專利名稱：投影結構光空間位置和形狀的多點擬合標定方法
技術領域：
本發明涉及的是一種光學技術領域的標定方法，具體是一種投影結構光空間位置和形狀的多點擬合標定方法。
背景技術：
結構光三維面形成像系統的應用日益廣泛，其中，投影結構光空間位置和形狀參數的精度與三維測量數據的精度有著直接聯系。因此，如何實現投影結構光空間位置和形狀的高精度標定對保證三維測量的精確性有著重要的研究意義。然而，目前現有的一些利用結構光實現三維成像的系統中，對結構光大都采取目測估計的方法，人為因素影響較大，而主要的投影結構光的標定方法存在問題是(1)將投影結構光假設為平面，過于簡單，由于用于生成結構光的投影裝置在制作、安裝中不可避免地出現誤差，特別是以投影儀為代表的結構光投影裝置不可避免地存在光學畸變，投影裝置發出的投影結構光往往都有變形，故只將投影結構光假設為平面在實際應用時存在較大缺陷；(2)現有投影結構光標定裝置的結構非常復雜，需要特殊的工作臺，操作過程要求高。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利公開(公告)號CN1570553A，名稱為“型面光學測量系統綜合標定方法”，雖然提出了攝像機與投影儀及測量系統的綜合標定，但該方法僅對投影儀進行了標定，標定了投影儀的光學參數，并未完成對結構光自身的標定，對于其他任意裝置產生的投影結構光標定不具有廣泛的應用價值。此外，該方法首先需要特制標定板，其精度與一致性均不易控制，直接影響標定精度。并且在標定過程中，當標定板傾斜放置時，要使投影儀投影的菱形方格陣列正好位于標定板的白色間隙內非常困難，標定板的位置擺放局限性很大，無法充分獲取攝像機視場角范圍內標定數據，使精度難以提高，可操作性差。
發明內容
為克服現有技術中的不足，對現有技術進一步完善，本發明提出一種投影結構光空間位置和形狀的多點擬合標定方法，通過多次獲取同一投影結構光曲面與參考面想截線上多點的空間位置，求解曲面方程確定結構光空間位置和形狀的參數，實現高精度的投影結構光標定。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明在結構光三維成像系統的有效視場范圍內，投影裝置產生投影結構光，多次改變參考面空間位置，二維成像裝置攝取投影結構光空間曲面與參考面多次相截的圖像并存入計算機，計算機通過域值法和空間位置轉換關系計算出多條相截線上多點在結構光投影三維成像系統坐標系下的坐標值，以多點擬合實現高精度的結構光空間位置和形狀的標定。
所述的參考面是指，在結構光三維成像系統有效視場范圍內，與結構光曲面相交，且能夠實現對二維成像裝置的標定，確定二維成像裝置的內參數，通過計算確定參考面坐標系與二維成像裝置坐標系間的空間位置轉換關系的平面。
所述的多次改變參考面空間位置是指，二維成像裝置攝取投影結構光空間曲面與參考面相截的圖像時，參考面所處的空間位置多次改變并覆蓋整個結構光三維成像系統的有效視場范圍。
對于多個二維成像裝置與結構光陣列組成的三維成像系統，可通過先后標定各結構光曲面在其中一個二維成像裝置坐標系下的空間位置和形狀，進而利用各個二維成像裝置間的空間位置轉換關系，實現結構光陣列中各個投影結構光曲面在每個二維成像裝置坐標系下的空間位置和形狀的標定。
與現有技術相比，在本發明方法的實現中，對標定裝置的要求低，不需制作特定復雜的標定板，無需提供特殊的工作臺，操作簡單，只需參考面與投影結構光相截即可，減少了標定過程的復雜性，方便快捷，易于現場標定、現場調試，可應用于任何基于結構光投影的三維成像系統，對于三維成像系統精度的提高有重要意義。
圖1為本發明投影結構光空間位置和形狀的多點擬合標定方法示意圖。圖中，A為投影結構光與參考面在位置1的相截線，B為投影結構光與參考面在位置2的相截線。O為二維成像裝置光心。
圖2為基于投影結構光陣列的雙目視覺三維成像系統示意圖。
具體實施例方式
為了更好的理解本發明的技術方案，下面結合附圖和實施例作進一步的詳細描述。
如圖1所示，為本發明投影結構光空間位置和形狀的多點擬合標定方法示意圖。以二維成像裝置的透鏡中心為原點，以其光軸為OZ軸，建立二維成像裝置坐標系OXYZ，二維成像裝置采用的是現有任意一種二維成像技術，例如CCD攝像機、CMOS攝像機、PSD位置敏感傳感器等通用成像裝置。投影裝置的投影方式可采用現有任意一種二維投影結構光技術，例如線激光投影、光柵投影、彩色結構光投影等。參考面是指，在結構光三維成像系統有效視場范圍內，與結構光曲面相交的空間平面，取參考面上特定一直角交叉線為OXrYr，建立參考面坐標系OXrYrZr，通過空間計算，能夠確定參考面坐標系OXrYrZr與二維成像裝置坐標系OXYZ間的空間位置轉換關系，如棋盤格標定板、網格標定板等。當二維成像裝置攝取投影結構光空間曲面與參考面多次相截的圖像并存入計算機，計算機通過域值法能夠將相截線從背景中區分和識別出。
在結構光三維成像有效視場范圍內，首先用現有的標定技術用參考面來標定二維成像裝置的內參數，如二步法、四步法等。參考面的空間位置多次改變，并覆蓋整個結構光三維成像系統的有效視場范圍，改變參考面位置的次數一般在40次以上。二維成像裝置攝取投影結構光空間曲面與參考面多次相截的圖像并存入計算機。在計算機中，通過空間計算，確定參考面坐標系OXrYrZr與二維成像裝置坐標系OXYZ的坐標系轉換關系。計算機通過域值法來識別出投影結構光截線，并利用參考面坐標系OXrYrZr與二維成像裝置坐標系OXYZ的坐標系轉換關系，來計算出多條相截線上多點在結構光投影三維成像系統坐標系OXYZ下的坐表侄，以多點擬合實現高精度的結構光曲面空間位置標定。其中，每條相截線上取點方式為均勻間隔取點，取點數大于40個。即以1600個三維點擬合投影結構光空間曲面，即標定出投影結構光的空間位置和形狀的參數。
如圖2所示，為基于結構光陣列的雙目視覺三維成像系統示意圖。分別以各個二維成像裝置的透鏡中心為原心，光軸為O1Z1軸和O2Z2軸，建立成像裝置坐標系O1X1Y1Z1、O2X2Y2Z2。結構光陣列由投影裝置產生，分別與二維成像裝置1、2構成三維成像系統。
在兩個三維成像系統有效視場公共區域內，改變參考面的空間位置，兩個成像裝置同時攝取圖像，首先利用現有標定技術對系統中的各成像裝置進行立體標定，獲取兩成像裝置坐標系間的旋轉矩陣R及平移向量T。在采用投影結構光空間位置和形狀的多點擬合標定方法完成結構光陣列中各投影結構光曲面在二維成像裝置坐標系O1X1Y1Z1下的空間位置和形狀標定后，再利用O1X1Y1Z1與O2X2Y2Z2坐標系的空間位置變轉換關系，完成各投影結構光曲面在二維成像裝置坐標系O2X2Y2Z2下的標定。
同樣，對于多個二維成像裝置與結構光陣列組成的三維成像系統，可通過先后標定各結構光曲面在其中一個二維成像裝置坐標系下的空間位置和形狀，進而利用各個二維成像裝置間的空間位置轉換關系，實現結構光陣列中各個投影結構光曲面在每個二維成像裝置坐標系下的空間位置和形狀參數的標定。
權利要求
1.一種投影結構光空間位置和形狀的多點擬合標定方法，其特征在于，在結構光三維成像系統的有效視場范圍內，投影裝置產生投影結構光，多次改變參考面的空間位置，二維成像裝置攝取投影結構光空間曲面與參考面多次相截的圖像并存入計算機，計算機通過域值法和空間位置轉換關系，計算出多條相截線上多點在結構光投影三維成像系統坐標系下的坐標值，以多點擬合實現結構光曲面空間位置和形狀的標定。
2.根據權利要求1所述的投影結構光空間位置和形狀的多點擬合標定方法，其特征是，參考面是指，在結構光三維成像系統有效視場范圍內，與結構光曲面相交，且能夠實現對二維成像裝置的標定，確定二維成像裝置的內參數，并能夠通過計算確定參考面坐標系與二維成像裝置坐標系間的空間位置轉換關系的平面。
3.根據權利要求1所述的投影結構光空間位置和形狀的多點擬合標定方法，其特征是，多次改變參考面空間位置是指，二維成像裝置攝取投影結構光空間曲面與參考面相截的圖像時，參考面所處的空間位置多次改變并覆蓋整個結構光三維成像系統的有效視場范圍。
4.根據權利要求1所述的投影結構光空間位置和形狀的多點擬合標定方法，其特征是，對于多個二維成像裝置與投影結構光陣列組成的三維成像系統，通過先后標定各結構光曲面在其中一個二維成像裝置坐標系下的空間位置和形狀，進而利用各個二維成像裝置間的空間位置轉換關系，實現結構光陣列中各個投影結構光曲面在每個二維成像裝置坐標系下的空間位置和形狀的標定。
全文摘要
一種光學技術領域的投影結構光空間位置和形狀的多點擬合標定方法，在結構光三維成像系統的有效視場范圍內，投影裝置產生投影結構光，多次改變參考面的空間位置，二維成像裝置攝取投影結構光空間曲面與參考面多次相截的圖像并存入計算機，計算機通過域值法和空間位置轉換關系，計算出多條相截線上多點在結構光投影三維成像系統坐標系下的坐標值，以多點擬合實現高精度的結構光空間位置和形狀的標定。本發明方法實現容易、操作簡便，適用于結構光三維成像系統的現場標定與調試等工作。
文檔編號G01B11/03GK1888815SQ20061002888
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月13日 優先權日2006年7月13日
發明者陳亞珠, 郝麗俊, 程勝, 楊榮騫 申請人:上海交通大學
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