一种彩色结构光校准方法和系统与流程

本发明涉及彩色结构光，具体涉及一种彩色结构光校准方法和系统。

背景技术：

1、结构光三维重建是一种非接触式主动测量方法，通过向待测物体表面投射某种编码图案，采集调制图像计算物体三维信息，因其简单高效、精度高等特点被广泛应用。

2、结构光校准是实现三维重建的前提，现有的校准方法从投射图案数量来分类，可以分为投射多帧图案和投射单帧图案。投射多帧图案的方法，通常采用相位法来计算三维空间信息，需要进行相机、投影仪的校准工作。投射多帧图案的校准方法，由于采集数量较多，测量速度受限，不利于高速测量场景的三维重建，而且需要进行相机和投影仪的分别校准，校准的过程中不可避免存在畸变误差等情况。

3、投射单帧彩色条纹图案，通过对采集的条纹图像进行解码计算，结合线结构光校准原理进行三维重建。由于投射图案帧数少，相比于投射多帧图案的方法，投射单帧彩色条纹图案的结构更加简单且速度快，更适合高速测量环境。然而，彩色结构光校准方式采用只投射一副彩色条纹图到待测物体表面，有效提高了测量速度，但为了提高条纹中心线提取精度和解码的准确性，条纹宽度不会设置的很小，那么相应的条纹数量就会受到限制，相较于整个采集视野，重建过程中会出现点云稀疏的问题。此外，现有的彩色结构光校准方法中，校准光平面的过程中比较依赖于相机的校准精度，存在累计误差，较为影响校准的精度。

技术实现思路

1、因此，本发明提供了一种彩色结构光校准方法和系统，通过光平面校准方法，能够满足高速测量三维重建环境的校准需求，不过分依赖中间相机的校准结果，自动化，省时省力；此外，投影仪通过投射n幅间隔错位移动的彩色条纹图案实现条纹数目的扩充，有效解决了单帧图像点云稀疏问题，成本低，精度高，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明实施例提供一种彩色结构光校准方法，包括：

4、获取相机采集的校准板在每个位置的彩色条纹调制图像和校准板纹理图像，彩色条纹调制图像和校准板纹理图像是通过将校准板放置在垂直于相机光轴方向上，按照预设位置变化规律在水平方向上移动，并在每个位置使用投影仪投射n幅间隔错位移动的预设彩色条纹序列到校准板上得到的；

5、基于校准板纹理图像和预设相机校准方法对相机进行校准，得到相机校准参数；

6、基于彩色条纹调制图像和校准板纹理图像以及校准板与相机光轴固定的垂直位置关系进行光平面校准，得到光平面校准参数。

7、优选地，预设位置变化规律为：在设定范围内控制校准板根据预设时间周期向前或向后进行等距离的水平移动。

8、优选地，预设相机校准方法为张正友相机校准法。

9、优选地，进行光平面校准，得到光平面校准参数的过程，包括：

10、基于彩色条纹调制图像进行深度标定，建立水平方向上深度数据z和彩色条纹调制图像中心线像素水平坐标u的第一关系式；

11、基于校准板纹理图像进行xy方向标定，在xy方向上建立深度数据z和世界坐标系下xy坐标的第二关系式；

12、根据第一关系式和第二关系式得到光平面上的各点坐标，并基于光平面方程和光平面的各点坐标进行光平面拟合计算，求解方程系数，确定光平面方程，得到光平面校准参数。

13、优选地，基于彩色条纹调制图像进行深度标定的过程，包括：

14、基于预设条纹中心提取方法对n幅间隔错位移动的彩色条纹调制图像进行中心线提取，对于每幅彩色条纹调制图像的中心线进行编号，获取每个彩色条纹中心线上各点的像素坐标(u，v)；根据校准板在各位置的深度数据z和同一个中心线上点像素坐标u之间的对应关系，得到每个中心线像素点的高阶多项式系数，建立水平方向上深度数据z和彩色条纹调制图像中心线像素水平坐标u的第一关系式，第一关系式为：

15、

16、其中，δz代表校准板在各位置的深度数据z的变化，ak代表多项式拟合的系数，k为多项式的阶次，取值为0,1,2,…,k，v为被测中心线上点的像素垂直坐标，p为中心线序列索引，δu代表被测中心线上点的像素水平坐标u的变化。

17、优选地，基于校准板纹理图像进行xy方向标定的过程，包括：

18、根据校准板在每个位置所采集的校准板纹理图像确定校准板纹理图像中每个点的像素坐标；

19、根据校准板在各位置的深度数据z和校准板纹理图像中每个点的像素坐标之间的对应关系，得到校准板纹理图像中水平方向x垂直方向y的高阶多项式系数，建立水平方向上深度数据z和世界坐标系下xy坐标的第二关系式，第二关系式为：

20、

21、

22、其中，δx、δy代表世界三维坐标系下的水平坐标x和垂直坐标y的变化，bk和ck代表多项式拟合的系数，k为多项式的阶次，取值为0,1,2,…,k，δz代表校准板在各位置的深度数据z的变化，(i,j)表示校准板纹理图像中每个点的像素坐标。

23、优选地，确定光平面方程的过程，包括：根据深度标定和xy方向标定得到的第一关系式和第二关系式，对n幅间隔错位移动的彩色条纹调制图像的多个彩色条纹中心线上的各点进行计算得到各点对应的世界坐标，即获得拟合光平面所需的各点坐标，基于光平面方程和光平面的各点坐标，采用最小二乘法进行光平面拟合计算，求解方程系数an,bn,cn和dn，得到所有彩色条纹对应的光平面方程，光平面方程为：

24、an×x+bn×y+cn×z+dn＝0(c≠0),n＝1,2,k,m

25、其中，m为彩色条纹调制图像中的条纹数目。

26、第二方面，本发明实施例提供一种彩色结构光校准系统，包括：

27、数据获取模块，用于获取相机采集的校准板在每个位置的彩色条纹调制图像和校准板纹理图像，彩色条纹调制图像和校准板纹理图像是通过将校准板放置在垂直于相机光轴方向上，按照预设位置变化规律在水平方向上移动，并在每个位置使用投影仪投射n幅间隔错位移动的预设彩色条纹序列到校准板上得到的；

28、相机校准模块，用于基于校准板纹理图像和预设相机校准方法对相机进行校准，得到相机校准参数；

29、光平面校准模块，用于基于彩色条纹调制图像和校准板纹理图像以及校准板与相机光轴固定的垂直位置关系进行光平面校准，得到光平面校准参数。

30、第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明实施例第一方面的一种彩色结构光校准方法。

31、第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行本发明实施例第一方面的一种彩色结构光校准方法。

32、本发明技术方案，具有如下优点：

33、本发明提供的一种彩色结构光校准方法和系统，方法包括：获取相机采集的校准板在每个位置的彩色条纹调制图像和校准板纹理图像，彩色条纹调制图像和校准板纹理图像是通过将校准板放置在垂直于相机光轴方向上，按照预设位置变化规律在水平方向上移动，并在每个位置使用投影仪投射n幅间隔错位移动的预设彩色条纹序列到校准板上得到的；基于校准板纹理图像和预设相机校准方法对相机进行校准，得到相机校准参数；基于彩色条纹调制图像和校准板纹理图像以及校准板与相机光轴固定的垂直位置关系进行光平面校准，得到光平面校准参数。通过本发明的校准方法和系统，能够满足高速测量三维重建环境的校准需求，不过分依赖中间相机的校准结果，自动化，省时省力；此外，投影仪通过投射n幅间隔错位移动的彩色条纹图案实现条纹数目的扩充，有效解决了单帧图像点云稀疏问题，成本低，精度高。