一定的攝像機模型下，基於特定的實驗條件如形狀、尺寸已知的標定參照物，經過對其圖像進行處理，獲得標定的基礎數據即標定點的像素坐標和空間物理坐標，然後利用一系列數學變換和計算方法，求取攝像機模型的內部參數和外部參數，但要完成整個測量系統的標定，還必須採取一定的補充措施。現有技術中，Jean-YvesBouguet在Http//www.vision.caltech.edu/bouguetj/index.html一文中提出採用人工交互的半自動方法獲取標定基礎數據，操作簡易，但人為的因素明顯影響了基礎數據獲取的精度和效率，而且不利於投影儀及系統參數的標定。Andrew Certain和Li Zhang在http//www.cs.washington.edu/homes/lizhang/projects/hstripe中的Hierarchical Stripe Scanning一文中採用紅色圖案標定板標定攝像機，而後投影藍色圖案到標定板上，由彩色攝像機記錄，通過濾除紅色圖案保留藍色圖案的方法來標定投影儀，這顯然並不適合於三維測量系統中常用的黑白攝像機和物理光柵投影儀的標定。
發明內容
為克服現有技術的不足和缺陷，本發明提出一種型面光學測量系統綜合標定方法，在保證標定基礎數據自動精確獲取的基礎上，實現攝像機、投影儀及系統參數的綜合標定，該標定方法適用於符合三角測量原理的結構光投影三維型面測量系統。
本發明採用獨特的平面標定板設計，標定板以白色為底色，其上分布均勻的黑色菱形方格陣列，方格頂點作為標定點；投影儀標定光柵採用相同的菱形方格陣列圖案，陣列數比標定板菱形方格陣列少1行1列。在標定板中心設計一定位點，同時在測量系統上安裝一對雷射管，標定時使雷射管發出的一對雷射點與標定板上的定位點基本重合，微調標定板位置使得投影儀投影的菱形方格陣列圖案正好落在標定板的白色間隙內，由攝像機記錄投影儀關閉前、後的標定板圖像分別作為投影儀和攝像機的標定圖像，這樣就保證了投影儀和攝像機標定的世界坐標系的統一。對攝像機標定圖像進行角點自動提取處理，獲得攝像機標定的基礎數據，採用兩步標定算法實現攝像機的標定。再對投影儀標定圖像進行角點自動提取處理，由於投影的菱形方格與標定板的菱形方格不重疊，可去除前面已提取的攝像機標定點，精確獲得投影儀標定特徵點的像素坐標，根據攝像機標定結果計算出標定點的空間坐標，與對應的投影儀圖像平面標定點坐標匹配作為基礎數據實現投影儀的標定。在攝像機和投影儀標定結果的基礎上根據投影儀坐標系和攝像機坐標系之間的轉換關係實現系統幾何參數的標定。具體標定步驟如下1)自動獲得基礎數據將標定板置於測量區域，通過一對雷射點和定位圓點調整其位置，使得投影的菱形方格陣列正好位於標定板的白色間隙內，由攝像機記錄投影儀關閉前、後的標定板圖像分別作為投影儀和攝像機的標定圖像。基於canny最佳邊緣檢測準則和最小吸收核同值區(SUSAN)法對攝像機標定圖像進行角點自動提取，獲得攝像機的標定點像素坐標；再對投影儀標定圖像進行同樣的處理，由於投影的菱形方格與標定板的菱形方格並不重疊，可以準確地去除前面已提取的角點，獲得僅有投影儀標定圖案的角點像素坐標，即為投影儀的標定點像素坐標。將攝像機標定點的像素坐標與空間坐標進行自動匹配獲得攝像機標定的基礎數據。
2)攝像機標定以攝像機標定的基礎數據作為輸入，通過兩步標定算法實現攝像機內、外參數的標定。首先根據攝像機坐標系與世界坐標系之間的轉換關係，採用線性最小二乘估計法標定出儘可能多的攝像機參數；然後採用非線性優化方法標定出全部攝像機參數，使得觀察到的標定特徵點圖像與通過模型計算出的特徵點圖像達到最佳匹配。
3)投影儀標定根據已標定的攝像機內外參數求出投影儀標定點對應的空間坐標，與已知的投影儀光柵平面的標定點坐標進行匹配，生成投影儀標定的基礎數據，採用2)中的標定算法實現投影儀內外參數的標定。
4)系統幾何參數標定根據投影儀坐標系和攝像機坐標系與世界坐標系之間的轉換關係得到投影儀坐標系與攝像機坐標系之間的轉換關係，從而獲得系統幾何參數的標定結果。
本發明採用設計獨特的標定板和投影儀標定光柵，並採取基於雷射定位的標定圖像獲取方法，很好地解決了標定點的精確自動提取問題，彌補了顏色過濾方法的不足；並通過在同一標定板位置下獲取攝像機和投影儀標定圖像，確保攝像機標定和投影儀標定中世界坐標系的統一，實現了攝像機和投影儀及測量系統的綜合標定，充分保證型面三維測量的精度和可靠性，具有重要的工程實用價值。
圖1為本發明設計的標定板示意圖。
圖2為投影儀標定圖像示意圖。
圖3為測量系統結構示意圖。
圖中1為標定板菱形方格陣列，2為定位點，3為投影儀投影的菱形方格陣列，4為投影儀，5為攝像機，6為雷射管。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施作進一步描述。
如圖1、圖2、圖3所示，根據本發明型面光學測量系統綜合標定方法對一結構光投影三維型面測量系統進行綜合標定的具體實施步驟如下1.製作標定板及投影儀標定光柵依據圖1的設計，根據測量系統本身的特性，製作相應大小的平面標定板，以白色為底色，其上分布均勻的黑色菱形方格陣列1，標定板中心標有一黑色定位點2。投影儀標定光柵的圖案採用相同的菱形方格陣列，其間距、大小與標定板菱形方格陣列1相對應，陣列數比標定板菱形方格陣列1少一行一列；2.獲得投影儀標定圖像將標定板置於結構光投影三維型面測量系統的測量區域，通過一對雷射管6發出的雷射點及標定板定位點2調整標定板位置，使得投影儀投影的菱形方格陣列3正好位於標定板的白色間隙內，由攝像機5記錄此時的標定板圖像，即為投影儀標定圖像；3.獲得攝像機標定圖像關閉投影儀4，隱去標定板上投影的菱形方格陣列3，由攝像機5記錄此時的標定板圖像，即為攝像機標定圖像；4.獲取攝像機標定點像素坐標對攝像機標定圖像進行處理，根據canny邊緣提取準則獲得標定板菱形方格陣列1中每個菱形方格的邊界，並根據菱形方格的形狀特徵濾除噪聲，獲得菱形方格角點坐標；以角點坐標為中心建立搜索窗口，根據SUSAN法原理求出窗口內吸收核同值區(USAN)面積最小的對應像素點坐標，該坐標即為攝像機標定點像素坐標；5.獲得攝像機標定基礎數據根據拍攝的標定板菱形方格陣列1的分布特徵對標定點像素坐標進行排序，得到標定點像素坐標集A，同時對世界坐標系中標定板上的菱形方格陣列1的頂點按同樣規律進行排序，得到相應的標定點空間坐標集B，由A與B的匹配自動生成攝像機標定的基礎數據；6.線性標定部分攝像機參數以攝像機標定的基礎數據作為已知條件，根據如下基本關係式採用線性最小二乘估計法標定出部分攝像機參數
xcyczc=Rxwywzw+T]]>式中，(xc，yc，zc)為標定點在攝像機坐標系中的坐標，(xw，yw，zw)為標定點在世界坐標系中的空間坐標，R為旋轉矩陣，T為平移矩陣。
7.標定全部攝像機參數採用麥誇爾特(Levenberg-Marquardt)非線性優化方法進行優化，使如下表達式的值最小，獲得全部攝像機內外參數的標定結果i=1N(xIi-xPi)2+i=1N(yIi-yPi)2]]>式中，xIi，yIi為標定點的像素坐標，xPi，yPi為利用已標定參數反求出的對應標定點的計算像素坐標。
8.獲得投影儀標定點像素坐標對投影儀標定圖像進行與步驟4同樣的處理，同時除去步驟4中已提取的攝像機標定點，獲得僅有投影儀菱形方格陣列3圖案的角點坐標，即為投影儀標定點像素坐標；9.獲得投影儀標定基礎數據由於投影儀標定點與攝像機標定點位於同一平面，根據已標定的攝像機內外部參數可計算出投影儀標定點的世界坐標，參照步驟5獲得投影儀標定點空間坐標集Bp，與已知的投影儀光柵平面的標定點坐標集Ap相匹配自動生成投影儀標定基礎數據；10.投影儀標定參照步驟6、7對投影儀的內外參數進行標定；11.結構光投影三維測量系統幾何參數標定由於攝像機標定和投影儀標定的世界坐標系相同(標定板位置相同)，因此可得投影儀坐標系Xp和攝像機坐標系Xc間的轉換關係為XP=RPRC-1XC+TP-RPRC-1TC]]>式中，RP，TP為已標定的投影儀坐標系與世界坐標系之間轉換的旋轉矩陣和平移矩陣，RC，TC為已標定的攝像機坐標系與世界坐標系之間轉換的旋轉矩陣和平移矩陣，令R=RPRC-1=r11r12r13r21r22r23r31r32r33,]]>T=TP-RPRC-1TC=txtytz,]]>則得系統幾何參數d=OCOP=(r13ZT+tx)2+(r23ZT+ty)2+(r33ZT+tz)2]]>L＝d·ctgαFW=d-fCfCs]]>式中，ZT=r13tx+r23ty+r33tzr132+r232+r332,]]>α＝arcsin(r′13)，s為攝像機圖像平面的寬度值，fc為攝像機等效焦距。
權利要求
1.一種型面光學測量系統綜合標定方法，其特徵在於本發明的綜合標定方法包括以下步驟1)製作標定板及投影儀標定光柵根據測量系統本身的特性，製作相應大小的平面標定板，以白色為底色，其上分布均勻的黑色菱形方格陣列(1)，標定板中心標有一黑色定位點(2)，投影儀標定光柵的圖案採用相同的菱形方格陣列，其間距、大小與標定板菱形方格陣列(1)相對應，陣列數比標定板菱形方格陣列(1)少一行一列；2)獲得投影儀標定圖像將標定板置於結構光投影三維型面測量系統的測量區域，通過雷射管(6)發出的雷射點及標定板定位點(2)調整標定板位置，使得投影儀投影的菱形方格陣列(3)正好位於標定板的白色間隙內，由攝像機(5)記錄此時的標定板圖像，即為投影儀標定圖像；3)獲得攝像機標定圖像關閉投影儀(4)，由攝像機(5)記錄此時的標定板圖像，即為攝像機標定圖像；4)獲取攝像機標定點像素坐標根據canny準則和SUSAN法對攝像機標定圖像進行菱形方格角點自動提取處理，精確獲得角點像素坐標即為攝像機標定點像素坐標；5)獲得攝像機標定基礎數據根據標定板菱形方格陣列(1)的分布特徵，將攝像機標定點的像素坐標與空間坐標進行匹配自動生成攝像機標定的基礎數據；6)線性標定部分攝像機參數以攝像機標定基礎數據作為已知條件，根據攝像機坐標系與世界坐標系之間的轉換關係，採用線性最小二乘估計法標定出部分攝像機參數；7)標定全部攝像機參數採用Levenberg-Marquardt非線性優化方法進行優化，獲得全部攝像機內外參數的標定結果；8)獲得投影儀標定點像素坐標對投影儀標定圖像進行與步驟4同樣的處理，同時除去步驟4中已提取的攝像機標定點，獲得投影儀菱形方格陣列(3)的角點像素坐標，即為投影儀標定點像素坐標；9)獲得投影儀標定的基礎數據根據已標定的攝像機參數計算出投影儀標定點的空間坐標，與已知的投影光柵平面的標定點坐標相匹配自動生成投影儀標定的基礎數據；10)投影儀標定參照步驟6、7對投影儀(4)的內外參數進行標定；11)型面光學測量系統幾何參數標定根據投影儀坐標系和攝像機坐標系與世界坐標系之間的轉換關係得到投影儀坐標系和攝像機坐標系之間的轉換關係，從而獲得系統幾何參數的標定結果。
全文摘要
型面光學測量系統綜合標定方法，採用設計獨特的白色底色上分布均勻黑色菱形方格陣列的標定板和相應菱形方格陣列的投影儀標定光柵，通過雷射定位校正標定板的位置，使投影儀投影的菱形方格落在標定板的白色間隙內，由攝像機記錄投影儀關閉前、後的標定板圖像作為標定圖像，對標定圖像進行處理獲得攝像機標定的基礎數據，採用兩步標定法實現攝像機的標定，根據攝像機標定結果計算出投影儀標定點的空間坐標，與對應的投影儀圖像平面標定點坐標匹配作為基礎數據實現投影儀的標定，根據投影儀坐標系和攝像機坐標系之間的轉換關係實現系統幾何參數的標定。本發明解決了標定點的精確自動提取問題，實現攝像機和投影儀及測量系統的綜合標定，具有重要的工程實用價值。
文檔編號G01B11/24GK1570553SQ200410018308
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月13日 優先權日2004年5月13日
發明者嚴雋琪, 習俊通, 姜濤 申請人:上海交通大學