CN102721376A - 一种大视场三维视觉传感器的标定方法 - Google Patents

一种大视场三维视觉传感器的标定方法 Download PDF

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Abstract

一种大视场三维视觉传感器的标定方法，它有六大步骤：一、利用十字靶标求取传感器初始外参数；二、投射条纹与相位解算；三、图像的匹配；四、根据摄影测量前方交会原理，通过步骤一求出的初始外参数，以及步骤三求取的匹配点，解算出这些都三维坐标初始值；五、采用光束平差法，同时求解待求物点坐标和外方位元素；六、传感器现场溯源。本发明将相位匹配技术与近景摄影测量技术相结合，通过相位匹配技术实现图像匹配，通过摄影测量技术实现参数的优化，从而实现传感器的标定。它具有测量视场大、速度快、精度高等特点，可用于大型铸件等工业零件、大型石碑等文物的测量标定过程中。

Description

一种大视场三维视觉传感器的标定方法
技术领域
本发明涉及一种大视场三维视觉传感器的标定方法，本方法可用于对大视场三维视觉传感器的外参数标定。本发明属于机器视觉领域。
背景技术
非接触的三维形貌测量技术具有速度快、精度高、无损害等特点，近些年来，随着这项技术的不断发展，其测量视场逐步增大，其应用领域更加广泛，逐步应用到大型铸件等工业零件的三维建模和大型碑文等文物的数字化保护中。然而，传统的测量方法速度较慢，点云较少，测量效率低。这就需要我们在兼顾精度的前提下，提高单视场测量范围，缩短测量时间。
随着视场的增大，现场参数标定成为瓶颈问题。目前的标定方法，主要针对小视场测量的标定，而有限的大视场标定方法或是精度不够、或是操作复杂，比如有的方法需要粘贴标志点，无法实现大视场测量的自动化。
光栅相位匹配技术成为目前的热点，具有测量精度高、点云密集，受环境光和物体表面纹理影响小等特点，由此我们想到了将相位匹配方法应用到大视场三维视觉传感器的标定中去。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提出一种大视场三维视觉传感器的标定方法，将相位匹配技术与近景摄影测量技术相结合，通过相位匹配技术实现图像匹配，通过摄影测量技术实现参数的优化，从而实现传感器的标定。
本发明的技术解决方案为：一种大视场三维视觉传感器的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
传感器的内参数为已知。
步骤一：利用十字靶标求取传感器初始外参数。
步骤二：利用相位匹配技术求取大量匹配点。对物体分别进行横、竖正弦条纹的投影，***自动实现投影的三步相移，拍摄图像，进行相位解算以及相位展开，使得左右相机的每一个像素对应着一对横竖相位值，这些相位值以二维数组的形式存储，横、竖相位分别存在不同的数组中。
步骤三：图像的匹配。
图像的匹配实际上是同名的点的搜索过程。利用展开之后的相位值，将左右像片的各个像素分别对应到投影仪上各个点。
已知左像片一点的横竖相位值，即可知道其在投影仪上所对应的点的坐标，从而寻找到右像片与之相位值接近的四个点，进行插值，求解出与已知左像片点匹配的右像片点。这样，通过采集预定数目的理想的点进行匹配，就实现了大数量的像素匹配。
步骤四：根据摄影测量前方交会原理，通过步骤一求出的初始外参数，以及步骤三求取的匹配点，可解算出这些都三维坐标初始值。
步骤五：采用光束平差法，列出控制点和待求物点的误差方程式，进行全区域统一平差计算，同时求解待求物点坐标和外方位元素。
步骤六：在相机内参数进行光束平差优化之后，两个相机的相对位置和三维测量结果处于相似坐标系下，与欧式坐标系相差一个比例因子λ，借助近景摄影测量中比例因子的求解方法，通过以下步骤完成传感器现场溯源：制作和标定量值传递基准；计算比例因子λ；按照公式，重新进行相机参数的计算。
其中，步骤二中所述的对拍摄图像进行相位解算，是采用三步相移法。对物体投射一定频率正弦条纹（横条纹或者竖条纹），对条纹相位进行移动，每步移动120度，每移动一次，左右相机各拍摄一幅图像，共移动三次。利用如下算法，解算出相应频率下，图像各个像素点相位值（横向的或者竖向的）。
三幅图像中任一像素（x，y）的灰度值I1(x，y)、I2(x，y)、I3(x，y)可用如下公式表示：
Figure BDA00001789909200031
Figure BDA00001789909200032
Figure BDA00001789909200033
式中，I′(x，y)表示该像素所对应物点及其所处环境平均光强度，I″(x，y)表示其受正弦条纹投影后的调制强度，
Figure BDA00001789909200034
表示其相位。
Figure BDA00001789909200035
对拍摄图像进行相位展开，是采用外差多频相展开法。通过投射多级周期相差不大的条纹，根据外差原理，得到一个周期可覆盖整个视场的条纹，利用这个条纹与其中一个原始投射条纹在零相位相同的情况下相位值与周期的反比关系，可进行相位展开。根据实际需要，这里投射三种不同频率的条纹λ1、λ2、λ3。展开之后横竖方向三个周期的相位
Figure BDA00001789909200036
Figure BDA00001789909200037
其中，步骤三中所述的图像的匹配，其具体实现过程如下：利用展开之后的相位值，将左右像片的各个像素分别对应到投影仪上各个点。通过以下公式：
x＝1/3×(x1+x2+x3)
Figure BDA00001789909200039
y＝1/3×(y1+y2+y3)
则，（x，y）为此点对应投影仪上的坐标。
已知左像片一点的横竖相位值，即可知道其在投影仪上所对应的点的坐标，寻找右像片与之相位值接近的四个点，进行插值，求解出与已知左像片点匹配的右像片点。这样，通过采集预定数目的理想的点进行匹配，就实现了大数量的像素匹配。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明给出一种大视场三维视觉传感器标定方法，通过相位匹配与摄影测量相结合，能够满足大视场测量的要求，同时通过光束平差法定严密解算提高了标定精度，通过相位匹配方法提高了标定效率。
（2）本发明操作简单，无需模板，这就省去了很多传统方法的操作步骤。
附图说明
图1为本发明三维视觉传感器的标定方法的流程图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作详细的描述。
参照附图1，一种大视场三维视觉传感器的标定方法，包含如下步骤：
在对传感器外参数标定之前，先将测量***进行必要的准备，包括标定两摄像机的内参数，调试测量软件等；
步骤一：对十字靶标进行拍摄、图像识别与匹配，利用摄影测量的后方交会原理求出传感器的初始外参数。
步骤二：利用相位匹配技术获得大量匹配点。对物体进行横、竖正弦条纹的投影，拍摄图像，进行相位解算以及相位展开，从而获得大量匹配点。
相位解算采用三步相移法。对物体投射一定频率正弦条纹（横条纹或者竖条纹），对条纹相位进行移动，每步移动120度，每移动一次，左右相机各拍摄一幅图像，共移动三次。利用如下算法，解算出相应频率下，图像各个像素点相位值（横向的或者竖向的）。
三幅图像中同一个像素的灰度可用如下公式表示：
Figure BDA00001789909200051
Figure BDA00001789909200052
Figure BDA00001789909200053
其中，I′(x，y)表示该像素所对应物点及其所处环境平均光强度，I″(x，y)表示其受正弦条纹投影后的调制强度，表示其相位。
Figure BDA00001789909200055
相位展开采用外差多频相展开法。通过投射多级周期相差不大的条纹，根据外差原理，得到一个周期可覆盖整个视场的条纹，利用这个条纹与其中一个原始投射条纹在零相位相同的情况下相位值与周期的反比关系，可进行相位展开。根据实际需要，这里投射三种不同频率的条纹。
经过对物体的横竖投影、拍照，相位解算和展开之后，左右相机的每一个像素对应着一对横竖相位值。这些相位值以二维数组的形式存储，横、竖相位分别存在不同的数组中。
步骤三：利用展开之后的相位值，将左右像片的各个像素分别对应到投影仪上各个点。通过以下公式：
Figure BDA00001789909200056
x＝1/3×(x1+x2+x3)
Figure BDA00001789909200057
y＝1/3×(y1+y2+y3)
则（x，y）为此点对应投影仪上的坐标。
已知左像片一点的横竖相位值，即可知道其在投影仪上所对应的点的坐标，寻找右像片与之相位值接近的四个点，进行插值，求解出与已知左像片点匹配的右像片点。这样，通过采集一定数目的理想的点进行匹配，就实现了大数量的像素匹配。
步骤四：根据摄影测量前方交会原理，求出的初始外参数，结合求取的匹配点，可解算出这些都三维坐标初始值。
步骤五：采用摄影测量中光束平差法，列出控制点和待求物点的误差方程式，进行全区域统一平差计算，同时求解待求物点坐标和外方位元素。
步骤六：在相机内参数进行光束平差优化之后，两个相机的相对位置和三维测量结果处于相似坐标系下，与欧式坐标系相差一个比例因子λ，需要进行传感器现场溯源，首先制作和标定量值传递基准，计算比例因子λ，按照公式，重新进行相机参数的计算。

Claims (3)

1.一种大视场三维视觉传感器的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：利用十字靶标求取传感器初始外参数，传感器的内参数为已知；
步骤二：利用相位匹配技术求取大量匹配点，对物体分别进行横、竖正弦条纹的投影，***自动实现投影的三步相移，拍摄图像，进行相位解算以及相位展开，使得左右相机的每一个像素对应着一对横竖相位值，这些相位值以二维数组的形式存储，横、竖相位分别存在不同的数组中；
步骤三：图像的匹配；
图像的匹配实际上是同名的点的搜索过程，利用展开之后的相位值，将左右像片的各个像素分别对应到投影仪上各个点；
已知左像片一点的横竖相位值，即知道其在投影仪上所对应的点的坐标，从而寻找到右像片与之相位值接近的四个点，进行插值，求解出与已知左像片点匹配的右像片点，这样，通过采集预定数目的理想的点进行匹配，就实现了大数量的像素匹配；
步骤四：根据摄影测量前方交会原理，通过步骤一求出的初始外参数，以及步骤三求取的匹配点，解算出这些都三维坐标初始值；
步骤五：采用光束平差法，列出控制点和待求物点的误差方程式，进行全区域统一平差计算，同时求解待求物点坐标和外方位元素；
步骤六：在相机内参数进行光束平差优化之后，两个相机的相对位置和三维测量结果处于相似坐标系下，与欧式坐标系相差一个比例因子λ，借助近景摄影测量中比例因子的求解方法，通过以下步骤完成传感器现场溯源：制作和标定量值传递基准；计算比例因子λ；按照公式，重新进行相机参数的计算。
2.根据权利要求1所述的一种大视场三维视觉传感器的标定方法，其特征在于：步骤二中所述的对拍摄图像进行相位解算，是采用三步相移法，对物体投射一定频率正弦条纹，对条纹相位进行移动，每步移动120度，每移动一次，左右相机各拍摄一幅图像，共移动三次；利用如下算法，解算出相应频率下，图像各个像素点相位值；
三幅图像中任一像素（x，y）的灰度值I1(X，Y)、I2(x，y)、Is(x，y)
Figure FDA00001789909100021
Figure FDA00001789909100022
Figure FDA00001789909100023
式中，I′(x，y)表示该像素所对应物点及其所处环境平均光强度，I″(x，y)表示其受正弦条纹投影后的调制强度，表示其相位；
Figure FDA00001789909100025
对拍摄图像进行相位展开，是采用外差多频相展开法，通过投射多级周期相差不大的条纹，根据外差原理，得到一个周期可覆盖整个视场的条纹，利用这个条纹与其中一个原始投射条纹在零相位相同的情况下相位值与周期的反比关系，进行相位展开；根据实际需要，这里投射三种不同频率的条纹λ1、λ2、λ3，展开之后横竖方向三个周期的相位
3.根据权利要求1所述的一种大视场三维视觉传感器的标定方法，其特征在于：步骤三中所述的图像的匹配，其具体实现过程如下：利用展开之后的相位值，将左右像片的各个像素分别对应到投影仪上各个点，通过以下公式：
Figure FDA00001789909100031
x＝1/3×(x1+x2+x3)
Figure FDA00001789909100032
y＝1/3×(y1+y2+y3)
则，（x，y）为此点对应投影仪上的坐标；
已知左像片一点的横竖相位值，即知道其在投影仪上所对应的点的坐标，寻找右像片与之相位值接近的四个点，进行插值，求解出与已知左像片点匹配的右像片点，这样，通过采集预定数目的理想的点进行匹配，就实现了大数量的像素匹配。
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