雙單目白光三維測量系統標定方法

2023-06-09 02:23:31

專利名稱：雙單目白光三維測量系統標定方法
技術領域：
本發明涉及一種三維測量系統的標定方法，特別是一種使用幻燈投影儀的雙單目白光三維測量系統參數的標定方法。屬於光學測量和機械工程技術領域。

背景技術：
傳統的攝像機標定方法是通過拍攝已知尺寸的標定參照物，並對拍攝圖像進行處理來獲得標定基礎數據，從而實現攝像機參數的標定。攝像機的標定基礎數據建立了已知標定點的測量坐標系坐標與攝像機圖像處理獲取的標定點投影像素點坐標間的對應關係；傳統的投影儀標定方法是通過投射已知尺寸的標定圖案，並獲得標定圖案中標定點對應測量坐標系三維空間點坐標，實現對投影儀參數的標定。
現有的技術中，對單目測量頭的標定技術通常採用先標定攝像機再標定投影儀的方法，其投影儀的標定基礎數據是根據攝像機的標定結果計算獲取，因此攝像機參數的標定誤差常常影響到投影儀的標定精度。F.Sadlo在論文A practicalstructured light acquisition system for point-based geometry and texture(Symposiumon point-based graphics，2005)提到這種誤差影響使得投影儀標定誤差是攝像機標定誤差的一個數量級以上。此外，該方法需要投影儀投射額外的標定圖案，對幻燈投影儀來說，會增加其外形體積及製作成本。Xiaobo Chen在論文Accuratecalibration for a camera-projector measurement system based on structured lightprojection(Optics and Lasers in Engineering，2008，doi10.1016/j.optlaseng.2007.12.001)提出一種使用數字式投影儀的單目測量頭的參數標定方法，但該方法不適用於使用幻燈投影儀的雙單目三維測量系統，且該方法對參考標定物要求較高，帶來標定的不便。


發明內容
為克服已有技術的不足和缺陷，本發明根據雙單目三維測量的特點，提出了一種全新的雙單目白光三維測量系統參數的標定方法。雙單目白光三維測量系統包括左單目測量頭和右單目測量頭，從兩個視角對被測表面進行三維測量，並將測量結果自動拼合，以實現被測表面數據的完整採集。其中左單目測量頭包括左幻燈投影儀和左攝像機；右單目測量頭包括右幻燈投影儀和右攝像機。左單目測量頭的測量精度由左攝像機參數、左幻燈投影儀參數以及左攝像機與左幻燈投影儀位姿轉換關係決定；右單目測量頭的測量精度由右攝像機參數、右幻燈投影儀參數以及右攝像機與右幻燈投影儀位姿轉換關係決定；左單目測量頭測量結果與右單目測量頭測量結果之間的拼合精度由左單目測量頭測量坐標系和右單目測量頭測量坐標系位姿轉換關係決定。為保證雙單目白光測量系統測量和數據拼合的精度和可靠性，需要對這些測量系統部件參數以及相互位姿轉換關係進行精確標定。
本發明使用平面標定板作為已知標定物置於系統測量範圍內，通過處理左攝像機拍攝的左幻燈投影儀投射至標定板的結構光條紋圖像，獲得標定點在左攝像機中對應投影像素點及其絕對相位值；通過處理右攝像機拍攝的右幻燈投影儀投射至標定板的結構光條紋圖像，獲得標定點在右攝像機中對應投影像素點及絕對相位值。根據這些系統標定基礎數據，分別對測量系統左單目測量頭和右單目測量頭進行線性標定，獲得儘可能多的測量系統參數初始值。在線性標定的基礎上對測量系統進行全局非線性優化標定，獲得測量系統所有參數的優化值，並計算左單目測量頭和右單目測量頭測量坐標系相互轉換關係，從而實現雙單目白光三維測量系統參數的標定。具體標定步驟如下 1)製作標定板。以黑色為底色製作平面標定板。標定板上均勻分布已知間隔的白色標誌圓陣列圖案，其圓心陣列用作標定測量系統的標定點。標定板中心有兩個直徑較小的白色標識圓，用來標識標定板中心位置標定點。
2)獲取測量系統標定所需圖像。將標定板置於雙單目白光三維測量系統的測量空間中，並處於左攝像機和右攝像機拍攝場景內。分別開啟左幻燈投影儀和右幻燈投影儀，投射一組結構光條紋圖案至標定板上，左攝像機和右攝像機分別採集每幅結構光條紋圖案。
3)測量系統標定基礎數據的獲取。
測量系統的標定基礎數據包括標定點在世界坐標系的三維坐標，標定點在左攝像機成像平面上對應的二維成像點位置及其一維絕對相位值，標定點在右攝像機成像平面上對應的二維成像點位置及其一維絕對相位值。
3.1)標定點在世界坐標系中三維坐標的獲取。
定義測量系統世界坐標系以標識圓標識的標定點為原點，以標誌圓陣列水平擴展方向為X軸，以標誌圓陣列豎直擴展方向為Y軸，Z軸垂直於標定板往外。根據已知的標誌圓間隔距離，確定標誌點在測量系統世界坐標系中的三維坐標。其中，因為標定點均處於標定板平面內，所以標定點的Z坐標均為0。
3.2)左單目測量頭標定基礎數據的獲取。
計算所有左攝像機拍攝圖像對應像素點的灰度最大值，獲得左攝像機拍攝場景下標定板的全白圖像。標定板全白圖像經二值化、連通域提取圖像處理算法後，獲得標誌圓和標識圓在左攝像機成像平面中的投影區域。計算標誌圓投影區域的質心，獲得標定點在左攝像機成像平面中的二維成像點位置。標識圓投影區域可確定世界坐標系原點在左攝像機成像平面中的二維成像點位置。根據標定點的成像點和原點成像點的相對位置關係，確定各標定點的成像點所對應世界坐標系標定點，從而建立左攝像機成像平面中各標定點的二維成像點位置與世界坐標系下標定點三維坐標的一一對應關係。
左攝像機拍攝的結構光條紋圖像按照格雷碼和相移編碼規則進行解碼，得到左攝像機圖像的絕對相位圖。根據左攝像機圖像中提取的標定點的二維成像點位置，按線性插值原理，獲得左攝像機成像平面中標定點二維成像點的絕對相位值。
3.3)右單目測量頭標定基礎數據的獲取。
右單目測量頭標定基礎數據的獲取與左單目測量頭完全一致。右攝像機拍攝的結構光條紋圖像進行處理後，建立右攝像機成像平面中各標定點的二維成像點位置與世界坐標系下標定點三維坐標的一一對應關係，並獲取右攝像機成像平面中標定點二維成像點的絕對相位值。
4)測量系統參數的線性標定。
4.1)左單目測量頭參數的線性標定。
左單目測量頭標定基礎數據中世界坐標系下標定點三維坐標表示為[XL YL 0]T，左攝像機成像平面中標定點的二維成像點表示為[xL yL]T，左攝像機成像平面中標定點二維成像點的絕對相位值表示為φL。則左單目測量頭成像轉換關係由如下基本關係式表述


(fp)L□(xp)L/(zp)L＝(φL-(φp)L)□PL/2π 式中，[(xc)L(yc)L(zc)L]T為標定點在左攝像機坐標系中的三維坐標。其中，左攝像機坐標系定義如下以左攝像機鏡頭投影中心為原點，左攝像機鏡頭光軸為Z軸，像素行方向為X軸，像素列方向為Y軸。[(xp)L(yp)L(zp)L]T為標定點在左幻燈投影儀坐標系中的三維坐標。其中，左幻燈投影儀坐標系定義如下以左幻燈投影儀鏡頭投影中心為原點，左幻燈投影儀鏡頭光軸為Z軸，垂直於結構光條紋方向為X軸，平行於結構光條紋方向為Y軸。(Rc)L和(Tc)L分別為世界坐標繫到左攝像機坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣。(Rp)L和(Tp)L分別為世界坐標繫到左幻燈投影儀坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣。(fc)L和(fp)L分別為左攝像機和左幻燈投影儀的等效焦距，[(uc)L(vc)L]T為左攝像機主點，(φp)L為左幻燈投影儀主相位，PL為左幻燈投影儀所用物理編碼光柵的周期。
根據以上基本轉換關係，採用線性最小二乘估計法標定出(Rc)L、(Tc)L、(fc)L、(Rp)L、(Tp)L、(fp)L。
4.2)右單目測量頭參數的線件標定。
右單目測量頭參數的成像轉換關係與左單目測量頭完全一致，最後採用線性最小二乘估計法獲得世界坐標繫到右攝像機坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rc)R和(Tc)R、世界坐標繫到右幻燈投影儀坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rp)R和(Tp)R、右攝像機和右幻燈投影儀的等效焦距(fc)R和(fp)R。
5)測量系統參數的全局非線性優化標定。
在測量系統標定基礎數據和測量系統線性標定結果的基礎上，採用Levenberg-Marquardt非線性優化方法，全局優化左攝像機和左幻燈投影儀以及右攝像機和右幻燈投影儀的參數。優化目標函數是使標定點在左攝像機和左幻燈投影儀及右攝像機和右幻燈投影儀的投影誤差的平方和最小，該目標函數可表示如下 式中xR、yR為標定點在右攝像機成像平面中二維成像點，x′L、y′L、φ′L為由左單目測量頭成像轉換關係計算得到的標定點在左攝像機成像平面的二維成像點坐標以及在左幻燈投影儀的投影點絕對相位值。x′R、y′R、φ′R為由右單目測量頭成像轉換關係計算得到的標定點在右攝像機成像平面的二維成像點坐標以及在右幻燈投影儀的投影點絕對相位值。NL，NR分別為左單目測量頭和右單目測量頭標定基礎數據中所用標定點的數目。
測量系統參數全局非線性優化標定後，獲得所有標定參數為左攝像機的焦距(fc)L和主點[(uc)L(vc)L]T，左幻燈投影儀的焦距(fp)L和主相位(φp)L，右攝像機的焦距(fc)R和主點[(uc)R(vc)R]T，右幻燈投影儀的焦距(fp)R和主相位(φp)R，世界坐標系相對於左攝像機坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rc)L、(Tc)L，世界坐標系相對於左幻燈投影儀坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rp)L、(Tp)L，世界坐標系相對於右攝像機坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rc)R、(Tc)R，世界坐標系相對於右幻燈投影儀坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rp)R、(Tp)R。
6)求取左單目測量頭和右單目測量頭測量坐標系間位姿轉換矩陣。
左單目測量頭和右單目測量頭參數標定後，對左單目測量頭和右單目測量頭標定基礎數據中共同的標定點進行三維重建，分別獲得這些標定點在左單目測量頭測量坐標系中坐標[X′L Y′L Z′L]T和在右單目測量頭測量坐標系中坐標[X′R Y′R Z′R]T，其相互轉換關係可表示為 [X′L Y′L Z′L]T＝RRL□[X′R Y′R Z′R]T+TRL [X′R Y′R Z′R]T＝RLR□[X′L Y′L Z′L]T+TLR 式中，RRL和TRL分別為右單目測量頭測量坐標繫到左單目測量頭測量坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣，RLR和TLR分別為左單目測量頭測量坐標繫到右單目測量頭測量坐標系的旋轉和平移矩陣。根據上述轉換關係，採用線性最小二乘估計法確定RRL、TRL、RLR和TLR。
有益效果 本發明在分別對左單目測量頭和右單目測量頭線性標定的基礎上，對左攝像機、左幻燈投影儀、右攝像機和右幻燈投影儀參數進行全局優化標定，避免了現有技術中投影儀的標定基礎數據受到攝像機標定結果的影響，保證了雙單目白光三維測量系統的測量精度和可靠性，具有重要的工程實用價值。



圖1本發明雙單目白光三維測量系統標定方法流程框圖 圖2本發明平面標定板示意圖 圖3本發明雙單目白光三維測量系統示意圖 圖中1左單目測量頭、2右單目測量頭、3測量頭支架、4測量頭平移機構、5控制櫃、6計算機、7左幻燈投影儀、8左攝像機、9右幻燈投影儀、10右攝像機、11標定板、12標誌圓、13標識圓
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明的具體實施做進一步描述。
如圖3所示，本發明方法標定的測量系統為用於患者顏面缺損修復的雙單目白光三維測量系統。該測量系統包括左單目測量頭1、右單目測量頭2、測量頭支架3、測量頭平移機構4、控制櫃5和計算機6。其中左單目測量頭1包括左幻燈投影儀7和左攝像機8，右單目測量頭2包括右幻燈投影儀9和右攝像機10。左幻燈投影儀7和右幻燈投影儀9分別置於左攝像機8和右攝像機10上方。
如圖1、圖2所示，本發明標定方法的具體實施步驟如下 1)製作標定板11。以黑色為底色製作400×300mm尺寸平面標定板11。標定板11上均勻分布30mm間隔的11×15白色標誌圓12陣列圖案，其圓心陣列用作標定測量系統的標定點。標定板11中心有兩個直徑較小的白色標識圓13，用來標識標定板11中心位置標定點。
2)獲取測量系統標定所需圖像。將標定板11置於雙單目白光三維測量系統的測量空間中，並處於左攝像機8和右攝像機10拍攝場景內。分別開啟左幻燈投影儀7和右幻燈投影儀9，投射一組結構光條紋圖案至標定板11上，左攝像機8和右攝像機10分別採集每幅結構光條紋圖案。
3)測量系統標定基礎數據的獲取。
測量系統的標定基礎數據包括標定點在世界坐標系的三維坐標，標定點在左攝像機8成像平面上對應的二維成像點位置及其一維絕對相位值，標定點在右攝像機10成像平面上對應的二維成像點位置及其一維絕對相位值。
3.1)標定點在世界坐標系中三維坐標的獲取。
定義測量系統世界坐標系以標識圓13標識的標定點為原點，以標誌圓12陣列水平擴展方向為X軸，以標誌圓12陣列豎直擴展方向為Y軸，Z軸垂直於標定板11往外。根據已知的標誌圓12間隔距離，確定標誌點在測量系統世界坐標系中的三維坐標。其中，因為標定點均處於標定板11平面內，所以標定點的Z坐標均為0。
3.2)左單目測量頭1標定基礎數據獲取。
計算所有左攝像機8拍攝圖像對應像素點的灰度最大值，獲得左攝像機8拍攝場景下標定板11的全白圖像。標定板11全白圖像經二值化、連通域提取圖像處理算法後，獲得標誌圓12和標識圓13在左攝像機8成像平面中的投影區域。計算標誌圓12投影區域的質心，獲得標定點在左攝像機8成像平面中的二維成像點位置。標識圓13投影區域可確定世界坐標系原點在左攝像機8成像平面中的二維成像點位置。根據標定點的成像點和原點成像點的相對位置關係，確定各標定點的成像點所對應世界坐標系標定點，從而建立左攝像機8成像平面中各標定點的二維成像點位置與世界坐標系下標定點三維坐標的一一對應關係。
左攝像機8拍攝的結構光條紋圖像按照格雷碼和相移編碼規則進行解碼，得到左攝像機8圖像的絕對相位圖。根據左攝像機8圖像中提取的標定點的二維成像點位置，按線性插值原理，獲得左攝像機8成像平面中標定點二維成像點的絕對相位值。
3.3)右單目測量頭2標定基礎數據獲取。
右單目測量頭2標定基礎數據的獲取與左單目測量頭1完全一致。右攝像機10拍攝的結構光條紋圖像進行處理後，建立右攝像機10成像平面中各標定點的二維成像點位置與世界坐標系下標定點三維坐標的一一對應關係，並獲取右攝像機10成像平面中標定點二維成像點的絕對相位值。
4)測量系統參數的線性標定。
4.1)左單目測量頭1參數的線性標定。
左單目測量頭1標定基礎數據中世界坐標系下標定點三維坐標表示為[XL YL 0]T，左攝像機8成像平面中標定點的二維成像點表示為[xL yL]T，左攝像機8成像平面中標定點二維成像點的絕對相位值表示為φL。則左單目測量頭1成像轉換關係由如下基本關係式表述


(fp)L□(xp)L/(zp)L＝(φL-(φp)L)□PL/2π 式中，[(xc)L(yc)L(zc)L]T為標定點在左攝像機8坐標系中的三維坐標。其中，左攝像機8坐標系定義如下以左攝像機8鏡頭投影中心為原點，左攝像機8鏡頭光軸為Z軸，像素行方向為X軸，像素列方向為Y軸。[(xp)L(yp)L(zp)L]T為標定點在左幻燈投影儀7坐標系中的三維坐標。其中，左幻燈投影儀7坐標系定義如下以左幻燈投影儀7鏡頭投影中心為原點，左幻燈投影儀7鏡頭光軸為Z軸，垂直於結構光條紋方向為X軸，平行於結構光條紋方向為Y軸。(Rc)L和(Tc)L分別為世界坐標繫到左攝像機8坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣。(Rp)L和(Tp)L分別為世界坐標繫到左幻燈投影儀7坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣。(fc)L和(fp)L分別為左攝像機8和左幻燈投影儀7的等效焦距，[(uc)L(vc)L]T為左攝像機8主點，(φp)L為左幻燈投影儀7主相位，PL＝0.068毫米為左幻燈投影儀7所用物理編碼光柵的周期。
根據以上基本轉換關係，採用線性最小二乘估計法標定出(Rc)L、(Tc)L、(fc)L、(Rp)L、(Tp)L、(fp)L。
4.2)右單目測量頭2參數的線性標定。
右單目測量頭2參數的成像轉換關係與左單目測量頭1完全一致，最後採用線性最小二乘估計法獲得世界坐標繫到右攝像機10坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rc)R和(Tc)R、世界坐標繫到右幻燈投影儀9坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rp)R和(Tp)R、右攝像機10和右幻燈投影儀9的等效焦距(fc)R和(fp)R。
5)測量系統參數的全局非線性優化標定。
在測量系統標定基礎數據和測量系統線性標定結果的基礎上，採用Levenberg-Marquardt非線性優化方法，全局優化左攝像機8和左幻燈投影儀7以及右攝像機10和右幻燈投影儀9的參數。優化目標函數是使標定點在左攝像機8和左幻燈投影儀7及右攝像機10和右幻燈投影儀9的投影誤差的平方和最小，該目標函數可表示如下 式中xR、yR為標定點在右攝像機10成像平面中二維成像點，x′L、y′L、φ′L為由左單目測量頭1成像轉換關係計算得到的標定點在左攝像機8成像平面的二維成像點坐標以及在左幻燈投影儀7的投影點絕對相位值。x′R、y′R、φ′R為由右單目測量頭2成像轉換關係計算得到的標定點在右攝像機10成像平面的二維成像點坐標以及在右幻燈投影儀9的投影點絕對相位值。NL，NR分別為左單目測量頭1和右單目測量頭2標定基礎數據中所用標定點的數目。
測量系統參數全局非線性優化標定後，獲得如下測量系統參數 左攝像機8焦距(fc)L＝3128.0576像素 左攝像機8主點[(uc)L(vc)L]T＝[740.1023 480.3683]T像素 左幻燈投影儀7焦距(fp)L＝12.2967毫米 左幻燈投影儀7主相位(φp)L＝315.3140弧度 右攝像機10焦距(fc)R＝3097.8152像素 右攝像機10主點[(uc)R(vc)R]T＝[675.9298 520.8714]T像素 右幻燈投影儀9焦距(fp)R＝11.9606毫米 右幻燈投影儀9主相位(φp)R＝283.5932弧度 世界坐標繫到左攝像機8坐標系的旋轉矩陣 (Rc)L＝
世界坐標繫到左攝像機8坐標系的平移矩陣 (Tc)L＝[-138.3812 -86.0117 871.9031]T毫米 世界坐標繫到左幻燈投影儀7坐標系的旋轉矩陣 (Rp)L＝
世界坐標繫到左幻燈投影儀7坐標系的平移矩陣 (Tp)L＝[-108.3752 -118.9290 878.4187]T毫米 世界坐標繫到右攝像機10坐標系的旋轉矩陣 (Rc)R＝
世界坐標繫到右攝像機10坐標系的平移矩陣 (Tc)R＝[-106.4270 -35.364 821.6794]T毫米 世界坐標繫到右幻燈投影儀9坐標系的旋轉矩陣 (Rp)R＝
世界坐標繫到右幻燈投影儀9坐標系的平移矩陣 (Tp)R＝[-107.5008 -69.0602 805.4233]T毫米 6)求取左單目測量頭1和右單目測量頭2測量坐標系間位姿轉換矩陣。
左單目測量頭1和右單目測量頭2參數標定後，對左單目測量頭1和右單目測量頭2標定基礎數據中共同的標定點進行三維重建，分別獲得這些標定點在左單目測量頭1測量坐標系中坐標[X′L Y′L Z′L]T和在右單目測量頭2測量坐標系中坐標[X′R Y′R Z′R]T，其相互轉換關係可表示為 [X′L Y′L Z′L]T＝RRL□[X′R Y′R Z′R]T+TRL [X′R Y′R Z′R]T＝RLR□[X′L Y′L Z′L]T+TLR 式中，RRL和TRL分別為右單目測量頭1測量坐標繫到左單目測量頭2測量坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣，RLR和TLR分別為左單目測量頭1測量坐標繫到右單目測量頭2測量坐標系的旋轉和平移矩陣。根據上述轉換關係，採用線性最小二乘估計法確定以下位姿轉換矩陣 RRL＝
TRL＝[-138.3812 -86.0118 871.9031]T毫米 RLR＝
TLR＝[138.3812 86.0118 -871.9031]T毫米
權利要求
1.一種雙單目白光三維測量系統參數的標定方法，其特徵在於本發明的標定方法包括如下步驟
1)製作標定板(11)以黑色為底色製作平面標定板(11)，標定板(11)上均勻分布已知間隔的白色標誌圓(12)陣列圖案，其圓心陣列用作標定測量系統的標定點，標定板(11)中心有兩個直徑較小的白色標識圓(13)，用來標識標定板(11)中心位置標定點；
2)獲取測量系統標定所需圖像將標定板(11)置於雙單目白光三維測量系統的測量空間中，並處於左攝像機(8)和右攝像機(10)拍攝場景內，分別開啟左幻燈投影儀(7)和右幻燈投影儀(9)，投射一組結構光條紋圖案至標定板(11)上，左攝像機(8)和右攝像機(10)分別採集每幅結構光條紋圖案；
3)測量系統標定基礎數據的獲取
測量系統的標定基礎數據包括標定點在世界坐標系的三維坐標，標定點在左攝像機(8)成像平面上對應的二維成像點位置及其一維絕對相位值，標定點在右攝像機(10)成像平面上對應的二維成像點位置及其一維絕對相位值；
3.1)標定點在世界坐標系中三維坐標的獲取
定義測量系統世界坐標系以標識圓(13)標識的標定點為原點，以標誌圓(12)陣列水平擴展方向為X軸，以標誌圓(12)陣列豎直擴展方向為Y軸，Z軸垂直於標定板(11)往外，根據已知的標誌圓(12)間隔距離，確定標誌點在測量系統世界坐標系中的三維坐標，其中，因為標定點均處於標定板(11)平面內，所以標定點的Z坐標均為0；
3.2)左單目測量頭(1)標定基礎數據獲取
計算所有左攝像機(8)拍攝圖像對應像素點的灰度最大值，獲得左攝像機(8)拍攝場景下標定板(11)的全白圖像，標定板(11)全白圖像經二值化、連通域提取圖像處理算法後，獲得標誌圓(12)和標識圓(13)在左攝像機(8)成像平面中的投影區域，計算標誌圓(12)投影區域的質心，獲得標定點在左攝像機(8)成像平面中的二維成像點位置，標識圓(13)投影區域確定世界坐標系原點在左攝像機(8)成像平面中的二維成像點位置，根據標定點的成像點和原點成像點的相對位置關係，確定各標定點的成像點所對應世界坐標系標定點，從而建立左攝像機(8)成像平面中各標定點的二維成像點位置與世界坐標系下標定點三維坐標的一一對應關係；
左攝像機(8)拍攝的結構光條紋圖像按照格雷碼和相移編碼規則進行解碼，得到左攝像機(8)圖像的絕對相位圖，根據左攝像機(8)圖像中提取的標定點的二維成像點位置，按線性插值原理，獲得左攝像機(8)成像平面中標定點二維成像點的絕對相位值；
3.3)右單目測量頭(2)標定基礎數據獲取
右單目測量頭(2)標定基礎數據的獲取與左單目測量頭(1)完全一致，右攝像機(10)拍攝的結構光條紋圖像進行處理後，建立右攝像機(10)成像平面中各標定點的二維成像點位置與世界坐標系下標定點三維坐標的一一對應關係，並獲取右攝像機(10)成像平面中標定點二維成像點的絕對相位值；
4)測量系統參數的線性標定
4.1)左單目測量頭(1)參數的線性標定
左單目測量頭(1)標定基礎數據中世界坐標系下標定點三維坐標表示為[XL YL 0]T，左攝像機(8)成像平面中標定點的二維成像點表示為[xL yL]T，左攝像機(8)成像平面中標定點二維成像點的絕對相位值表示為φL，則左單目測量頭(1)成像轉換關係由如下基本關係式表述
(fp)L□(xp)L/(zp)L＝(φL-(φp)L)□PL/2π
式中，[(xc)L(yc)L(zc)L]T為標定點在左攝像機(8)坐標系中的三維坐標，其中，左攝像機(8)坐標系定義如下以左攝像機(8)鏡頭投影中心為原點，左攝像機(8)鏡頭光軸為Z軸，像素行方向為X軸，像素列方向為Y軸，[(xp)L(yp)L(zp)L]T為標定點在左幻燈投影儀(7)坐標系中的三維坐標，其中，左幻燈投影儀(7)坐標系定義如下以左幻燈投影儀(7)鏡頭投影中心為原點，左幻燈投影儀(7)鏡頭光軸為Z軸，垂直於結構光條紋方向為X軸，平行於結構光條紋方向為Y軸，(Rc)L和(Tc)L分別為世界坐標繫到左攝像機(8)坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣，(Rp)L和(Tp)L分別為世界坐標繫到左幻燈投影儀(7)坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣，(fc)L和(fp)L分別為左攝像機(8)和左幻燈投影儀(7)的等效焦距，[(uc)L(vc)L]T為左攝像機(8)主點，(φp)L為左幻燈投影儀(7)主相位，PL為左幻燈投影儀(7)所用物理編碼光柵的周期，根據以上基本轉換關係，採用線性最小二乘估計法標定出(Rc)L、(Tc)L、(fc)L、(Rp)L、(Tp)L、(fp)L；
4.2)右單目測量頭(2)參數的線性標定
右單目測量頭(2)參數的成像轉換關係與左單目測量頭(1)完全一致，最後採用線性最小二乘估計法獲得世界坐標繫到右攝像機(10)坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rc)R和(Tc)R、世界坐標繫到右幻燈投影儀(9)坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rp)R和(Tp)R、右攝像機(10)和右幻燈投影儀(9)的等效焦距(fc)R和(fp)R；
5)測量系統參數的全局非線性優化標定
在測量系統標定基礎數據和測量系統線性標定結果的基礎上，採用Levenberg-Marquardt非線性優化方法，全局優化左攝像機(8)和左幻燈投影儀(7)以及右攝像機(10)和右幻燈投影儀(9)的參數，優化目標函數是使標定點在左攝像機(8)和左幻燈投影儀(7)及右攝像機(10)和右幻燈投影儀(9)的投影誤差的平方和最小，該目標函數可表示如下
式中xR、yR為標定點在右攝像機(10)成像平面中二維成像點，x′L、y′L、φ′L為由左單目測量頭(1)成像轉換關係計算得到的標定點在左攝像機(8)成像平面的二維成像點坐標以及在左幻燈投影儀(7)的投影點絕對相位值，x′R、y′R、φ′R為由右單目測量頭(2)成像轉換關係計算得到的標定點在右攝像機(10)成像平面的二維成像點坐標以及在右幻燈投影儀(9)的投影點絕對相位值，NL，NR分別為左單目測量頭(1)和右單目測量頭(2)標定基礎數據中所用標定點的數目，
測量系統參數全局非線性優化標定後，獲得所有標定參數為左攝像機(8)的焦距(fc)L和主點[(uc)L(vc)L]T，左幻燈投影儀(7)的焦距(fp)L和主相位(φp)L，右攝像機(10)的焦距(fc)R和主點[(uc)R(vc)R]T，右幻燈投影儀(9)的焦距(fp)R和主相位(φp)R，世界坐標系相對於左攝像機(8)坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rc)L、(Tc)L，世界坐標系相對於左幻燈投影儀(7)坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rp)L、(Tp)L，世界坐標系相對於右攝像機(10)坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rc)R、(Tc)R，世界坐標系相對於右幻燈投影儀(9)坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣(Rp)R、(Tp)R；
6)求取左單目測量頭(1)和右單目測量頭(2)測量坐標系間位姿轉換矩陣
左單目測量頭(1)和右單目測量頭(2)參數標定後，對左單目測量頭(1)和右單目測量頭(2)標定基礎數據中共同的標定點進行三維重建，分別獲得這些標定點在左單目測量頭(1)測量坐標系中坐標[X′L Y′L Z′L]T和在右單目測量頭(2)測量坐標系中坐標[X′R Y′R Z′R]T，其相互轉換關係可表示為
[X′L Y′L Z′L]T＝RRL□[X′R Y′R Z′R]T+TRL
[X′R Y′R Z′R]T＝RLR□[X′L Y′L Z′L]T+TLR
式中，RRL和TRL分別為右單目測量頭(1)測量坐標繫到左單目測重頭(2)測量坐標系的旋轉和平移位姿轉換矩陣，RLR和TLR分別為左單目測量頭(1)測量坐標繫到右單目測量頭(2)測量坐標系的旋轉和平移矩陣，根據上述轉換關係，採用線性最小二乘估計法確定RRL、TRL、RLR和TLR。
2.根據權利要求1所述的測量顏面缺損患者面部三維形貌的方法，其特徵是所述的步驟1)中，平面標定板(11)尺寸為400×300mm，白色標誌圓(12)的陣列為11×15，按30mm間隔均勻分布。
3.根據權利要求1所述的測量顏面缺損患者面部三維形貌的方法，其特徵是所述的步驟5)中，
(fc)L＝3128.0576像素
[(uc)L(vc)L]T＝[740.1023 480.3683]T像素
(fp)L＝12.2967毫米
(φp)L＝315.3140弧度
(fc)R＝3097.8152像素
[(uc)R(vc)R]T＝[675.9298 520.8714]T像素
(fp)R＝11.9606毫米
(φp)R＝283.5932弧度
(Rc)L＝
(Tc)L＝[-138.3812-86.0117 871.9031]T毫米
(Rp)L＝
(Tp)L＝[-108.3752-118.9290 878.4187]T毫米
(Rc)R＝
(Tc)R＝[-106.4270-35.364 821.6794]T毫米
(Rp)R＝
(Tp)R＝[-107.5008-69.0602 805.4233]T毫米。
4.根據權利要求1所述的測量顏面缺損患者面部三維形貌的方法，其特徵是所述的步驟6)中，
RRL＝
TRL＝[-138.3812-86.0118 871.9031]T毫米
RLR＝
TLR＝[138.3812 86.0118-871.9031]T毫米。
全文摘要
雙單目白光三維測量系統參數的標定方法，屬於光學測量和機械工程領域。本發明使用平面標定板作為已知標定物置於系統測量範圍內，通過處理左攝像機拍攝的左幻燈投影儀投射至標定板的結構光條紋圖像，獲得標定點在左攝像機中對應投影像素點及其絕對相位值；通過處理右攝像機拍攝的右幻燈投影儀投射至標定板的結構光條紋圖像，獲得標定點在右攝像機中對應投影像素點及絕對相位值。根據這些系統標定基礎數據，分別對測量系統左單目測量頭和右單目測量頭進行線性標定，獲得儘可能多的測量系統參數初始值。在線性標定的基礎上對測量系統進行全局非線性優化標定，獲得測量系統所有參數的優化值，從而實現雙單目白光三維測量系統參數的精確標定。
文檔編號G01B11/24GK101308012SQ20081003822
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月29日 優先權日2008年5月29日
發明者習俊通, 陳曉波, 熊耀陽, 張富強 申請人:上海交通大學