CN107730554A - 面阵结构光成像***的标定方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种面阵结构光成像***的标定方法和装置,其中,该方法包括以下步骤:通过相机采集校正板在全亮光照射下的第一图像,并采集所述校正板在亮暗光照射下的第二图像;根据所述第一图像和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像;根据所述第一图像标定所述相机的视觉参数;根据所述相机的视觉参数确定所述相机的透视变换矩阵;根据所述透视变换矩阵和所述相机的视觉参数确定所述投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;根据所述第一图像坐标和第一世界坐标标定投影仪的视觉参数。本发明的实施例,计算方法简单,算法实现容易,且操作简单,无需电子经纬仪等辅助设备。
Description
技术领域
本发明涉及结构光成像技术领域,特别涉及一种面阵结构光成像***的标定方法和装置。
背景技术
结构光成像技术是一种非接触式快速获取三维物体轮廓的检测方法。用投影仪投射光栅到被测物体表面,然后通过相机采集因物体外形的几何形状变化而产生的畸变条纹图像,并对采集的图像进行处理,再根据相应的数据转换模型和重建算法对物体的表面轮廓进行重建,就可以得到被测物体表面的三维外形数据信息。
在重建之前,首先需要对结构光成像***进行标定,以求取结构光成像***的内部参数、外部参数和畸变参数等视觉参数,从而对重建算法提供参数依据。结构光成像***的标定可分为相机标定和投影仪标定两部分。目前,投影仪标定,可通过对投影后校正板图像中特征点变形的修正,从而求取校正参数。然而,该标定方法通过相移法对投影仪进行校正,相位展开过程容易收到干扰,精度受此影响。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
为此,本发明的第一个目的在于提出一种面阵结构光成像***的标定方法,计算方法简单,算法实现容易,且操作简单。
本发明的第二个目的在于提出一种面阵结构光成像***的标定装置。
为达上述目的,根据本发明第一方面实施例提出了一种面阵结构光成像***的标定方法,包括以下步骤:
通过相机采集校正板在全亮光照射下的第一图像,并采集所述校正板在亮暗光照射下的第二图像;
根据所述第一图像和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像;
根据所述第一图像标定所述相机的视觉参数;
根据所述相机的视觉参数确定所述相机的透视变换矩阵;
根据所述透视变换矩阵和所述相机的视觉参数确定所述投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;
根据所述第一图像坐标和第一世界坐标标定投影仪的视觉参数。
另外,根据本发明实施例的面阵结构光成像***的标定方法,还可具有如下附加技术特征:
在一些实施例中,所述根据所述第一图像标定所述相机的视觉参数,包括:
提取所述第一图像的第二定标点;
根据所述第一图像的尺寸确定所述第二定标点在预设图像坐标系中的第二图像坐标;
根据所述校正板的尺寸确定所述第二定标点在预设世界坐标系中的第二世界坐标;
根据所述第二图像坐标和所述第二世界坐标标定所述相机的视觉参数。
在一些实施例中,所述根据所述第一图像和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像,包括:
在所述第二图像中去除所述第一图像,得到所述亮暗光的投影图像。
在一些实施例中,所述根据所述相机的视觉参数确定所述相机的透视变换矩阵,包括:
根据所述相机的视觉参数对所述第二图像坐标进行畸变校正,得到校正的第二图像坐标;
从所述第二世界坐标中提取出对应的二维坐标;
根据所述校正的第二图像坐标和所述二维坐标确定所述透视变换矩阵。
在一些实施例中,所述根据所述透视变换矩阵和所述相机的视觉参数确定所述投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标,包括:
根据所述投影图像的尺寸确定所述第一定标点的第一图像坐标;
根据所述相机的视觉参数和所述透视变换矩阵确定所述第一定标点的第一世界坐标。
在一些实施例中,所述根据所述相机的视觉参数和所述透视变换矩阵确定所述第一定标点的第一世界坐标,包括:
根据所述投影仪的微镜阵列的尺寸确定所述第一定标点在预设投影坐标系中的第一投影坐标;
根据所述相机的视觉参数对所述第一投影坐标进行畸变校正,得到第二投影坐标;
根据所述透视变换矩阵对所述第二投影坐标进行透视变换,得到第三投影坐标;
对所述第三投影坐标进行三维坐标变换,得到所述第一定标点的第一世界坐标。
在一些实施例中,还包括:
在多个位置分别采集所述第一图像和第二图像,得到第一图像组和第二图像组;
根据所述第一图像组和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像组;
确定所述投影图像组中每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;
根据每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标标定所述投影仪的视觉参数。
本发明第二方面实施例提供了一种面阵结构光成像***的标定装置,包括:
采集模块,用于通过相机采集校正板在全亮光照射下的第一图像,并采集所述校正板在亮暗光照射下的第二图像;
生成模块,用于根据所述第一图像和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像;
第一标定模块,用于根据所述第一图像标定所述相机的视觉参数;
第一确定模块,用于根据所述相机的视觉参数确定所述相机的透视变换矩阵;
第二确定模块,用于根据所述透视变换矩阵和所述相机的视觉参数确定所述投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;
第二标定模块,用于根据所述第一图像坐标和第一世界坐标标定投影仪的视觉参数。
另外,根据本发明实施例的面阵结构光成像***的标定装置,还可具有如下附加技术特征:
在一些实施例中,所述第一标定模块用于:
提取所述第一图像的第二定标点;
根据所述第一图像的尺寸确定所述第二定标点在预设图像坐标系中的第二图像坐标;
根据所述校正板的尺寸确定所述第二定标点在预设世界坐标系中的第二世界坐标;
根据所述第二图像坐标和所述第二世界坐标标定所述相机的视觉参数。
在一些实施例中,所述生成模块用于:
在所述第二图像中去除所述第一图像,得到所述亮暗光的投影图像。
在一些实施例中,所述第一确定模块用于:
根据所述相机的视觉参数对所述第二图像坐标进行畸变校正,得到校正的第二图像坐标;
从所述第二世界坐标中提取出对应的二维坐标;
根据所述校正的第二图像坐标和所述二维坐标确定所述透视变换矩阵。
在一些实施例中,所述第二确定模块用于:
根据所述投影图像的尺寸确定所述第一定标点的第一图像坐标;
根据所述相机的视觉参数和所述透视变换矩阵确定所述第一定标点的第一世界坐标。
在一些实施例中,所述第二确定模块用于:
根据所述投影仪的微镜阵列的尺寸确定所述第一定标点在预设投影坐标系中的第一投影坐标;
根据所述相机的视觉参数对所述第一投影坐标进行畸变校正,得到第二投影坐标;
根据所述透视变换矩阵对所述第二投影坐标进行透视变换,得到第三投影坐标;
对所述第三投影坐标进行三维坐标变换,得到所述第一定标点的第一世界坐标。
在一些实施例中,所述采集模块还用于在多个位置分别采集所述第一图像和第二图像,得到第一图像组和第二图像组;
所述生成模块还用于根据所述第一图像组和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像组;
所述装置还包括:
第三确定模块,用于确定所述投影图像组中每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;
第三标定模块,用于根据每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标标定所述投影仪的视觉参数。
本发明实施例的面阵结构光成像***的标定方法和装置,分别采集校正板在全亮光和亮暗光照射下的第一图像和第二图像,并根据第一图像标定相机参数,根据第一图像和第二图像得到投影图像,并根据投影图像和相机的视觉参数标定投影仪的视觉参数,由此,将结构光成像***看作多个单独的单目成像***,可针对一个实物校正版,对于每个相机每次只需采集两幅图像,以对每个单目成像***分别进行标定,计算方法简单,算法实现容易,且操作简单,无需电子经纬仪等辅助设备。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为根据本发明一个实施例的面阵结构光成像***的标定方法的流程图;
图2a为根据本发明一个实施例的校正板图案的示意图;
图2b为根据本发明一个实施例的投影仪发出的亮暗光的投影图案的示意图;
图3a为根据本发明一个实施例的校正板在全亮光照射下的第一图像的示意图;
图3b为根据本发明一个实施例的校正板在亮暗光照射下的第二图像的示意图;
图4为根据本发明一个实施例的亮暗光的投影图像的示意图;
图5a为根据本发明一个实施例的第一图像的第二定标点的示意图;
图5b为根据本发明一个实施例的投影图像的第一定标点的示意图;
图6a为根据本发明一个实施例的图像坐标系的示意图;
图6b为根据本发明一个实施例的世界坐标系以及投影坐标系的示意图;
图7为根据本发明一个实施例的面阵结构光成像***的标定装置的结构示意图;
图8为根据本发明另一个实施例的面阵结构光成像***的标定装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述根据本发明实施例的面阵结构光成像***的标定方法和装置。
图1为根据本发明一个实施例的面阵结构光成像***的标定方法的流程图。
如图1所示,根据本发明实施例的面阵结构光成像***的标定方法,包括:
S101,通过相机采集校正板在全亮光照射下的第一图像,并采集所述校正板在亮暗光照射下的第二图像。
在本发明的一个实施例中,可将图2a所示的校正板图案打印后粘贴到平面基板上做成校正板。
然后,可控制投影仪发出全亮光的投影图案,以照射校正板,并通过相机采集校正板在全亮光照射下的第一图像(举例来说,如图3a所示)。保持校正板的位置不变,控制投影仪发出亮暗光的投影图案(如图2b所示),以照射校正板,并通过相机采集校正板在亮暗光照射下的第二图像(举例来说,如图3b所示)。
需要说明的是,在本发明的实施例中,投影仪投出的结构光不限于单色光,还可以是多色复合光。其中,全亮光可为任意单色光或者多色复合光。亮暗光可为全亮光与全暗光的排列组合所形成的具有特定投影图案的光。可控制投影仪的发光阵列中部分发光点发光,其余部分发光点不发光,从而可发射出亮暗光。亮暗光的投影图案可以是任意有明显特征、可以明确定标点的图案,举例来说,投影图案可以包括但不限于棋盘格、圆点等。投影仪投出的结构光可以为任意图案的面阵结构光,从而,实现更灵活、多样,扩大了结构光标定的适用范围。
本发明的实施例中,对投影仪的光源设备以及投影仪的种类不做限定。举例来说可以是但不限于LED(Light Emitting Diode,发光二极管)灯等。投影仪可包括但不限于DLP(Digital Light Processing,数字光处理)、LCD(Liquid Crystal Display,液晶显示器)等。
S102,根据所述第一图像和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像。
由于投影仪发出的亮暗光照射校正板时,投影仪发出的亮暗光在校正板上形成的投影图像与校正板上校正板图像叠加,形成第二图像。因此,在本发明的一个实施例中,可在所述第二图像中去除所述第一图像,得到所述亮暗光的投影图像。
进一步地,可对第二图像(图像M2)中去除第一图像(图像M1)后得到图像进行二值化,得到亮暗光的投影图像(图像M0),即投影仪投出的亮暗光投影图案投影至校正板上的图像(不包括校正板本身的图像)。
图像M0=(图像M2-图像M1)的二值化。亮暗光的投影图像可如图4所示。
S103,根据所述第一图像标定所述相机的视觉参数。
其中,视觉参数可包括畸变参数、内部参数和外部参数。
具体地,可将相机和校正板一路看成一个单目视觉成像***,进行单目视觉校正,以标定相机这一路的畸变参数、内部参数和外部参数。
在本发明的一个实施例中,步骤S103可包括:提取所述第一图像的第二定标点;根据所述第一图像的尺寸确定所述第二定标点在预设图像坐标系中的第二图像坐标;根据所述校正板的尺寸确定所述第二定标点在预设世界坐标系中的第二世界坐标;根据所述第二图像坐标和所述第二世界坐标标定所述相机的视觉参数。
也就是说,首先可对第一图像进行角点提取,得到第二定标点。举例来说,对于图3a所示的第一图像,第二定标点的提取结果可如5a所示。
然后,可建立或者基于预先建立的如图6a所示的图像坐标系XCYC(原点OC)以及图6b所示的世界坐标系XWYWZW(原点OW),根据第一图像的尺寸,计算第一图像的第二定标点在图像坐标系XCYC下的坐标,并作为第二图像坐标ImagePointsC。根据校正板的尺寸(实际物理尺寸)计算第一图像的第二定标点在世界坐标系XWYWZW下坐标,并作为第二世界坐标ObjectPointsC。
进而,可根据第二图像坐标ImagePointsC和第二世界坐标ObjectPointsC采用相机标定方法标定相机,得到相机的畸变参数B、内部参数A和外部参数RT。其中,本发明的实施例对标定过程中所使用的标定方法不做限定,举例来说,可以使用张正友标定法等。
对于图3a所示的第一图像M1,标定的相机视觉参数为:
Distrotion parameter:B=[-0160 7516 -0076 0006 -190903]
进一步地,可根据标定的外部参数RT确定重建过程中所需的旋转矩阵。举例来说,对于外部参数:
可从中外部参数RT中提取旋转向量[r1 r2 r3],并通过函数转换将旋转向量转换为旋转矩阵:
S104,根据所述相机的视觉参数确定所述相机的透视变换矩阵。
在本发明的一个实施例中,步骤S104可包括:根据所述相机的视觉参数对所述第二图像坐标进行畸变校正,得到校正的第二图像坐标;从所述第二世界坐标中提取出对应的二维坐标;根据所述校正的第二图像坐标和所述二维坐标确定所述透视变换矩阵。
举例来说,可根据步骤S103中标定的畸变参数和内部参数,对第一图像的第二图像坐标ImagePointsC进行畸变校正得到校正的第二图像坐标UndistortedImagePointC;并从第二世界坐标ObjectPointsC的三维坐标中提取出对应的二维坐标FeaturePointC。进而,可根据校正的第二图像坐标UndistortedImagePointC和二维坐标FeaturePointC基于以下公式计算透视变换矩阵H:
PH=Q
其中,P为由校正的第二图像坐标UndistortedImagePointC构成的矩阵,H为透视变换矩阵,Q为由二维坐标FeaturePointC构成的矩阵。
需要说明是,本发明对畸变校正的方法不做限定。
S105,根据所述透视变换矩阵和所述相机的视觉参数确定所述投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标。
在本发明的一个实施例中,可根据所述投影图像的尺寸确定所述第一定标点的第一图像坐标。其中,投影图像的第一定标点为对投影图像进行角点提取得到的,可如图5b所示。
具体地,可建立或者基于预先建立的如图6b所示的投影坐标系XPYP(原点OP),进而可根据投影图像的尺寸,计算投影图像(图像M0)的第一定标点在投影坐标系XPYP下的坐标,并作为第一定标点的第一图像坐标ImagePointsP。其中,投影图像的尺寸为投影仪中的投影数据投影至校正板上后,投影在校正板上的图像尺寸。
在本发明的一个实施例中,可根据所述相机的视觉参数和所述透视变换矩阵确定所述第一定标点的第一世界坐标。
具体地,确定第一世界坐标的过程可包括:根据所述投影仪的微镜阵列的尺寸确定所述第一定标点在预设投影坐标系中的第一投影坐标;根据所述相机的视觉参数对所述第一投影坐标进行畸变校正,得到第二投影坐标;根据所述透视变换矩阵对所述第二投影坐标进行透视变换,得到第三投影坐标;对所述第三投影坐标进行三维坐标变换,得到所述第一定标点的第一世界坐标。
其中,投影仪的微镜阵列(DMD,Digital Micro mirror Device)的尺寸,即为投影仪投出的投影图案的尺寸。因此,可根据投影仪中微镜阵列的排列计算投影图像(图像M0)的第一定标点在投影坐标系XPYP下的坐标,并作为第一投影坐标PreImagePointsP。然后,根据相机的视觉参数对第一投影坐标PreImagePointsP进行畸变校正,校正后得到第二投影坐标UndistortedPreImagePointP。进一步根据步骤S104确定的透视变换矩阵H对第二投影坐标UndistortedPreImagePointP进行透视变换得到第三投影坐标TransformedPreImagePointP。最后,可对第三投影坐标TransformedPreImagePointP进行三维坐标变换,得到投影图像M0的第一定标点的第一世界坐标ObjectPointsP。
S106,根据所述第一图像坐标和第一世界坐标标定投影仪的视觉参数。
考虑到投影是采集的逆过程,因此,可将投影仪和校正板看成另一个单目视觉成像***,进行单目视觉校正,以标定投影仪这一路的畸变参数、内部参数和外部参数。在得到投影图像的第一图像坐标和第一世界坐标之后,可根据第一图像坐标和第一世界坐标采用标定方法标定投影仪,得到投影仪的畸变参数、内部参数和外部参数等视觉参数。
对于图4所示的投影图像M0,可根据其第一图像坐标和第一世界坐标标定投影仪的视觉参数如下:
Distrotion parameter:B=[-11.183 656.749 -0.046 0.003 -1103.915]
其中,本发明的实施例对标定过程中所使用的标定方法不做限定,举例来说,可以使用张正友标定法等。
由于相机-校正板与投影仪-校正板两个单目***的外部参数的基准点一致,因此,在本发明的一个实施例中两个单目***的外部参数可组合成一个外部参数。
由此,得到了结构光成像所需要标定的所有参数。结合结构光成像方法即可完成后续的结构光成像。
本发明实施例的面阵结构光成像***的标定方法,分别采集校正板在全亮光和亮暗光照射下的第一图像和第二图像,并根据第一图像标定相机参数,根据第一图像和第二图像得到投影图像,并根据投影图像和相机的视觉参数标定投影仪的视觉参数,由此,将结构光成像***看作多个单独的单目成像***,可针对一个实物校正版,对于每个相机每次只需采集两幅图像,以对每个单目成像***分别进行标定,计算方法简单,算法实现容易,且操作简单,无需电子经纬仪等辅助设备。
需要说明的是,本发明上述实施例以一个相机、一个投影仪组成的结构光***进行举例说明。如果涉及到多个相机和多个投影仪的***,则可把***看成是多个单目成像***组成,标定方法相同。其中,一个投影仪和一个相机组合的***可看成2个单独的单目相机成像***。如果有U个投影和V个相机组合的***就可看成是U+V个单目相机成像***,并分别进行标定,从而完成整个***的标定。
在本发明的另一个实施例中,为了提高标定及校正精度,可变换校正板在空间的位置,并在每个位置处分别采集第一图像和第二图像,并针对每个位置处的第一图像和第二图像分别重复图1所示实施例,以提高校正精度。
因此,在本发明的一个实施例中,还可包括以下步骤:在多个位置分别采集所述第一图像和第二图像,得到第一图像组和第二图像组;根据所述第一图像组和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像组;确定所述投影图像组中每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;根据每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标标定所述投影仪的视觉参数。
具体而言,可变换校正板在空间的位置,并在每个位置处分别对校正板照射全亮光和亮暗光,以采集到每个位置对应的第一图像和第二图像,由此得到第一图像组和第二图像组。其中,第一图像组中的第一图像与校正板的各个位置一一对应,第二图像组中的第二图像与校正板的各个位置一一对应,即第一图像组中的第一图像第二图像组中的第二图像一一对应。
其中,确定所述投影图像组中每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标与图1所示实施例中相同,可参照图1所示实施例,在此不再赘述。
在确定每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标后,可通过以下两种方式标定投影仪的视觉参数:
方式一
根据投影图像组中各个投影图像的第一标定点的第一图像坐标生成第一图像坐标矩阵,并根据投影图像组中各个投影图像的第一标定点的第一世界坐标生成第一世界坐标矩阵;然后,将第一图像坐标矩阵和第二世界坐标矩阵作为输入参数,基于标定方法来标定投影仪的视觉参数。
也就是说,可以将所有位置处的投影图像对应的第一图像坐标组成的第一图像坐标矩阵作为一个整体,将所有位置处的投影图像对应的第一世界坐标组成的第一世界坐标矩阵作为一个整体,进而可两者作为两个输入参数,通过标定方法标定投影仪的视觉参数。
方式二
根据所述第一图像组和所述第二图像组确定与所述多个位置分别对应的多个初始相机视觉参数;根据与所述多个位置分别对应的多个初始相机视觉参数确定所述投影仪的视觉参数。
也就是说,对于每组对应的第一图像和第二图像,可重复图1所示的实施例,根据第一图像标定相机的视觉参数,进而确定透视变换矩阵,并根据第一图像和第二图像生成对应的投影图像,进而,根据相机的透视变换矩阵确定投影图像的第一图像坐标和第一世界坐标,以对投影仪的初始视觉参数进行标定。由此,可得到与各个位置分别对应的一系列投影仪的初始视觉参数。
进而,可根据与多个位置分别对应的多个初始视觉参数计算投影仪的视觉参数。举例来说,可计算多个初始视觉参数的平均值,并作为投影仪的视觉参数,或者通过其他算法对多个初始视觉参数进行计算,得到投影仪的视觉参数。
需要说明的是,在每次变换校正板的位置时,可确保校正板一直处于相机拍摄的视野范围内,以便相机能够采集到完整的第一图像和第二图像。校正板的位置变换次数可根据校正精度机进行设定,举例来说,可以是20次。
与上述面阵结构光成像***的标定方法实施例相对应,本发明还提出一种面阵结构光成像***的标定装置。
图7为根据本发明一个实施例的面阵结构光成像***的标定装置的结构示意图。
如图7所示,根据本发明实施例的面阵结构光成像***的标定装置,包括:采集模块10、生成模块20、第一标定模块30、第一确定模块40、第二确定模块50和第二标定模块60。
具体地,采集模块10用于通过相机采集校正板在全亮光照射下的第一图像,并采集所述校正板在亮暗光照射下的第二图像。
在本发明的一个实施例中,可将图2a所示的校正板图案打印后粘贴到平面基板上做成校正板。
然后,可控制投影仪发出全亮光的投影图案,以照射校正板,并通过相机采集校正板在全亮光照射下的第一图像(举例来说,如图3a所示)。保持校正板的位置不变,控制投影仪发出亮暗光的投影图案(如图2b所示),以照射校正板,并通过相机采集校正板在亮暗光照射下的第二图像(举例来说,如图3b所示)。
需要说明的是,在本发明的实施例中,投影仪投出的结构光不限于单色光,还可以是多色复合光。其中,全亮光可为任意单色光或者多色复合光。亮暗光可为全亮光与全暗光的排列组合所形成的具有特定投影图案的光。可控制投影仪的发光阵列中部分发光点发光,其余部分发光点不发光,从而可发射出亮暗光。
亮暗光的投影图案可以是任意有明显特征、可以明确定标点的图案,举例来说,投影图案可以包括但不限于棋盘格、圆点等。投影仪投出的结构光可以为任意图案的面阵结构光,从而,实现更灵活、多样,扩大了结构光标定的适用范围。
本发明的实施例中,对投影仪的光源设备以及投影仪的种类不做限定。举例来说可以是但不限于LED(Light Emitting Diode,发光二极管)灯等。投影仪可包括但不限于DLP(Digital Light Processing,数字光处理)、LCD(Liquid Crystal Display,液晶显示器)等。
生成模块20用于根据所述第一图像和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像。
由于投影仪发出的亮暗光照射校正板时,投影仪发出的亮暗光在校正板上形成的投影图像与校正板上校正板图像叠加,形成第二图像。因此,在本发明的一个实施例中,生成模块20可用于在所述第二图像中去除所述第一图像,得到所述亮暗光的投影图像。
进一步地,可对第二图像(图像M2)中去除第一图像(图像M1)后得到图像进行二值化,得到亮暗光的投影图像(图像M0),即投影仪投出的亮暗光投影图案投影至校正板上的图像(不包括校正板本身的图像)。
图像M0=(图像M2-图像M1)的二值化。亮暗光的投影图像可如图4所示。
第一标定模块30用于根据所述第一图像标定所述相机的视觉参数;
其中,视觉参数可包括畸变参数、内部参数和外部参数。
具体地,可将相机和校正板一路看成一个单目视觉成像***,进行单目视觉校正,以标定相机这一路的畸变参数、内部参数和外部参数。
在本发明的一个实施例中,第一标定模块30可用于:提取所述第一图像的第二定标点;根据所述第一图像的尺寸确定所述第二定标点在预设图像坐标系中的第二图像坐标;根据所述校正板的尺寸确定所述第二定标点在预设世界坐标系中的第二世界坐标;根据所述第二图像坐标和所述第二世界坐标标定所述相机的视觉参数。
也就是说,首先第一标定模块30可对第一图像进行角点提取,得到第二定标点。举例来说,对于图3a所示的第一图像,第二定标点的提取结果可如5a所示。
然后,第一标定模块30可建立或者基于预先建立的如图6a所示的图像坐标系XCYC(原点OC)以及图6b所示的世界坐标系XWYWZW(原点OW),根据第一图像的尺寸,计算第一图像的第二定标点在图像坐标系XCYC下的坐标,并作为第二图像坐标ImagePointsC。根据校正板的尺寸(实际物理尺寸)计算第一图像的第二定标点在世界坐标系XWYWZW下坐标,并作为第二世界坐标ObjectPointsC。
进而,第一标定模块30可根据第二图像坐标ImagePointsC和第二世界坐标ObjectPointsC采用相机标定方法标定相机,得到相机的畸变参数B、内部参数A和外部参数RT。其中,本发明的实施例对标定过程中所使用的标定方法不做限定,举例来说,可以使用张正友标定法等。
对于图3a所示的第一图像M1,标定的相机视觉参数为:
Distrotion parameter:B=[-0.160 7.516 -0.076 0.006 -190.903]
进一步地,可根据标定的外部参数RT确定重建过程中所需的旋转矩阵。举例来说,对于外部参数:
可从中外部参数RT中提取旋转向量[r1 r2 r3],并通过函数转换将旋转向量转换为旋转矩阵:
第一确定模块40用于根据所述相机的视觉参数确定所述相机的透视变换矩阵。
在本发明的一个实施例中,第一确定模块40可用于:根据所述相机的视觉参数对所述第二图像坐标进行畸变校正,得到校正的第二图像坐标;从所述第二世界坐标中提取出对应的二维坐标;根据所述校正的第二图像坐标和所述二维坐标确定所述透视变换矩阵。
举例来说,第一确定模块40可根据第一标定模块30标定的畸变参数和内部参数,对第一图像的第二图像坐标ImagePointsC进行畸变校正得到校正的第二图像坐标UndistortedImagePointC;并从第二世界坐标ObjectPointsC的三维坐标中提取出对应的二维坐标FeaturePointC。进而,可根据校正的第二图像坐标UndistortedImagePointC和二维坐标FeaturePointC基于以下公式计算透视变换矩阵H:
PH=Q
其中,P为由校正的第二图像坐标UndistortedImagePointC构成的矩阵,H为透视变换矩阵,Q为由二维坐标FeaturePointC构成的矩阵。
需要说明是,本发明对畸变校正的方法不做限定。
第二确定模块50用于根据所述透视变换矩阵和所述相机的视觉参数确定所述投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;
在本发明的一个实施例中,第二确定模块50可根据所述投影图像的尺寸确定所述第一定标点的第一图像坐标。其中,投影图像的第一定标点为对投影图像进行角点提取得到的,可如图5b所示。
具体地,第二确定模块50可建立或者基于预先建立的如图6b所示的投影坐标系XPYP(原点OP),进而可根据投影图像的尺寸,计算投影图像(图像M0)的第一定标点在投影坐标系XPYP下的坐标,并作为第一定标点的第一图像坐标ImagePointsP。其中,投影图像的尺寸为投影仪中的投影数据投影至校正板上后,投影在校正板上的图像尺寸。
在本发明的一个实施例中,第二确定模块50可根据所述相机的视觉参数和所述透视变换矩阵确定所述第一定标点的第一世界坐标。
具体地,第二确定模块50确定第一世界坐标的过程可包括:根据所述投影仪的微镜阵列的尺寸确定所述第一定标点在预设投影坐标系中的第一投影坐标;根据所述相机的视觉参数对所述第一投影坐标进行畸变校正,得到第二投影坐标;根据所述透视变换矩阵对所述第二投影坐标进行透视变换,得到第三投影坐标;对所述第三投影坐标进行三维坐标变换,得到所述第一定标点的第一世界坐标。
其中,投影仪的微镜阵列(DMD,Digital Micro mirror Device)的尺寸,即为投影仪投出的投影图案的尺寸。因此,可根据投影仪中微镜阵列的排列计算投影图像(图像M0)的第一定标点在投影坐标系XPYP下的坐标,并作为第一投影坐标PreImagePointsP。然后,根据相机的视觉参数对第一投影坐标PreImagePointsP进行畸变校正,校正后得到第二投影坐标UndistortedPreImagePointP。进一步根据步骤S104确定的透视变换矩阵H对第二投影坐标UndistortedPreImagePointP进行透视变换得到第三投影坐标TransformedPreImagePointP。最后,可对第三投影坐标TransformedPreImagePointP进行三维坐标变换,得到投影图像M0的第一定标点的第一世界坐标ObjectPointsP。
第二标定模块60用于根据所述第一图像坐标和第一世界坐标标定投影仪的视觉参数。
考虑到投影是采集的逆过程,因此,第二标定模块60可将投影仪和校正板看成另一个单目视觉成像***,进行单目视觉校正,以标定投影仪这一路的畸变参数、内部参数和外部参数。在得到投影图像的第一图像坐标和第一世界坐标之后,第二标定模块60可根据第一图像坐标和第一世界坐标采用标定方法标定投影仪,得到投影仪的畸变参数、内部参数和外部参数等视觉参数。
对于图4所示的投影图像M0,可根据其第一图像坐标和第一世界坐标标定投影仪的视觉参数如下:
Distrotion parameter:B=[-11.183 656.749 -0.046 0.003 -1103.915]
其中,本发明的实施例对标定过程中所使用的标定方法不做限定,举例来说,可以使用张正友标定法等。
由于相机-校正板与投影仪-校正板两个单目***的外部参数的基准点一致,因此,在本发明的一个实施例中两个单目***的外部参数可组合成一个外部参数。
由此,得到了结构光成像所需要标定的所有参数。结合结构光成像方法即可完成后续的结构光成像。
本发明实施例的面阵结构光成像***的标定装置,分别采集校正板在全亮光和亮暗光照射下的第一图像和第二图像,并根据第一图像标定相机参数,根据第一图像和第二图像得到投影图像,并根据投影图像和相机的视觉参数标定投影仪的视觉参数,由此,将结构光成像***看作多个单独的单目成像***,可针对一个实物校正版,对于每个相机每次只需采集两幅图像,以对每个单目成像***分别进行标定,计算方法简单,算法实现容易,且操作简单,无需电子经纬仪等辅助设备。
需要说明的是,本发明上述实施例以一个相机、一个投影仪组成的结构光***进行举例说明。如果涉及到多个相机和多个投影仪的***,则可把***看成是多个单目成像***组成,标定方法相同。其中,一个投影仪和一个相机组合的***可看成2个单独的单目相机成像***。如果有U个投影和V个相机组合的***就可看成是U+V个单目相机成像***,并分别进行标定,从而完成整个***的标定。
图8为根据本发明另一个实施例的面阵结构光成像***的标定装置的结构示意图。
如图8所示,根据本发明实施例的面阵结构光成像***的标定装置,在图7所示的基础上还可包括:第三确定模块70和第三标定模块80。
其中,采集模块10可用于在多个位置分别采集所述第一图像和第二图像,得到第一图像组和第二图像组。
生成模块20还用于根据所述第一图像组和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像组。
所述装置还包括:
第三确定模块70用于确定所述投影图像组中每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;
第三标定模块80用于根据每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标标定所述投影仪的视觉参数。
具体而言,可变换校正板在空间的位置,并在每个位置处分别对校正板照射全亮光和亮暗光,从而采集模块10可采集到每个位置对应的第一图像和第二图像,由此得到第一图像组和第二图像组。其中,第一图像组中的第一图像与校正板的各个位置一一对应,第二图像组中的第二图像与校正板的各个位置一一对应,即第一图像组中的第一图像第二图像组中的第二图像一一对应。
其中,确定所述投影图像组中每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标与图1所示实施例中相同,可参照图1所示实施例,在此不再赘述。
在确定每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标后,可通过以下两种方式标定投影仪的视觉参数:
方式一
根据投影图像组中各个投影图像的第一标定点的第一图像坐标生成第一图像坐标矩阵,并根据投影图像组中各个投影图像的第一标定点的第一世界坐标生成第一世界坐标矩阵;然后,将第一图像坐标矩阵和第二世界坐标矩阵作为输入参数,基于标定方法来标定投影仪的视觉参数。
也就是说,可以将所有位置处的投影图像对应的第一图像坐标组成的第一图像坐标矩阵作为一个整体,将所有位置处的投影图像对应的第一世界坐标组成的第一世界坐标矩阵作为一个整体,进而可两者作为两个输入参数,通过标定方法标定投影仪的视觉参数。
方式二
根据所述第一图像组和所述第二图像组确定与所述多个位置分别对应的多个初始相机视觉参数;根据与所述多个位置分别对应的多个初始相机视觉参数确定所述投影仪的视觉参数。
也就是说,对于每组对应的第一图像和第二图像,可重复图1所示的实施例,根据第一图像标定相机的视觉参数,进而确定透视变换矩阵,并根据第一图像和第二图像生成对应的投影图像,进而,根据相机的透视变换矩阵确定投影图像的第一图像坐标和第一世界坐标,以对投影仪的初始视觉参数进行标定。由此,可得到与各个位置分别对应的一系列投影仪的初始视觉参数。
进而,可根据与多个位置分别对应的多个初始视觉参数计算投影仪的视觉参数。举例来说,可计算多个初始视觉参数的平均值,并作为投影仪的视觉参数,或者通过其他算法对多个初始视觉参数进行计算,得到投影仪的视觉参数。
需要说明的是,在每次变换校正板的位置时,可确保校正板一直处于相机拍摄的视野范围内,以便相机能够采集到完整的第一图像和第二图像。校正板的位置变换次数可根据校正精度机进行设定,举例来说,可以是20次。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是,本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (14)
1.一种面阵结构光成像***的标定方法,其特征在于,包括以下步骤:
通过相机采集校正板在全亮光照射下的第一图像,并采集所述校正板在亮暗光照射下的第二图像;
根据所述第一图像和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像;
根据所述第一图像标定所述相机的视觉参数;
根据所述相机的视觉参数确定所述相机的透视变换矩阵;
根据所述透视变换矩阵和所述相机的视觉参数确定所述投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;
根据所述第一图像坐标和第一世界坐标标定投影仪的视觉参数。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述第一图像标定所述相机的视觉参数,包括:
提取所述第一图像的第二定标点;
根据所述第一图像的尺寸确定所述第二定标点在预设图像坐标系中的第二图像坐标;
根据所述校正板的尺寸确定所述第二定标点在预设世界坐标系中的第二世界坐标;
根据所述第二图像坐标和所述第二世界坐标标定所述相机的视觉参数。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述第一图像和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像,包括:
在所述第二图像中去除所述第一图像,得到所述亮暗光的投影图像。
4.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述根据所述相机的视觉参数确定所述相机的透视变换矩阵,包括:
根据所述相机的视觉参数对所述第二图像坐标进行畸变校正,得到校正的第二图像坐标;
从所述第二世界坐标中提取出对应的二维坐标;
根据所述校正的第二图像坐标和所述二维坐标确定所述透视变换矩阵。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述透视变换矩阵和所述相机的视觉参数确定所述投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标,包括:
根据所述投影图像的尺寸确定所述第一定标点的第一图像坐标;
根据所述相机的视觉参数和所述透视变换矩阵确定所述第一定标点的第一世界坐标。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在,所述根据所述相机的视觉参数和所述透视变换矩阵确定所述第一定标点的第一世界坐标,包括:
根据所述投影仪的微镜阵列的尺寸确定所述第一定标点在预设投影坐标系中的第一投影坐标;
根据所述相机的视觉参数对所述第一投影坐标进行畸变校正,得到第二投影坐标;
根据所述透视变换矩阵对所述第二投影坐标进行透视变换,得到第三投影坐标;
对所述第三投影坐标进行三维坐标变换,得到所述第一定标点的第一世界坐标。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括:
在多个位置分别采集所述第一图像和第二图像,得到第一图像组和第二图像组;
根据所述第一图像组和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像组;
确定所述投影图像组中每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;
根据每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标标定所述投影仪的视觉参数。
8.一种面阵结构光成像***的标定装置,其特征在于,包括:
采集模块,用于通过相机采集校正板在全亮光照射下的第一图像,并采集所述校正板在亮暗光照射下的第二图像;
生成模块,用于根据所述第一图像和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像;
第一标定模块,用于根据所述第一图像标定所述相机的视觉参数;
第一确定模块,用于根据所述相机的视觉参数确定所述相机的透视变换矩阵;
第二确定模块,用于根据所述透视变换矩阵和所述相机的视觉参数确定所述投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;
第二标定模块,用于根据所述第一图像坐标和第一世界坐标标定投影仪的视觉参数。
9.如权利要求8所述的装置,其特征在于,所述第一标定模块用于:
提取所述第一图像的第二定标点;
根据所述第一图像的尺寸确定所述第二定标点在预设图像坐标系中的第二图像坐标;
根据所述校正板的尺寸确定所述第二定标点在预设世界坐标系中的第二世界坐标;
根据所述第二图像坐标和所述第二世界坐标标定所述相机的视觉参数。
10.如权利要求8所述的装置,其特征在于,所述生成模块用于:
在所述第二图像中去除所述第一图像,得到所述亮暗光的投影图像。
11.如权利要求9所述的装置,其特征在于,所述第一确定模块用于:
根据所述相机的视觉参数对所述第二图像坐标进行畸变校正,得到校正的第二图像坐标;
从所述第二世界坐标中提取出对应的二维坐标;
根据所述校正的第二图像坐标和所述二维坐标确定所述透视变换矩阵。
12.如权利要求8所述的装置,其特征在于,所述第二确定模块用于:
根据所述投影图像的尺寸确定所述第一定标点的第一图像坐标;
根据所述相机的视觉参数和所述透视变换矩阵确定所述第一定标点的第一世界坐标。
13.如权利要求12所述的装置,其特征在,所述第二确定模块用于:
根据所述投影仪的微镜阵列的尺寸确定所述第一定标点在预设投影坐标系中的第一投影坐标;
根据所述相机的视觉参数对所述第一投影坐标进行畸变校正,得到第二投影坐标;
根据所述透视变换矩阵对所述第二投影坐标进行透视变换,得到第三投影坐标;
对所述第三投影坐标进行三维坐标变换,得到所述第一定标点的第一世界坐标。
14.如权利要求8所述的装置,其特征在于,
所述采集模块还用于在多个位置分别采集所述第一图像和第二图像,得到第一图像组和第二图像组;
所述生成模块还用于根据所述第一图像组和所述第二图像生成所述亮暗光的投影图像组;
所述装置还包括:
第三确定模块,用于确定所述投影图像组中每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标;
第三标定模块,用于根据每个投影图像的第一定标点的第一图像坐标和第一世界坐标标定所述投影仪的视觉参数。
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