专利名称：基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统及其标定方法
技术领域：
本发明属于三维数字成像及造型领域，尤其涉及一种基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统及其标定方法。
背景技术：
条纹投影三维测量系统具有非接触、速度快、精度高、数据密度大等优点，在逆向工程、质量控制、缺陷检测等工业生产领域均有广泛的应用。条纹投影三维测量系统通常采用“单相机-单投影仪”的单目结构，其中投影仪可以视为反向相机，因此可以基于双目立体视觉原理对系统进行建模。系统模型确立后，还需要通过标定确定模型中的未知参数，尚可进行三维测量。三维测量的结果与标定得到的模型参数直接相关，因此系统的测量精度主要取决于标定精度。传统的条纹结构光三维测量系统的标定主要借鉴投影仪控制器视觉中的相机标定方法，使用立体或平面标靶对相机和投影仪进行分别标定，标定精度依赖于标靶上基准点的位置精度。因此，要实现较高精度的标定，首先要获得高精度的标靶。高精度标靶的制作往往对加工工艺有较高的要求，在加工精度无法达到要求时，还可能需要对标靶上的每个基准点进行独立测量，大大增加了标靶的加工制作成本。随着标靶尺度的增长，标靶的制作精度将变得越来越难以保证，从而直接影响到后续的标定以及最终的三维测量的精度。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统的标定方法，以解除标靶制作精度的制约，保证使用较低精度的标靶亦可得到较高精度的标定结果。上述基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统的标定方法包括下述步骤步骤A，将表面印有已知三维坐标的基准点的平面标靶摆放为不同的方位，在每个方位下由投影仪先后对标靶进行均匀光照明和投射相移加变频的正弦条纹序列，并在每个方位下由相机采集相应的纹理图和变形条纹图；步骤B，对步骤A采集到的纹理图进行处理以获得基准点在相机中的像点，对步骤A采集到的变形条纹图进行相位解调，根据解调结果与所述基准点在相机中的像点确定与标靶中的每一个基准点所对应的两个同名点；所述两个同名点分别为所述基准点在待标定的相机中的像点和在待标定的投影仪中的像点；步骤C，根据已知的基准点的三维坐标和步骤B中得到的与该基准点所对应的两个同名点，分别对相机和投影仪进行初始标定，得到系统标定参数的初值；步骤D，利用三维测量系统的刚体不变性和光束平差原理构造新的误差函数，利用所述误差函数对步骤C中标定的初始系统参数进行全局优化实现精确标定。进一步地，所述步骤B具体通过如下方式确定与标靶中的每一个基准点所对应的两个同名点
步骤BI，对步骤A中相机采集到的变形条纹图进行相位解调，获得标靶在相机中的双方向绝对相位分布信息；步骤B2，根据步骤BI获得的相机双方向绝对相位分布信息确定相机坐标系中与所述基准点相对应的相机像点的相位信息，然后根据投影仪双方向绝对相位分布信息来查找在投影仪坐标系中具有相同相位的投影仪像点，相机像点和投影仪像点即互为同名点。进一步地，所述步骤C具体通过Zhang的标定方法对相机和投影仪进行初始标定。
进一步地，述步骤D通过如下公式对步骤C标定的系统参数的初值进行全局优化
权利要求
1.一种基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统的标定方法，其特征在干，包括下述步骤 步骤A，将表面印有已知三维坐标的基准点的平面标靶摆放为不同的方位，在每个方位下由投影仪先后对标靶进行均匀光照明和投射相移加变频的正弦条纹序列，并在每个方位下由相机采集相应的纹理图和变形条纹图； 步骤B，对步骤A采集到的纹理图进行处理以获得基准点在相机中的像点，对步骤A采集到的变形条纹图进行相位解调，根据解调结果与所述基准点在相机中的像点确定与标靶中的每ー个基准点所对应的两个同名点；所述两个同名点分别为所述基准点在待标定的相机中的像点和在待标定的投影仪中的像点； 步骤C，根据已知的基准点的三维坐标和步骤B中得到的与该基准点所对应的两个同名点，分别对相机和投影仪进行初始标定，得到系统标定參数的初值； 步骤D，利用三维测量系统的刚体不变性和光束平差原理构造新的误差函数，利用所述误差函数对步骤C中标定的初始系统參数进行全局优化实现精确标定。
2.如权利要求I所述的标定方法，其特征在于，所述步骤B具体通过如下方式确定与标靶中的每ー个基准点所对应的两个同名点 步骤BI，对步骤A中相机采集到的变形条纹图进行相位解调，获得标靶在相机中的双方向绝对相位分布信息； 步骤B2，根据步骤BI获得的相机双方向绝对相位分布信息确定相机坐标系中与所述基准点相对应的相机像点的相位信息，然后根据投影仪双方向绝对相位分布信息来查找在投影仪坐标系中具有相同相位的投影仪像点，相机像点和投影仪像点即互为同名点。
3.如权利要求I所述的标定方法，其特征在于，所述步骤C具体通过Zhang的标定方法对相机和投影仪进行初始标定。
4.如权利要求I所述的标定方法，其特征在于，所述步骤D通过如下公式对步骤C标定的系统參数的初值进行全局优化 cost(T) = |mf -mf'(0c,0*;X^|2 其中，M为标靶上已知三维坐标的基准点的个数，N为标靶被变换方位的次数，上标i表示第i个方位，上标j表示第j个基准点，1 =表示待优化的參数向量，0。为相机内參，0P为投影仪内參， s为结构參数， :为相机外參，为基准点的三维坐标，为基准点在相机中的实际图像坐标，が丨为基准点在投影仪中的实际图像坐标，m“0e，0UX〖)表示由相机对X；重投影得到的基准点在相机中的理论图像坐标，mゾ0p，0,,0^Xi)表示由投影仪对X纟重投影得到的基准点在投影仪中的理论图像坐标。
5.一种基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统的标定系统，其特征在于，包括 平面标靶； 投影仪控制器； 投影仪，用于在所述投影仪控制器的控制下对摆放为不同方位的平面标靶先后进行均匀光照明和投射相移加变频的正弦条纹序列；所述平面标靶表面印有已知三维坐标的基准点； 相机，用于采集所述平 面标靶在每个方位下被所述投影仪进行均匀光照明得到的纹理图，并采集所述平面标靶在每个方位下被所述投影仪投射相移加变频的正弦条纹序列得到的变形条纹图； 图像处理单元，用于对所述相机采集到的纹理图进行处理以获得基准点在相机中的像点，对所述相机采集到的变形条纹图进行相位解调，根据解调结果与所述基准点在相机中的像点确定与标靶中的每ー个基准点所对应的两个同名点；所述两个同名点分别为所述基准点在待标定的相机中的像点和在待标定的投影仅中的像点； 初歩标定单元，用于根据已知的基准点的三维坐标和所述图像处理单元中得到的与该基准点所对应的两个同名点，分别对相机和投影仪进行初始标定，得到系统标定參数的初值； 精确标定単元，用于利用三维测量系统的刚体不变性和光束平差原理构造新的误差函数，利用所述误差函数对所述初歩标定单元标定的初始系统參数进行全局优化实现精确标定。
6.如权利要求5所述的标定系统，其特征在于，所述图像处理单元包括 变形条纹图解调模块，用于对相机采集到的变形条纹图进行相位解调，获得标靶在相机中的双方向绝对相位分布信息； 同名点确定模块，用于根据所述变形条纹图解调模块获得的相机双方向绝对相位分布信息确定相机坐标系中与所述基准点相对应的相机像点的相位信息，然后根据投影仪双方向绝对相位分布信息来查找在投影仪坐标系中具有相同相位的投影仪像点，相机像点和投影仪像点即互为同名点。
7.如权利要求5所述的标定系统,其特征在于,所述初步标定单元具体通过Zhang的标定方法对相机和投影仪进行初始标定。
8.如权利要求5所述的标定系统，其特征在干，所述精确标定单元通过如下公式对所述初步标定单元标定的系统參数的初值进行全局优化
全文摘要
本发明属于三维数字成像及造型领域，提供了一种基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统的标定方法，包括步骤A，在每个方位下采集标靶相应的纹理图和变形条纹图；步骤B，对纹理图进行处理以实现基准点的亚像素定位，对变形条纹图进行相位解调以确定与标靶中的每一个基准点所对应的两个同名点；步骤C，分别对相机和投影仪进行初始标定，得到系统标定参数的初值；步骤D，利用三维测量系统的刚体不变性和光束平差原理构造新的误差函数进行参数优化实现精确标定。本发明提供的标定方法具有较高的可靠性，对标靶制作时的基准点定位误差有较高的容忍度，极大地降低了对标靶加工精度的要求，减少了标靶的制作成本，有利于现场标定的推广应用。
文档编号G01B11/25GK102654391SQ20121001432
公开日2012年9月5日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者刘晓利, 彭翔, 李阿蒙, 殷永凯 申请人:深圳大学