一种基于光栅投影测量系统的改进标定方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115046497A(43)申请公布日2022.09.13(21)申请号202210751066.9(22)申请日2022.06.28(71)申请人长春师范大学地址130032吉林省长春市长吉北路677号(72)发明人孙秋成代维宇任泽明王铭泽朱金龙孙明玉赵秀涛(74)专利代理机构哈尔滨龙科专利代理有限公司23206专利代理师王新雨(51)Int.Cl.G01B11/24(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图5页(54)发明名称一种基于光栅投影测量系统的改进标定方法(57)摘要一种基于光栅投影测量系统的改进标定方法，本发明在传统的光栅投影测量系统中改进了对于模型参数求解的方法，具体采用四步相移法进行相位差值求解，通过所提出的数学方法求解模型参数最后带入相移高度模型实现物体的三维重建，本次实验分为两个部分：面具形貌重建和金属块测量实验。本发明提出了一种无需外物帮助的前提下在投影仪标定过程中和摄像机单目标定过程中提取出投影面和摄像机光心在世界坐标系下的表达式，直接计算投影仪和摄像机两光心之间的距离和投影仪光心(CCD摄像机光心)到参考平面的垂直距离的方法，既简化了系统校准过程中的繁琐过程和可操作性不好的问题，又实现了标定过程的精确性。CN115046497ACN115046497A权利要求书1/2页1.一种基于光栅投影测量系统的改进标定方法，其特征在于：所述方法具体为：步骤一：引入传统相移‑高度模型中的参数式(1)是经典光栅投影测量系统的高度‑相位映射关系式，其中，L为投影仪光心或CCD摄像机光心到参考平面的垂直距离，D为投影仪和摄像机两光心之间的距离，λ0为栅线的节距，是光栅投射到参考平面后，在参考面上沿着X轴方向，相位变化一个周期(2π)对应的像素变化值；步骤二：求解参数L在摄像机成像和标定过程中涉及到世界坐标系(OW，XW，YW，ZW)、摄像机坐标系(OC，XC，YC，ZC)、T图像物理坐标系(O’，x，y)和图像像素坐标系(O”，u，v)，成像的过程也即是空间物点在这四个坐标系中的一系列变换过程；在标定过程中，目标平面的空间姿态可以任意变换的，当目标平面被限制在参考平面内时，目标平面为参考平面，那么L可以看作是相机的光中心与世界坐标平面之间的距离，根据外部参数确定了世界坐标系与摄像机坐标系之间的空间位置关系，摄像机标定是为了采集摄像机在空间的位置和内部参数，用以建立摄像机平面和成像平面的像素点之间的映射关系；在校准过程中，相机光学中心与参考平面之间的垂直距离L可以转换为相机光中心与棋盘格校准平面之间的垂直距离，即L是CCD相机光中心在世界坐标系中的Z值的长度；从世界坐标系到摄像机坐标系的转换过程可以通过旋转矩阵R和平移向量t来实现；转换公式为：由式2可得：当Xc、Yc、Zc均为0时，用公式(3)计算Zw的绝对值，即相机光学中心与参考平面之间的垂直距离L；步骤三：求解参数D在双目相机模型中，左和右相机的空间位置关联相关如下，其中Pl和Pr分别是左右的坐标相机在世界坐标系统，Rp和Tp是右相机相对于左相机的旋转和平移矩阵；Pr＝Rp*Pl+Tp外部参数Rp和Tp是相对于相机的投影仪；其中旋转矩阵Rp的形式是2CN115046497A权利要求书2/2页平移向量Tp的形式是当CCD相机与投影仪之间的光中心连接线平行于参考平面时，通过平移向量Tp计算出距离D，计算公式如下：2.根据权利要求1所述的一种基于光栅投影测量系统的改进标定方法，其特征在于：步骤三中，投影仪标定实验步骤为：第一步：进行单目摄像机标定记录摄像机内外参；第二步：投影棋盘格目标平面，并获取角点数据；第三步：计算投影仪内外参数；第四步：根据投影仪外参并计算投影仪与摄像机的相对位置关系。3CN115046497A说明书1/6页一种基于光栅投影测量系统的改进标定方法技术领域[0001]本发明涉及相移轮廓术中的传统相移高度模型的标定方法，特别是其中的投影仪和摄像机两光心之间的距离和投影仪光心(CCD摄像机光心)到参考平面的垂直距离的改进标定方法。背景技术[0002]三维重建一直是计算机视觉的重要研究领域之一。近年来，对三维轮廓重构技术的研究取得了巨大的进步，新技术新方法不断涌现。非接触式三维表面成像技术随着工业、医学应用和科学研究的市场需求的刺激而发展迅速。现有的重构系统大致可分为：光学三角法，激光干涉法，时间飞行法，结构光轮廓技术等。[0003]相位测量轮廓术(PMP)是一种著名的基于主动立体视觉的光学计量方法，从20世纪80年代，德国光学研究人员提出了相移轮廓术来测量物体的深度，随着低成本数码相机和投影仪的发展和广泛应用，其具有高精度、无损、全场、不接触等特点，已广泛应用于机器视觉、工业检测、轮廓建模