专利名称：投影结构光空间位置和形状的多点拟合标定方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光学技术领域的标定方法，具体是一种投影结构光空间位置和形状的多点拟合标定方法。
背景技术：
结构光三维面形成像系统的应用日益广泛，其中，投影结构光空间位置和形状参数的精度与三维测量数据的精度有着直接联系。因此，如何实现投影结构光空间位置和形状的高精度标定对保证三维测量的精确性有着重要的研究意义。然而，目前现有的一些利用结构光实现三维成像的系统中，对结构光大都采取目测估计的方法，人为因素影响较大，而主要的投影结构光的标定方法存在问题是(1)将投影结构光假设为平面，过于简单，由于用于生成结构光的投影装置在制作、安装中不可避免地出现误差，特别是以投影仪为代表的结构光投影装置不可避免地存在光学畸变，投影装置发出的投影结构光往往都有变形，故只将投影结构光假设为平面在实际应用时存在较大缺陷；(2)现有投影结构光标定装置的结构非常复杂，需要特殊的工作台，操作过程要求高。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开(公告)号CN1570553A，名称为“型面光学测量系统综合标定方法”，虽然提出了摄像机与投影仪及测量系统的综合标定，但该方法仅对投影仪进行了标定，标定了投影仪的光学参数，并未完成对结构光自身的标定，对于其他任意装置产生的投影结构光标定不具有广泛的应用价值。此外，该方法首先需要特制标定板，其精度与一致性均不易控制，直接影响标定精度。并且在标定过程中，当标定板倾斜放置时，要使投影仪投影的菱形方格阵列正好位于标定板的白色间隙内非常困难，标定板的位置摆放局限性很大，无法充分获取摄像机视场角范围内标定数据，使精度难以提高，可操作性差。
发明内容
为克服现有技术中的不足，对现有技术进一步完善，本发明提出一种投影结构光空间位置和形状的多点拟合标定方法，通过多次获取同一投影结构光曲面与参考面想截线上多点的空间位置，求解曲面方程确定结构光空间位置和形状的参数，实现高精度的投影结构光标定。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在结构光三维成像系统的有效视场范围内，投影装置产生投影结构光，多次改变参考面空间位置，二维成像装置摄取投影结构光空间曲面与参考面多次相截的图像并存入计算机，计算机通过域值法和空间位置转换关系计算出多条相截线上多点在结构光投影三维成像系统坐标系下的坐标值，以多点拟合实现高精度的结构光空间位置和形状的标定。
所述的参考面是指，在结构光三维成像系统有效视场范围内，与结构光曲面相交，且能够实现对二维成像装置的标定，确定二维成像装置的内参数，通过计算确定参考面坐标系与二维成像装置坐标系间的空间位置转换关系的平面。
所述的多次改变参考面空间位置是指，二维成像装置摄取投影结构光空间曲面与参考面相截的图像时，参考面所处的空间位置多次改变并覆盖整个结构光三维成像系统的有效视场范围。
对于多个二维成像装置与结构光阵列组成的三维成像系统，可通过先后标定各结构光曲面在其中一个二维成像装置坐标系下的空间位置和形状，进而利用各个二维成像装置间的空间位置转换关系，实现结构光阵列中各个投影结构光曲面在每个二维成像装置坐标系下的空间位置和形状的标定。
与现有技术相比，在本发明方法的实现中，对标定装置的要求低，不需制作特定复杂的标定板，无需提供特殊的工作台，操作简单，只需参考面与投影结构光相截即可，减少了标定过程的复杂性，方便快捷，易于现场标定、现场调试，可应用于任何基于结构光投影的三维成像系统，对于三维成像系统精度的提高有重要意义。
图1为本发明投影结构光空间位置和形状的多点拟合标定方法示意图。图中，A为投影结构光与参考面在位置1的相截线，B为投影结构光与参考面在位置2的相截线。O为二维成像装置光心。
图2为基于投影结构光阵列的双目视觉三维成像系统示意图。
具体实施例方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例作进一步的详细描述。
如图1所示，为本发明投影结构光空间位置和形状的多点拟合标定方法示意图。以二维成像装置的透镜中心为原点，以其光轴为OZ轴，建立二维成像装置坐标系OXYZ，二维成像装置采用的是现有任意一种二维成像技术，例如CCD摄像机、CMOS摄像机、PSD位置敏感传感器等通用成像装置。投影装置的投影方式可采用现有任意一种二维投影结构光技术，例如线激光投影、光栅投影、彩色结构光投影等。参考面是指，在结构光三维成像系统有效视场范围内，与结构光曲面相交的空间平面，取参考面上特定一直角交叉线为OXrYr，建立参考面坐标系OXrYrZr，通过空间计算，能够确定参考面坐标系OXrYrZr与二维成像装置坐标系OXYZ间的空间位置转换关系，如棋盘格标定板、网格标定板等。当二维成像装置摄取投影结构光空间曲面与参考面多次相截的图像并存入计算机，计算机通过域值法能够将相截线从背景中区分和识别出。
在结构光三维成像有效视场范围内，首先用现有的标定技术用参考面来标定二维成像装置的内参数，如二步法、四步法等。参考面的空间位置多次改变，并覆盖整个结构光三维成像系统的有效视场范围，改变参考面位置的次数一般在40次以上。二维成像装置摄取投影结构光空间曲面与参考面多次相截的图像并存入计算机。在计算机中，通过空间计算，确定参考面坐标系OXrYrZr与二维成像装置坐标系OXYZ的坐标系转换关系。计算机通过域值法来识别出投影结构光截线，并利用参考面坐标系OXrYrZr与二维成像装置坐标系OXYZ的坐标系转换关系，来计算出多条相截线上多点在结构光投影三维成像系统坐标系OXYZ下的坐表侄，以多点拟合实现高精度的结构光曲面空间位置标定。其中，每条相截线上取点方式为均匀间隔取点，取点数大于40个。即以1600个三维点拟合投影结构光空间曲面，即标定出投影结构光的空间位置和形状的参数。
如图2所示，为基于结构光阵列的双目视觉三维成像系统示意图。分别以各个二维成像装置的透镜中心为原心，光轴为O1Z1轴和O2Z2轴，建立成像装置坐标系O1X1Y1Z1、O2X2Y2Z2。结构光阵列由投影装置产生，分别与二维成像装置1、2构成三维成像系统。
在两个三维成像系统有效视场公共区域内，改变参考面的空间位置，两个成像装置同时摄取图像，首先利用现有标定技术对系统中的各成像装置进行立体标定，获取两成像装置坐标系间的旋转矩阵R及平移向量T。在采用投影结构光空间位置和形状的多点拟合标定方法完成结构光阵列中各投影结构光曲面在二维成像装置坐标系O1X1Y1Z1下的空间位置和形状标定后，再利用O1X1Y1Z1与O2X2Y2Z2坐标系的空间位置变转换关系，完成各投影结构光曲面在二维成像装置坐标系O2X2Y2Z2下的标定。
同样，对于多个二维成像装置与结构光阵列组成的三维成像系统，可通过先后标定各结构光曲面在其中一个二维成像装置坐标系下的空间位置和形状，进而利用各个二维成像装置间的空间位置转换关系，实现结构光阵列中各个投影结构光曲面在每个二维成像装置坐标系下的空间位置和形状参数的标定。
权利要求
1.一种投影结构光空间位置和形状的多点拟合标定方法，其特征在于，在结构光三维成像系统的有效视场范围内，投影装置产生投影结构光，多次改变参考面的空间位置，二维成像装置摄取投影结构光空间曲面与参考面多次相截的图像并存入计算机，计算机通过域值法和空间位置转换关系，计算出多条相截线上多点在结构光投影三维成像系统坐标系下的坐标值，以多点拟合实现结构光曲面空间位置和形状的标定。
2.根据权利要求1所述的投影结构光空间位置和形状的多点拟合标定方法，其特征是，参考面是指，在结构光三维成像系统有效视场范围内，与结构光曲面相交，且能够实现对二维成像装置的标定，确定二维成像装置的内参数，并能够通过计算确定参考面坐标系与二维成像装置坐标系间的空间位置转换关系的平面。
3.根据权利要求1所述的投影结构光空间位置和形状的多点拟合标定方法，其特征是，多次改变参考面空间位置是指，二维成像装置摄取投影结构光空间曲面与参考面相截的图像时，参考面所处的空间位置多次改变并覆盖整个结构光三维成像系统的有效视场范围。
4.根据权利要求1所述的投影结构光空间位置和形状的多点拟合标定方法，其特征是，对于多个二维成像装置与投影结构光阵列组成的三维成像系统，通过先后标定各结构光曲面在其中一个二维成像装置坐标系下的空间位置和形状，进而利用各个二维成像装置间的空间位置转换关系，实现结构光阵列中各个投影结构光曲面在每个二维成像装置坐标系下的空间位置和形状的标定。
全文摘要
一种光学技术领域的投影结构光空间位置和形状的多点拟合标定方法，在结构光三维成像系统的有效视场范围内，投影装置产生投影结构光，多次改变参考面的空间位置，二维成像装置摄取投影结构光空间曲面与参考面多次相截的图像并存入计算机，计算机通过域值法和空间位置转换关系，计算出多条相截线上多点在结构光投影三维成像系统坐标系下的坐标值，以多点拟合实现高精度的结构光空间位置和形状的标定。本发明方法实现容易、操作简便，适用于结构光三维成像系统的现场标定与调试等工作。
文档编号G01B11/03GK1888815SQ20061002888
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月13日 优先权日2006年7月13日
发明者陈亚珠, 郝丽俊, 程胜, 杨荣骞 申请人:上海交通大学