相对位姿参数的标定方法、装置和确定三维形状的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及=维形状测量领域，特别设及一种相对位姿参数的标定方法、装置和 用于确定=维形状的装置。
【背景技术】
[0002] 在多个技术领域中，存在大量需要确定物体的=维形状的需求，例如:机械工程、 建筑、汽车、采矿、口腔科等。待测量的物体的形状是各种各样的，并不规范。运就为准确测 量各个维度的形状带来了难度。
[0003] 利用投影器投射出的结构光和数字相机来恢复=维空间中的几何模型是实现= 维成像的一种重要的技术手段，是一种使用数字相机进行测量对象物的照相摄影并用计算 机进行图像处理，W非接触方式计算出测量对象物表面的=维形状的方法。下文简称该过 程为结构光=维成像。
[0004] 结构光=维成像的原理是利用投影器投射出的可识别的图案和光学=角测量关 系交会得到空间点的=维坐标。在上述过程中，事先确定构成=角测量的设备之间严格的 相对位置和姿态（W下简称位姿)关系，是实现=角成像的前提条件，故具有重要的实际意 义。
[000引现有的基于结构光的=维成像系统主要包括两类:一类是结构光只用于为相机提 供光学图案，而是使用两台相机立体观测运些图案实现交会测量和建模。此类结构光系统， 只需要标定两台相机之间的相对位姿关系，而不需要严格标定相机与结构光光源或投影器 之间的相对位姿关系；另一类是结构光不仅需要提供光学图案，还需要提供交会的光线方 向。在运类系统中需要标定结构光投影器与相机之间的相对位姿关系。目前现有的结构光 投影器与相机之间的相对位姿关系标定必须要提供足够的平面或者空间控制信息，即需要 建立一个二维或者=维的控制场，并在此控制场的基准坐标系中分别确定投影器和相机的 空间绝对位姿，然后再利用运两个空间方位计算投影器和相机之间的相对位姿。
[0006] 在上述结构光投影器与相机之间的相对位姿关系的标定过程中，构建二维或者= 维的控制场是一个复杂的过程，且增加了=维形状测量的难度。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种相对位姿参数的标定方法、装置和用于确定=维形状的装置，用 W解决现有的结构光投影器与相机之间的相对位姿关系的标定过程中，构建二维或者=维 的控制场比较复杂导致=维形状测量的困难的问题。
[0008] 本发明的实施例提供一种结构光投影器与相机的相对位姿参数的标定方法，包 括:计算独立参数巧《，K，by，bz;利用一维控制信息W及获得的参数《，K，by，bz来求得 基线分量Tx;确定S维空间中的刚体变换模型(R，T);
[0009] 可选的，所述计算独立参数A CO，K，by，bz，具体包括:将线性和非线性参数分离，基 于POWell捜索进行求解，得到独立参数转O，K，by，bz;
[0010] 可选的，所述将线性和非线性参数分离，基于powell捜索进行求解，得到独立参数 A O，K，by，bz，具体包括：
[0011] S1501、任意设定待求角元素初值户W CO W，kW ;
[0012] S1502、进入化well捜索，然后按照捜索规则寻找目标函数极小值，并在第k次捜索 中，将0W, O W 代入(5)式by(xSv3-fSvi)-bz(xSv2-ySyi) = (ySv3-fSv2)构成超定线性方 程组，利用线性最小二乘方法计算byW，bzW;
[001引 S 1 5 0 3、将知"，CO…，K ( k )，b y ( k )，b Z…代入最小二乘的目标函数 巧 min巧妍化二艺[D(-r;，J引/.、) + /),(x/Vv;' I /")]，计算当前的目标函数值； 古=1
[0014] S1504、重复上述步骤S1502和S1503,直至在捜索过程中妍CO，K的变化量小于某个 提前预设的极小值；
[0015] 可选的，所述利用获得的参数巧《，K，by，bz来求得基线分量Tx,具体包括：
[0016] 提供一个标准尺;确定标准尺的全尺尺寸;利用获得的参数稱《，K，by，bz来计算 标准尺的模型尺寸;计算模型与欧式空间的比例系数;求得基线分量Tx;
[0017] 可选的，所述标准尺包括带有刻度且具有足够高精度的标准尺，例如，该精度可W 为0.01mm或更高；
[0018] 所述确定标准尺的全尺尺寸，具体包括：
[0019] 利用数字相机及其一维的直接线性变换模型，确定标准尺的全尺尺寸；
[0020] 所述利用获得的参数奶《，K，by，bz来计算标准尺的模型尺寸，具体包括：
[0021] 利用数字相机和投影器W及获得的参数巧，《，K，by，bz来计算标准尺的模型尺寸；
[0022] 所述计算模型与欧式空间的比例系数，具体包括：
[0023] 根据物理距离和模型距离之比，计算模型与欧式空间的比例系数；
[0024] 可选的，所述利用数字相机和投影器W及获得的参数妍CO，K，by，bz来计算标准尺 的模型尺寸，具体包括：
[0025] S2301、将标准尺置于数字相机和投影器的公共视场中，并使标准尺的长边方向与 结构光系统的基线方向近似垂直；
[0026] S2302、利用计算机生成一幅只包含一条直线的结构光投影图像，并通过投影器投 射至场景空间中，并使该直线能够与标准尺的两个短边相交；
[0027] S2303、利用数字相机拍摄场景图像，并在摄影图像中确定与标准尺相交的两个坐 标始茄)帝的，掛；
[0028] S2304、根据核线约束原理，确定（xi，yi)和（X2，y2)两个点在投影图像中对应的图 像点坐标(却，乂）和的，若）;
[0029] S2305、利用上述获得的参数巧CO，K，l，by，bzW及投影器和相机的内定向模型参 数，根据前方交会公式，计算两个特征点的坐标(Xi，yi，Zi)和(X2，y2，Z2);
[0030] S2306、计算模型尺寸：
[0031 ] L' = -x,f+ (>', -J%)' + (z, -z,)'
[0032] S2307、W每隔0.5度的偏移量逐步改变结构光投影图像中直线的方向，来重复第 S2302步到第S2307步，直至找到一个数值最小的L'的值。
[0033] 另一方面，本发明的实施例还提供一种相对位姿参数的标定装置，包括：
[0034] 参数计算单元，用于计算独立参数狹CO，K，by，bz;基线分量获得单元，用于利用获 得的参数换《，K，by，bz来求得基线分量Tx;刚体变换模型确定单元，用于确定S维空间中的 刚体变换模型(RJ);
[003引可选的，所述参数计算单元包括参数分离单元和捜索求解单元;所述参数分离单 元用于将线性和非线性参数分离，所述捜索求解单元用于基于powell捜索进行求解；
[0036] 可选的，所述基线分量获得单元，包括:全尺尺寸确定单元，其用于确定标准尺的 全尺尺寸;模型尺寸计算单元，其用于利用获得的参数錢《，K，by，bz来计算标准尺的模型 尺寸；比例系数计算单元，其用于计算模型与欧式空间的比例系数W及用于求得基线分量 Tx;
[0037] 本发明的实施例还提供了一种用于确定=维形状的装置，包括如上述任一所述的 相对位姿参数的标定装置，还包括用于根据所述刚体变换模型(R，T)来进行=维成像计算 的=维成像单元。
[0038] 本发明的实施例提供的相对位姿参数的标定方法、装置和用于确定=维形状的装 置，提出了一种只利用一维控制信息实现投影器与数字相机之间相对位姿关系的标定方 法、装置和用于确定=维形状的装置。所述相对位姿参数的标定方法包括:计算独立参数供 ?，K，by，bz;利用一维控制信息W及获得的参数狹《，K，by，bz来求得基线分量Tx;确定立维 空间中的刚体变换模型(R，T)。本发明的实施例只利用一维控制信息即可实现投影器与数 字相机之间相对位姿关系的标定，不需要建立专口的控制场，在实现方法的简易性上具有 优势。本发明的实施例只使用少量空间点完成投影器与数字相机相对位姿标定的方法，可 通过相对标准化的算法获得稳定的计算结果，相对于传统方法具有明显优势。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明的实施例提供的结构光投影器与相机的相对位姿参数的标定方法 中，投影器和数字相机的坐标系与相对位姿的示意图；
[0040] 图2为本发明的实施例提供的结构光投影器与相机的相对位姿参数的标定方法 中，同名光线共面条件的示意图；
[0041] 图3为本发明的实施例提供的结构光投影器与相机的相对位姿参数的标定方法的 第一种流程图；
[0042] 图4为本发明的实施例提供的结构光投影器与相机的相对位姿参数的标定方法的 第二种流程图；
[0043] 图5为本发明的实施例提供的结构光投影器与相机的相对位姿参数的标定方法的 第二种流程图；
[