一种投影仪标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器视觉标定技术领域，涉及一种基于点阵列标定板和图像处理技术 的投影仪标定方法。
【背景技术】
[0002] 结构光三维测量技术具有非接触、高精度、高速度等优点，而且其测量结果方便与 多种软件接口，这使得它被广泛运用于科学分析、生物工程、工业生产等领域。而结构光测 量中，存在一种单相机、单投影仪组成的三维测量系统，这种系统结构简单、测量效率高，但 其测量系统必然涉及到相机和投影仪的标定。相机标定已经有比较成熟的标定方法，然而 投影仪不是成像设备，可视其为逆向相机，故标定难度高，精度难以保证。如何得知投影仪 标定的一系列特征点的三维世界坐标和图像像素坐标是一个需要解决的大问题。
[0003] 常用的投影仪标定方法主要以下几种：精确获取靶标上特征点的世界坐标，运用 相位技术求出其图像坐标；使用柔性靶标，然后将特定图案投影到靶标上，利用交比不变性 算出投影图案特征点的世界坐标；使用特定投影图案，其特征点的图像坐标已知，再利用相 机标定结果求出特征点的世界坐标；
[0004] 现有的投影仪标定问题主要有：（1)专用标定设备制备麻烦，成本较高；（2)采用 的标定算法复杂，有的方法精度依赖绝对相位展开精度，有的需要灰度插值和直线拟合。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种投影仪标定方法，其特征在于， 该方法利用相机、投影仪、点阵列标定板和网格投影图案，其中：点阵列标定板的图案采用 的是二值图，为白背景上逐行逐列均匀分布黑特征点；网格投影图案，为黑背景上白色网格 线，白色网格线的分布和宽窄可以根据需要进行设计，由此各白线交点处中心的像素坐标 已知，且该交点中心为投影仪标定的特征点，该方法包括如下步骤：
[0006] (1)搭建测量系统，安装好所述投影仪与所述相机的位置；
[0007] (2)将所述标定板摆放在所述相机和所述投影仪共同视角范围内的某个位置，先 用相机对所述标定板进行拍摄并保存图像，保持所述标定板的位置不变，由所述投影仪向 所述标定板投射网格投影图案，用相机拍摄带有网格图案的所述标定板图像并保存图像； 调整所述标定板在相机和投影仪的共同视角范围内的多个位置，并重复上述过程拍摄保存 多组图像；
[0008] (3)利用拍摄的标定板的照片和带有网格图案的标定板照片对相机和投影仪的标 定参数进行计算，所述计算过程如下：
[0009] (3-1)以所述标定板上的黑特征点，利用所述标定板图像采用二维靶面标定法对 相机进行标定，并求取畸变参数；
[0010] (3-2)对拍摄的几组带有投影网格图案的照片进行处理，获得网格亮线交点在照 片上的像素坐标；
[0011] (3-3)将所述步骤（3-2)获得的像素坐标映射到所述相机光心与成像面之间间距 Imm的归一化平面上获得归一化平面上的特征点坐标，并利用所述步骤（3-1)的相机标定 过程中获得的畸变参数，修正归一化平面上的特征点坐标，连接相机光心与修正后的归一 化平面上的所述特征点坐标，即为亮线交点对应在标定板上的世界坐标；
[0012] (4)利用所述步骤（3-2)获得的亮线交点的像素坐标和所述步骤（3-3)中获得的 亮线交点的世界坐标，采用二维靶面标定方法对投影仪进行标定。
[0013] 进一步地，所述步骤（3-2)的过程还包括如下步骤：
[0014] (3-2-1)采用阈值法对拍摄的带有网格图案的标定板照片进行二值化，获得二值 图，保证投影的网格亮线为白，背景为黑；
[0015] (3-2-2)采用图像闭处理的方法，弥补所述二值图中，网格亮线在经过标定板上的 黑色特征点处发生的断裂；
[0016] (3-2-3)采用图像骨架化处理的方法，将所述二值图中的因投影而变宽的网格亮 线转化为单像素宽度的网格亮线；
[0017] (3-2-4)采用区域标记的方法，寻找图像中最大的8连通区域，从而得到祛除背景 干扰，得到仅剩网格亮线的图像；
[0018] (3-2-5)采用求骨架化图像中分支点的方法，得到骨架化的网格亮线中各条线的 交点的像素坐标，将其作为投影仪标定的特征点；即获得了投影仪标定特征点在拍摄照片 上的像素坐标。
[0019] 总体而言，按照本发明的投影仪标定方法，标定板制作方便，标定过程容易，后期 计算方法简单，并且实现过程快速，操作方便，且精度高。
【附图说明】
[0020] 图1为按照本发明中投影仪标定方法中所使用的系统的设置图；
[0021] 图2为按照本发明的投影仪标定方法中所使用的投影网格图案；
[0022] 图3为按照本发明的投影仪标定方法中二值化后的带有投影图案的标定板照片；
[0023] 图4为按照本发明的投影仪标定方法中闭处理后的带有投影图案的二值化图；
[0024] 图5为按照本发明的投影仪标定方法中骨架化后的带有投影图案的闭处理图；
[0025] 图6为按照本发明的投影仪标定方法中提取骨架化后的带有投影图案的闭处理 图中最大的8连通域，得到的仅含网格线的图；
[0026] 图7为按照本发明的投影仪标定方法中使用MATLAB提取的骨架分支点获得特征 点在照片上的像素坐标；
[0027] 图8为按照本发明的投影仪标定方法中使用像素坐标映射求得世界坐标的示意 图。
[0028] 其中1-投影仪标定板2-铝合金框架3-相机4-投影仪5-相机和投影仪共同的 视角范围
【具体实施方式】
[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0030] 本实施例中，相机采用的是微视图像的千兆网面阵CMOS相机系列的MVC1300SAM/ C-GE60-N00相机，分辨率为1280*1024,像素尺寸为5. 3 μ m*5. 3 μ m，镜头选用的日本CBC公 司的Computar镜头，型号为M1614-MP2,焦距为16mm ;投影仪采用的是Texas Instruments 的 DLP QO LightCrafter? Evaluation Module，分辨率为 608*684;
[0031] 本实施例中的标定方法主要包括下述的两大部分，一部分是标定的设备的准备拍 摄的工作，另外一部分是进行标定的算法来对标定设备进行分析。
[0032] 标定操作：
[0033] 第一步，在光学平台上搭建实验系统框架，并将投影仪和相机固定在框架上；本实 施例中使用的标定板所采用的图案采用的是二值图，为白背景上逐行逐列均匀分布黑特征 点；网格投影图案为黑背景上的白色网格线，白色网格线的分布和宽窄可以根据实际需要 进行设计，由于此交点中心处的像素坐标已知，且该交点中心为投影仪标定的特征点
[0034] 如图1所示，为按照本投影仪标定方法的系统三维模拟图，如图所示本实施例在 光学平台上搭建了铝合金框架2,并将相机3和投影仪4固定在铝合金框架2上。
[0035] 然后，将标定板1摆放在相机和投影仪共同的视角范围5内，先由相机3拍摄标定 板1照片；
[0036] 再来，由投影仪4向标定板1投射网格图案，并再次用相机3拍摄带有网格图案的 标定板照片；
[0037] 本实施例所涉及的点阵列标定板，其图案分辨率为1024*768,打印纸张为A4纸， 其中共有16*12个黑色特征点，每个特征点为3*3像素大小，实际测量的纸张上每个特征点 中心与行、列上相邻特征点中心的距离为16. 10mm。
[0038] 本实施例所涉及的投影网格图案如图2所示，图案分辨率为608*684,其中共有 8*9条白色亮线，每条亮线的宽度均为1像素，由于投影图案是人工设计的，所以每条亮线 交点处的像素坐标均已知，因此选择一系列