一种投影仪标定方法与流程

本发明属于三维光学测量技术领域，特别是涉及一种投影仪标定方法。

背景技术：

随着微电子制造技术的快速发展，各类微小型元器件，如半导体器件、光电子元件和mems等，在工业上得到大量地生产，并被广泛地应用于高端电子产品和精密仪器之中，这类微小元器件的精密制造精度高，对其形貌精度的三维检测是一重大挑战。

结构光测量技术具有非接触、全场扫描、精度高、速度快等优点，已在工业检测、机器视觉、文物数字化、医学等领域得到大量运用。在现有的结构光测量系统中，由单相机+单投影仪组成的结构光三维测量系统，由于具有结构简单、点云重建效率高等优点而被广泛使用。典型的单相机结构光三维测量系统在测量过程中由投影装置把编码条纹图案投影到待测物体表面，同时使用相机拍摄下经被测物体表面调制而发生变形的光栅图像，然后通过对变形的条纹图像进行处理，计算出代表物体高度的相位信息，最后根据相位信息和已标定出的系统参数对被测物体表面进行三维点云重建。

相机标定已经有比较成熟的标定方法，然而投影仪作为投影显示器件，无法直接确定投影图像和标定板之间的对应关系，故其标定难度高。将投影仪当作一个逆向的相机，通过建立投影仪图像和相机图像的对应关系，将投影仪标定转化为成熟的相机标定，从而将单相机结构光三维测量系统转换为经典的双目视觉系统是目前流行的投影仪标定方法。投影仪标定是影响三维重建精度的关键环节，探究各种投影仪标定方法，并提高其准确性和便利性,是该领域的重要研究课题。

相位法是目前投影仪标定方法中精度较高的方法，通过投影仪投射相移图案到标定物上,并将投影仪看作一个虚拟的相机，精确已知标定物上特征点的三维世界坐标，运用相位与特征点的映射关系求出其物平面图像坐标，一种方式是运用双四步相移正弦条纹来对投影仪进行快速、高精度标定；反向投影法是使用最为广泛的投影仪标定方法，这种方法是利用已标定相机的反向投影来标定投影仪，此法的关键之处是怎样获取标定板平面上的投影图像在相机坐标系中的图像坐标，为此要将用于相机标定和投影仪标定的图案区分开，另一种方式是在棋盘格标定板上投影网格图案，网格交点处中心为投影仪标定的特征点，棋盘角点与网格交点有区分从而实现投影仪的标定。

然而，无论是精度较高的相位法还是使用最为广泛的反向投影法，在一定投影幅面下的投影仪标定，都要配置特定尺寸的标定板，在多个不同投影幅面的系统中就要配置多个标定板，并且标定板制作麻烦，成本较高。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种投影仪标定方法，能够使三维结构光扫描测量系统无需变换多种标定板即可实现不同尺度工件的测量，适用于多种不同尺寸微型元件的三维检测。

本发明提供的一种投影仪标定方法包括：

提供标定板，所述标定板表面具有与其背景颜色不同的圆阵列，包括用于标识位置和方向的至少5个第一类圆、位于其中一条对角线位置上的用于确定标定板有效点数的第二类圆以及作为特征圆的第三类圆，其中所述第一类圆、所述第二类圆和所述第三类圆的直径大小依次降低；

提供包括相机、投影仪、工控机和工作台的结构光三维检测系统，其中，所述相机和所述投影仪分别装在两个夹具上面，所述投影仪垂直放置，所述相机倾斜放置，调节投影仪高度使其对焦在工作台上并使所述投影仪的投影幅面全部在所述相机的视场内，在所述工作台上放置所述标定板，利用所述投影仪的投影幅面在所述标定板上的范围确定标定板有效范围，确定所述标定板有效范围内的所述第二类圆的个数；

利用所述第一类圆将所述标定板摆正；

在所述标定板有效范围内，拍摄所述标定板的图片，并由所述投影仪向所述标定板投射编码条纹并拍摄，然后重复至少二次本步骤；

对每组带有条纹的图像进行相位计算，得到每组标定板图像上圆心点位置的横向和纵向绝对相位值，利用圆点提取算法计算标定板图像上的圆心点像素坐标，结合得到每个圆心点上的绝对相位值；

将所述标定板的圆心点的绝对相位值从相机像素转换到投影仪的像素，实现对投影仪的标定。

优选的，在上述投影仪标定方法中，所述利用圆点提取算法计算标定板图像上的圆心点像素坐标包括：

对所述标定板进行中值滤波和二值化，查找连通区域得到轮廓图，根据长度、长宽比和位置，对所述轮廓图进行过滤得到圆轮廓图，进行最小圆拟合后对圆进行排序，得到第一类圆的位置；

由所述第一类圆的位置得出所述标定板的中心点，将所述第一类圆中圆心距短的两个对称第一类圆和所述用于标识位置的第一类圆作为仿射变换对应圆；

对摆正后的标定板在所述标定板有效范围内进行标定圆心查找并排序；

对排序好的圆心进行反仿射变换得到最终的标定板图像上的圆心点像素坐标。

优选的，在上述投影仪标定方法中，所述将所述第一类圆中圆心距短的两个对称第一类圆和所述用于标识位置的第一类圆作为仿射变换对应圆包括：

由所述第一类圆的位置求出最小距离的一对第一类圆和最大距离的一对第一类圆，将最小距离的一对第一类圆和除了所述最小距离的一对第一类圆和所述最大距离的第一类圆之外的另一个第一类圆组成所述仿射变换的对应圆。

优选的，在上述投影仪标定方法中，所述利用所述投影仪的投影幅面在所述标定板上的范围确定标定板有效范围，确定所述标定板有效范围内的所述第二类圆的个数包括：

利用所述投影仪的投影幅面在所述标定板上的范围确定要提取的标定板的圆点数定位到第二类圆，设置的要提取的圆点数为n*n，n为大于5的奇数，以中心点为对称点左右第(n-1)/2个中圆为边界圆，以两个边界圆分别在x、y方向上向外半个圆心距长度的位置为边界形成的矩形为所述标定板有效范围。

优选的，在上述投影仪标定方法中，所述由所述投影仪向所述标定板投射编码条纹并拍摄包括：

由dlp投影仪向所述标定板投射12幅横向和12幅纵向的三个频率的四步相移正弦条纹并拍摄。

优选的，在上述投影仪标定方法中，所述对每组带有条纹的图像进行相位计算，得到每组标定板图像上圆心点位置的横向和纵向绝对相位值包括：

针对所述12幅纵向和12幅横向的三个频率的四步相移正弦条纹图像中每个频率的四幅图像进行四步相移相位计算得到每个频率的包裹相位图，然后用三频外差算法对横向和纵向的三个包裹相位图进行相位展开得到每组标定板图像上圆心点位置的横向和纵向绝对相位值。

优选的，在上述投影仪标定方法中，所述将标定板圆心从相机像素转换到投影仪的像素包括：

根据所述圆心点位置的横向绝对相位值px和纵向绝对相位值py以及下式：

得到投影仪的像素坐标(μ，ν)，其中，n为编码条纹周期，w和h分别为投影仪在水平和垂直方向上的分辨率。

优选的，在上述投影仪标定方法中，所述拍摄所述标定板的图片，并由所述投影仪向所述标定板投射编码条纹并拍摄，然后重复至少二次操作为：

拍摄所述标定板的图片，并由所述投影仪向所述标定板投射编码条纹并拍摄，然后重复三次至八次操作。

优选的，在上述投影仪标定方法中，所述提供标定板，所述标定板表面具有与其背景颜色不同的圆阵列为：

提供具有黑色背景的标定板，所述标定板表面具有白色的圆阵列。

通过上述描述可知，本发明提供的上述投影仪标定方法，由于包括提供标定板，所述标定板表面具有与其背景颜色不同的圆阵列，包括用于标识位置和方向的至少5个第一类圆、位于其中一条对角线位置上的用于确定标定板有效点数的第二类圆以及作为特征圆的第三类圆，其中所述第一类圆、所述第二类圆和所述第三类圆的直径大小依次降低；提供包括相机、投影仪、工控机和工作台的结构光三维检测系统，其中，所述相机和所述投影仪分别装在两个夹具上面，所述投影仪垂直放置，所述相机倾斜放置，调节投影仪高度使其对焦在工作台上并使所述投影仪的投影幅面全部在所述相机的视场内，在所述工作台上放置所述标定板，利用所述投影仪的投影幅面在所述标定板上的范围确定标定板有效范围，确定所述标定板有效范围内的所述第二类圆的个数；利用所述第一类圆将所述标定板摆正；在所述标定板有效范围内，拍摄所述标定板的图片，并由所述投影仪向所述标定板投射编码条纹并拍摄，然后重复至少二次本步骤；对每组带有条纹的图像进行相位计算，得到每组标定板图像上圆心点位置的横向和纵向绝对相位值，利用圆点提取算法计算标定板图像上的圆心点像素坐标，结合得到每个圆心点上的绝对相位值；将所述标定板的圆心点的绝对相位值从相机像素转换到投影仪的像素，实现对投影仪的标定，因此能够使三维结构光扫描测量系统无需变换多种标定板即可实现不同尺度工件的测量，适用于多种不同尺寸微型元件的三维检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的第一种投影仪标定方法的示意图；

图2为本申请实施例所用的一种标定板的示意图；

图3为组建的投影仪标定系统的示意图；

图4为得到的第一类圆的位置示意图；

图5为仿射变换对应圆的示意图；

图6为三个频率的四步相移正弦条纹的示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于提供一种投影仪标定方法，能够使三维结构光扫描测量系统无需变换多种标定板即可实现不同尺度工件的测量，适用于多种不同尺寸微型元件的三维检测。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供的第一种投影仪标定方法如图1所示，图1为本申请实施例提供的第一种投影仪标定方法的示意图，该方法包括如下步骤：

s1：提供标定板，所述标定板表面具有与其背景颜色不同的圆阵列，包括用于标识位置和方向的至少5个第一类圆、位于其中一条对角线位置上的用于确定标定板有效点数的第二类圆以及作为特征圆的第三类圆，其中所述第一类圆、所述第二类圆和所述第三类圆的直径大小依次降低；

具体的，参考图2，图2为本申请实施例所用的一种标定板的示意图，当然这仅仅用来举例，实际上还可以采用其他种类的标定板，此处并不限制。该标定板的背景为黑色，表面有n*n个等圆心距的不同大小的白色圆形标识阵列，该标定板中，具有五个第一类圆，也就是大圆，其中四个两两对称的为位置圆，另一个为方向标识圆，设置成这种分布形式是为在方便在算法中对标定板进行定位，而其他数量也是可以对标定板进行定位的，只是这样更方便。另外，从阵列左下角延伸至右上角的对角线位置上的是第二类圆，也就是中圆，其大小介于大圆和小圆之间，用来确定标定板的有效点数，用来确定标定板的有效范围，其他位置的圆就是第三类圆，也就是小圆，作为特征圆，这种标定板适用于多种不同尺寸视场结构光三维检测系统的标定。

s2：提供包括相机、投影仪、工控机和工作台的结构光三维检测系统，其中，所述相机和所述投影仪分别装在两个夹具上面，所述投影仪垂直放置，所述相机倾斜放置，调节投影仪高度使其对焦在工作台上并使所述投影仪的投影幅面全部在所述相机的视场内，在所述工作台上放置所述标定板，利用所述投影仪的投影幅面在所述标定板上的范围确定标定板有效范围，确定所述标定板有效范围内的所述第二类圆的个数；

具体的，参考图3，图3为组建的投影仪标定系统的示意图，该系统由一台相机、一台dlp投影仪、一台工控机组成、一个工作台组成。相机和投影仪分别装在两个夹具上面，投影仪垂直、相机倾斜放置。调节投影仪高度使其对焦在工作台上并使投影仪的投影幅面全部在相机视场内，在工作台上放置标定板和三维检测的工件。

s3：利用所述第一类圆将所述标定板摆正；

s4：在所述标定板有效范围内，拍摄所述标定板的图片，并由所述投影仪向所述标定板投射编码条纹并拍摄，然后重复至少二次本步骤；

需要说明的是，可以重复该步骤3次至8次，更优选的值为5次，次数越多则精度越高。

s5：对每组带有条纹的图像进行相位计算，得到每组标定板图像上圆心点位置的横向和纵向绝对相位值，利用圆点提取算法计算标定板图像上的圆心点像素坐标，结合得到每个圆心点上的绝对相位值；

s6：将所述标定板的圆心点的绝对相位值从相机像素转换到投影仪的像素，实现对投影仪的标定。

通过上述描述可知，本申请实施例提供的第一种投影仪标定方法，由于包括提供标定板，所述标定板表面具有与其背景颜色不同的圆阵列，包括用于标识位置和方向的至少5个第一类圆、位于其中一条对角线位置上的用于确定标定板有效点数的第二类圆以及作为特征圆的第三类圆，其中所述第一类圆、所述第二类圆和所述第三类圆的直径大小依次降低；提供包括相机、投影仪、工控机和工作台的结构光三维检测系统，其中，所述相机和所述投影仪分别装在两个夹具上面，所述投影仪垂直放置，所述相机倾斜放置，调节投影仪高度使其对焦在工作台上并使所述投影仪的投影幅面全部在所述相机的视场内，在所述工作台上放置所述标定板，利用所述投影仪的投影幅面在所述标定板上的范围确定标定板有效范围，确定所述标定板有效范围内的所述第二类圆的个数；利用所述第一类圆将所述标定板摆正；在所述标定板有效范围内，拍摄所述标定板的图片，并由所述投影仪向所述标定板投射编码条纹并拍摄，然后重复至少二次本步骤；对每组带有条纹的图像进行相位计算，得到每组标定板图像上圆心点位置的横向和纵向绝对相位值，利用圆点提取算法计算标定板图像上的圆心点像素坐标，结合得到每个圆心点上的绝对相位值；将所述标定板的圆心点的绝对相位值从相机像素转换到投影仪的像素，实现对投影仪的标定，因此能够使三维结构光扫描测量系统无需变换多种标定板即可实现不同尺度工件的测量，适用于多种不同尺寸微型元件的三维检测。

本申请实施例提供的第二种投影仪标定方法，是在上述第一种投影仪标定方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述利用圆点提取算法计算标定板图像上的圆心点像素坐标包括：

对所述标定板进行中值滤波和二值化，查找连通区域得到轮廓图，根据长度、长宽比和位置，对所述轮廓图进行过滤得到圆轮廓图，进行最小圆拟合后对圆进行排序，得到第一类圆的位置，如图4所示，图4为得到的第一类圆的位置示意图；

由所述第一类圆的位置得出所述标定板的中心点，将所述第一类圆中圆心距短的两个对称第一类圆和所述用于标识位置的第一类圆作为仿射变换对应圆，如图5所示，图5为仿射变换对应圆的示意图，其中最左边的圆用于标识位置；

对摆正后的标定板在所述标定板有效范围内进行标定圆心查找并排序；

对排序好的圆心进行反仿射变换得到最终的标定板图像上的圆心点像素坐标。

本申请实施例提供的第三种投影仪标定方法，是在上述第二种投影仪标定方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述将所述第一类圆中圆心距短的两个对称第一类圆和所述用于标识位置的第一类圆作为仿射变换对应圆包括：

由所述第一类圆的位置求出最小距离的一对第一类圆和最大距离的一对第一类圆，将最小距离的一对第一类圆和除了所述最小距离的一对第一类圆和所述最大距离的第一类圆之外的另一个第一类圆组成所述仿射变换的对应圆。需要说明的是，这仅仅是一种较为简单的仿射变换对应圆的确定方式，实际上不仅限于此。

本申请实施例提供的第四种投影仪标定方法，是在上述第三种投影仪标定方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述利用所述投影仪的投影幅面在所述标定板上的范围确定标定板有效范围，确定所述标定板有效范围内的所述第二类圆的个数包括：

利用所述投影仪的投影幅面在所述标定板上的范围确定要提取的标定板的圆点数定位到第二类圆，设置的要提取的圆点数为n*n，n为大于5的奇数，以中心点为对称点左右第(n-1)/2个中圆为边界圆，以两个边界圆分别在x、y方向上向外半个圆心距长度的位置为边界形成的矩形为所述标定板有效范围。

需要说明的是，假如标定板的圆点数为19*19，可根据系统视场尺寸设置要提取的圆心数，从而实现对不同尺寸视场系统的标定。例如当视场为标定板一半尺寸的时候，可以设置提取的圆点数为9*9，可见，这样就能够利用一个标定板来对不同尺寸的视场系统的标定。

本申请实施例提供的第五种投影仪标定方法，是在上述第四种投影仪标定方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述由所述投影仪向所述标定板投射编码条纹并拍摄包括：

由dlp投影仪向所述标定板投射12幅横向和12幅纵向的三个频率的四步相移正弦条纹并拍摄。该条纹如图6所示，图6为三个频率的四步相移正弦条纹的示意图。

本申请实施例提供的第六种投影仪标定方法，是在上述第五种投影仪标定方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述对每组带有条纹的图像进行相位计算，得到每组标定板图像上圆心点位置的横向和纵向绝对相位值包括：

针对所述12幅纵向和12幅横向的三个频率的四步相移正弦条纹图像中每个频率的四幅图像进行四步相移相位计算得到每个频率的包裹相位图，然后用三频外差算法对横向和纵向的三个包裹相位图进行相位展开得到每组标定板图像上圆心点位置的横向和纵向绝对相位值。

本申请实施例提供的第七种投影仪标定方法，是在上述第六种投影仪标定方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述将标定板圆心从相机像素转换到投影仪的像素包括：

根据所述圆心点位置的横向绝对相位值px和纵向绝对相位值py以及下式：

得到投影仪的像素坐标(μ，ν)，其中，n为编码条纹周期，w和h分别为投影仪在水平和垂直方向上的分辨率。

本申请实施例提供的第八种投影仪标定方法，是在上述第一种至第七种投影仪标定方法中任一种的基础上，还包括如下技术特征：

所述拍摄所述标定板的图片，并由所述投影仪向所述标定板投射编码条纹并拍摄，然后重复至少二次操作为：

拍摄所述标定板的图片，并由所述投影仪向所述标定板投射编码条纹并拍摄，然后重复三次至八次操作。

本申请实施例提供的第九种投影仪标定方法，是在上述第八种投影仪标定方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述提供标定板，所述标定板表面具有与其背景颜色不同的圆阵列为：

提供具有黑色背景的标定板，所述标定板表面具有白色的圆阵列。

在这种情况下，标定板的背景和圆阵列的颜色对比更强烈，更易于图像的识别和提取。

综上所述，上述投影仪标定方法适用于视场变化较大的投影仪系统的标定，使三维检测系统适用于多种尺寸微型元件的三维检测，可提高三维检测系统的检测尺寸范围。一个板定板标能适用于多个视场的投影仪系统标定，标定板制作成本低。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。