CN108458671A - 一种线结构光三维测量***的标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种线结构光三维测量***的标定方法，首先按常规方法标定摄像机，获得摄像机内部参数与外部参数；其次，使用投影仪将编码结构光投影到标定***平面板上，通过图像处理和解码获得投影仪投射的所有线条在照片中的亚像素级坐标，根据摄像机内部参数与外部参数建立线面方程，通过线面交点计算平面板上所有投影线条的三维坐标；移动三维测量***或平面板后，获得移动所有投影线条的三维坐标；最后根据获得的三维坐标数据对每一个投影线条进行曲面拟合，获得所有投影线条形成的光曲面的曲面方程，以这些曲面方程的系数建立曲面系数表，完成标定。该标定方法消除线光源弯曲产生的影响，并使标定过程简单快捷，易操作，误差小，标定精度高。

Description

一种线结构光三维测量***的标定方法
技术领域
本发明属于光学三维测量领域，具体涉及一种线结构光三维测量***的标定方法，该方法用于快速标定线结构光三维测量***，并消除线光源弯曲对三维测量的影响。
背景技术
基于一维线结构光的三维测量***具有测量精度高，测量速度快，信息量大等优点，在逆向工程，人脸识别，工业测量等领域具有广泛的应用。一般的测量过程包括：用线结构光投影仪向目标物体投射结构光编码图案，再用摄像机同步拍摄，通过解码建立三角测距模型，进而获得目标物体的三维坐标。
标定摄像机和线结构光投影仪是线结构光三维测量***的首要步骤；目前线结构光三维测量***的传统标定技术一般先标定摄像机，随后标定投影仪。摄像机的标定一般基于针孔成像模型，成熟的方法包括张正友法，两步法等。投影仪的标定方法包括：拉丝法，一维、二维、三维靶标标定法，交比不变法，机械调整法等。这些投影仪的标定方法存在特征点数量少，高精度标定靶标的制作成本高，过多的操作环节引入了多种误差等问题。
另一方面，由于目前线结构光投影仪的标定方法均认为光源为理想的线光源，投影出射的是理想的光平面，以此为理论基础进行三维坐标的解算。但实际应用中由于线光源的缺陷，会使投影出射的线条发生轻微弯曲，从而导致投影出射的光形成一个光曲面而并非光平面，给三维测量带来误差。
发明内容
本发明的目的是消除线光源弯曲产生的影响，并使标定过程简单快捷，易操作，误差小，标定精度高。
为了实现以上目的，本发明提出了一种线结构光三维测量***的标定方法，包括以下步骤：
步骤一：搭建并调整标定所需的硬件***；
硬件***包括平面板，光学导轨，导轨滑块和三自由度微动平台，上述导轨滑块位于光学导轨内，三自由度微动平台位于导轨滑块上端，可绕xyz三轴转动；
调整光学导轨与平面板垂直；
步骤二：在平面板上设置二维靶标，在摄像机加装滤光片的情况下标定摄像机，在平面板上确定世界坐标系，获得摄像机内部参数与外部参数；
步骤三：将三维测量***固定在导轨滑块上；
步骤四：定义投影仪标定的初始位置，使用投影仪将编码结构光投影到平面板上，摄像机拍摄相应照片，通过图像处理和解码获得投影仪投射的所有线条在照片中的亚像素级坐标，根据摄像机内部参数与外部参数建立线面方程，通过线面交点计算平面板上所有投影线条的三维坐标；
步骤五：至少移动一次三维测量***后，重复步骤四获得每次移动后打在平面板上的所有投影线条的三维坐标；
步骤六：根据步骤四和步骤五获得的三维坐标数据对每一个投影线条进行曲面拟合，获得所有投影线条形成的光曲面的曲面方程，以这些曲面方程的系数建立曲面系数表及标定参数，至此完成标定。
在进行三维测量时，利用查表的方法快速获得投影线条形成的光曲面的多项式方程，根据被测点的像素坐标可以建立由摄像机发射的光线，由线面交点即可计算获得被测点的三维坐标。
优选地，平面板的作用是接收投影光，光学导轨的轨道方向需与平面板垂直，两者的夹角不大于2度，步骤一中通过下述过程调整光学导轨与平面板垂直：
1.1)在三自由度微动平台上安装准直的点光源，光源打在平面板上形成一细小光斑，调整微动平台，使得当点光源在光学导轨上自由滑动时，打在平面板上的光斑移动距离小于一个光斑直径，此时认为光源的光路与导轨轨道平行；
1.2)随后在平面板上安装一块镜面，在光源前放置一小孔，小孔孔径与光斑大小相同(小孔尺寸以光斑恰好穿过小孔为宜)，令激光光斑穿过小孔打在镜面上并反射，调整光学导轨方向使得经过镜面反射的光斑穿过小孔反射回来，此时即认为光学导轨与平面板垂直。
优选地，步骤四中可以选择多种编码方式对各投影线条进行编码和解码，如格雷码、格雷码+相移码、传统二进制编码等，这些编码方式均可以通过拍摄较少数量的照片，解码提取出所有投影线条的亚像素级像素坐标。
拟合获得的多项式曲面方程的阶数越高，拟合准确度越高，优选地，使用二次曲面方程拟合即可满足标定的要求。方程形如：
p1*x2+p2*y2+p3*z2+p4*x*y+p5*x*z+p6*y*z+p7*x+p8*y+p9*z+p10＝0
其中：p1～p10是待拟合的参数；
x、y、z是步骤四和步骤五中获得的每条投影线条的三维坐标数据；
为了保证曲面拟合时有足够的数据量和拟合准确度，步骤五中三维测量***至少需要平移一次，从而保证拟合每个投影线条产生的光曲面时，至少有两条以上空间曲线拟合一个曲面方程。
优选地，步骤二中采用张正友法标定摄像机。
优选地，步骤二中平面板上的二维靶标应与二维靶标所在平面共面，或保证靶标厚度小于0.2mm，以避免靶标过厚导致靶标与其所在平面不共面，增大标定误差。
优选地，步骤二中选择棋盘格左上顶点为世界坐标系的原点，二维靶标所在平面为Z＝0的平面；Z轴正向指向三维测量***所在的方向，沿棋盘格边缘向下的方向确定为X轴，根据Z轴和X轴确定Y轴方向。确定世界坐标系后根据张正友法的计算原则即可获得对应的摄像机外部参数。
本发明的有益效果是：
1、本发明使用光曲面代替光平面，相比光平面准确度更高，避免了线光源弯曲对标定和三维坐标的解算产生的影响。
2、本发明标定***简单，对标定靶标要求不高，成本较低，操作过程便捷，需要控制的参数较少，避免了由于标定操作环节过多而引入更多误差。
3、计算过程简单，直接对所有光曲面进行标定。采用编码和解码的方式提取所有投影线条的亚像素级像素坐标，方便快捷，准确度高。采用查表的方法提高后期三维坐标的计算速度，避免了计算过程中引入更多误差。
附图说明
图1为实施例中线结构光三维测量仪示意图；
图2为实施例中标定***示意图；
图3为实施例中标定流程图。
图中附图标记为：1-平面板，2-光学导轨，3-滑块，4-三自由度微动平台，5-标定靶标。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细阐述。
从图1可以看出，本实施例中，待标定的三维测量***主要由摄像机和线结构光投影仪组成，摄像机像素为640*480，待标定的线结构光投影仪像素为1024，即最高能够沿横向投影出1024个线条:l1～l1024。
搭建如图2所示的标定***，平面板1，尺寸为1.5m*1.5m，厚10mm。材料选用亚克力板，表面粘贴1.5m*1.5m的平整白纸，白纸中央打印20*20的棋盘格标定靶标5，标定靶标5的每个单元格的尺寸为30mm的正方形。光学导轨2，长1.5m。配备滑块3和三自由度微动平台4，D可绕空间三轴转动，最大转动角度为3°。
标定过程如图3所示，按以下步骤：
1.调整光学导轨2，使之与平面板1表面垂直，具体实现步骤如下：
1a.在光学导轨2的700mm处安装三自由度微动平台，在三自由度微动平台上固定准直的点光源，使点光源的出射光打在平面板1上，光斑直径1.5mm。在光学导轨2的300mm处固定一厚度为2mm厚的不透光纸板，纸板上钻有直径为1.5mm的小孔。
1b.调整三自由度微动平台4角度和高度，使得当三自由度微动平台4在导轨上400mm～1400mm之间任意位置时，点光源发射的光线均可穿过小孔，此时认为点光源发射的光线与光学导轨2的轨道方向平行。
1c.随后保持点光源在光学导轨2上不动，在平面板1上固定一块镜面，调整光学导轨2的角度和高度，使点光源发射的光线穿过小孔打在镜面上，且经过反射后的光线再次穿过小孔，此时认为平面板1与光学导轨2的轨道方向垂直。
2.在摄像机加装滤光片的情况下标定摄像机。由于使用了滤光片，拍摄到的靶标照片亮度较低，使用一个与滤光片波段相适应的面光源将棋盘格靶标照亮。在不同角度拍摄25张标定照片，其中一张照片的拍摄位置来自于接下来步骤3)中定义的初始位置。随后采用张正友标定法进行摄像机的标定，根据张正友法计算获得摄像机的内部参数K和外部参数R，使用LM法获得摄像头的二阶畸变系数kc，张正友法具体实现步骤来自于文章：AFlexible New Techniquefor Camera Calib-ration.MicrosoftCorpera-tion.NSR-TR-98-71.1998.。各个照片的外部参数R表示为：
其中：表示旋转矩阵；
表示平移矩阵；
3.将三维测量***固定在光学导轨的滑块上，在导轨上滑至700mm位置处，将此处定义为标定的初始位置。步骤2)在初始位已经确定了世界坐标系并获得的外部参数R，根据外部参数R，可以确定棋盘格平面，也就是平面板A的平面在摄像机坐标系下的平面方程为：
其中：r13，r23，r33，r13，r23，r33，t1，t2，t3来自于外部参数R；
XC，YC，ZC表示摄像机坐标系坐标；
4.在标定的初始位置，也就是导轨700mm处使用线结构光投影仪投影编码结构光，拍摄相应照片，利用二阶畸变系数kc进行畸变修正后，通过图像处理就可以解码出所有投影线条l1～l1024的亚像素级坐标。本实施例中采用的编码方式为七级格雷码+相移码编码，实现原理来自于Jens Gühring的文章：Dense 3-D surface acquisition by structuredlight using off-the-shelf components.Videometrics and Optical Methods for 3DShape Measurement(2000).doi:10.1117/12.410877。解码获得l1～l1024上每个投影点在照片中的亚像素级坐标后，就可以通过摄像机的标定参数获得每个点对应的一条由摄像机发射的通过标定平面的射线，该射线满足如下关系：
其中：u，v表示该点的亚像素级坐标；
XC，YC，ZC表示摄像机坐标系坐标；
s表示自由系数；
该射线上的任一点可表示为：[XC/s，YC/s，ZC/s]，s为自由系数。射线与标定平面的交点就是每个投影点的三维坐标，与标定平面的面方程联立便可求得对应的s，从而求得所有投影线条l1～l1024在摄像机坐标系下的坐标MC＝[XC，YC，ZC]。
5.将三维测量***沿光学导轨滑动至800mm处，获得在800mm处所有投影线条l1～l1024在摄像机坐标系下的坐标MC＝[XC，YC，ZC]。
6.至此，在700mm和800mm处获得了两组三维坐标数据MC。从中提取出投影仪投射的1024个线条l1～l1024中每个投影线条形成的光曲面在两组数据中对应的空间曲线。一共获得1024组三维数据，将这些三维数据作为输入数据进行曲面拟合，拟合方法采用最小二乘法，能够获得所有空间曲面对应的1024组多项式系数p1～p10。根据这些系数与1024个投影线条的对应关系建立曲面系数表，就可以通过查表的方法快速获得相应投影线条的空间曲面方程。这个曲面系数表已经完全满足了线结构光投影仪的三维测量的需求，至此完成线结构光三维测量***的标定。
本发明提出的标定方法将光平面替换为光曲面，极大程度上消除了线光源弯曲对三维测量产生的影；标定过程不依靠复杂的标定设备，能够方便快捷的进行标定；标定参数的使用方法是查表，方便快速，标定精度较高；标定过程始终加装滤光片，避免了标定后再加装滤光片对标定参数产生的影响。
尽管以上实施例对本发明提出的方法进行了详细的描述，但需要明确的是：本发明提出的方法绝不仅限于以上实施例，实施例是对示意性的，而不是限制性的。相关从业人员根据本发明提出的方法，在不脱离本发明根本原理的情况下，能够进行各种形式的变形，但均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种线结构光三维测量***的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：搭建并调整标定所需的硬件***；
硬件***包括平面板，光学导轨，导轨滑块和三自由度微动平台，所述导轨滑块位于光学导轨内，三自由度微动平台位于导轨滑块上端，可绕xyz三轴转动；
调整光学导轨与平面板垂直；
步骤二：在平面板上设置二维靶标，在摄像机加装滤光片的情况下标定摄像机，在平面板上确定世界坐标系，获得摄像机内部参数与外部参数；
步骤三：将三维测量***固定在导轨滑块上；
步骤四：定义投影仪标定的初始位置，使用投影仪将编码结构光投影到平面板上，摄像机拍摄相应照片，通过图像处理和解码获得投影仪投射的所有线条在照片中的亚像素级坐标，根据摄像机内部参数与外部参数建立线面方程，通过线面交点计算平面板上所有投影线条的三维坐标；
步骤五：移动三维测量***或平面板后，重复步骤四获得每次移动后打在平面板上的所有投影线条的三维坐标；
步骤六：根据步骤四和步骤五获得的三维坐标数据对每一个投影线条进行曲面拟合，获得所有投影线条形成的光曲面的曲面方程，以这些曲面方程的系数建立曲面系数表即标定参数，完成标定。
2.根据权利要求1所述的线结构光三维测量***的标定方法，其特征在于，步骤一中通过下述过程调整光学导轨与平面板垂直：
1.1)在三自由度微动平台上安装准直的点光源，光源打在平面板上形成光斑，调整微动平台，使得当点光源在光学导轨上自由滑动时，打在平面板上的光斑移动距离小于一个光斑直径，此时认为光源的光路与导轨轨道平行；
1.2)随后在平面板上安装一块镜面，在光源前放置一小孔，小孔孔径与光斑大小相同，令激光光斑穿过小孔打在镜面上并反射，调整光学导轨位置，使得经过镜面反射的光斑穿过小孔反射回来，此时即认为光学导轨与平面板垂直。
3.根据权利要求2所述的线结构光三维测量***的标定方法，其特征在于：步骤四中选择格雷码、格雷码+相移码、传统二进制编码对投影线条进行编码。
4.根据权利要求3所述的线结构光三维测量***的标定方法，其特征在于：步骤六中使用二次曲面方程对每一个投影线条进行曲面拟合。
5.根据权利要求4所述的线结构光三维测量***的标定方法，其特征在于：步骤五中，至少平移一次三维测量***。
6.根据权利要求5所述的线结构光三维测量***的标定方法，其特征在于：步骤二中采用张正友法标定摄像机。
7.根据权利要求6所述的线结构光三维测量***的标定方法，其特征在于：步骤二中平面板上的二维靶标应与二维靶标所在平面共面，或保证靶标厚度小于0.2mm。
8.根据权利要求7所述的线结构光三维测量***的标定方法，其特征在于：步骤二中选择二维靶标，靶标左上顶点为世界坐标系的原点，二维靶标所在平面为Z＝0的平面；Z轴正向指向三维测量***所在的方向，沿棋盘格边缘向下的方向确定为X轴，根据Z轴和X轴确定Y轴方向。
9.根据权利要求7所述的线结构光三维测量***的标定方法，其特征在于：所述平面板材料选用亚克力板。
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