专利名称：纹理摄像机标定装置与方法及其纹理图像几何校正方法
技术领域：
本发明涉及一种摄像机的标定装置与方法及其图像几何校正方法，尤其涉及一种光学三维测量中的纹理摄像机标定装置与方法及其纹理图像几何校正方法。
背景技术：
光学三维测量技术，是指以光学方法为手段测量物体面形，获取物面三维点云数据的技术。该技术以其非接触的优点，在工业检测、生物学与医学、人类文化遗产保护、以及计算机视觉等方面都有着十分广阔的应用前景。主动式光学三维测量技术采用主动照明光源向物体投射结构光编码图案，利用摄像机从另一角度拍摄变形图案，从中计算出物面三维点云数据。被动式光学三维测量技术利用环境照明，采用两台或多台摄像机从多个角度拍摄物体，利用立体视觉原理重建物面三维点云数据。利用测得的三维点云数据可以重建物体的三维模型。在测量系统中，为避免颜色校正或颜色平衡操作等引起的灰度畸变降低 测量精度，一般选用黑白摄像机作为的测量摄像机，重建的三维点云数据与测量摄像机像素具有直接对应关系。为了增强三维测量结果显示时的视觉真实感，可将被测三维物体的照片通过纹理贴图映射至重建的三维模型表面。在光学三维测量中，获取纹理照片的方式主要有三种。其一，直接用测量摄像机拍摄物体纹理照片。这种方法点云数据与纹理数据由同一摄像机获得，可以精确配准，贴图时没有位置误差。但由于测量摄像机一般为黑白摄像机，丢失了颜色信息。如果采用彩色相机进行测量(s Zhang and S-T Yau, “Simultaneousthree-dimensional geometry and color texture acquisition using a single-chipcolor camera,” Opt. Eng. 47(12)，123604, 2008), Bayer 滤色片及摄像机颜色平衡计算会引起灰度畸变，从而降低测量精度。其二，利用分光装置将物面反射的光束分为两路。在其中一路，用彩色摄像机拍摄纹理照片(S. Zhang and P. S. Huang,“High-resolution, real-time threedimensional shape measurement, ” Opt. Eng. 45,123601,2006)。这种方法不仅需要增加分光器件，还需要将纹理摄像机像素与测量摄像机像素精确对应，调整较为困难。其三，彩色纹理摄像机安装于测量摄像机旁边任意位置。这种方法简便易行，但由于纹理摄像机和测量摄像机的视角存在差异。直接拍摄的纹理照片不能直接用于纹理贴图，需要通过图像的配准或几何校正，将该纹理照片变换至测量摄像机所在视角才能实现贴图。上述第三种方法简便易行，最为实用，但须通过标定建立纹理摄像机视角图像与测量摄像机视角图像之间的映射关系，再利用该映射关系将纹理摄像机拍摄到的彩色纹理图像变换至测量摄像机所在视角。由于测量摄像机像素与重建点云之间具有直接对应关系，那么就可以利用变换后的图像实现纹理贴图。但一般的摄像机标定方法(例如 Z. Zhang, “Flexibel camera calibration by viewing a plane from unknownorientation,，，International conference on computer vision (ICCV> 99), Corfu,Greece. 666-673，1999)适用于获取一个摄像机的内外参数，不能直接用于确定上述两个视角图像像素之间的映射关系。
发明内容
本发明的目的，是提供一种用于光学三维测量的纹理摄像机标定装置和方法及其纹理图像的几何校正方法。通过上述装置和方法，可以确定光学三维测量系统中纹理摄像机视角图像和测量摄像机视角图像之间的像素映射关系。通过该映射关系，可以将纹理摄像机拍摄到的彩色纹理图像变换至测量摄像机视角，从而实现三维模型的纹理贴图，增强三维测量结果显示时的视觉真实感。为达到上述目的，本发明采用下述方案
一种光学三维测量中的纹理摄像机标定装置，包括一块表面带有二维圆点标记阵列的参考平板和一个移动工作台。参考平板上的圆点标记阵列沿17两个垂直方向分布。各圆点圆心坐标精确已知，其中左a=i,2, ，《为圆点序号。为提高图像对比度，圆点标记与背景颜色分别为黑白两色。参考平板固定于移动工作台上，并使参考平板平面与移 动工作台移动方向垂直，于是移动工作台可驱动参考平板沿Z轴方向移动，移动距离可以精确读取。一种光学三维测量中的纹理摄像机标定方法，标定过程包括以下步骤
Si将上述标定装置置于测量系统内，参考平板圆点标记朝向摄像机所在方向，可以由两台摄像机同时拍摄到。参考平板初始位置记录为4=0，作为测量深度图的基准位置。测量摄像机与纹理摄像机同时拍摄标记圆点阵列的图像。移动工作台驱动参考平板至#个不同位置OV彡2)，并记录其位置乙(/7=1,2,…，N)。通过这一过程，参考平板的标记圆点圆心构成一个三维空间点阵，其各点空间坐标0 n,Yk n,Zk_ )已知。在参考平板的每个移动到达位置，用纹理摄像机拍摄标记圆点阵列的图像。S2:对步骤SI中纹理摄像机获得的图像进行处理，提取各圆点质心作为圆点圆心的像素坐标( n, VK J。S3:将纹理摄像机图像各圆点圆心的像素坐标( ，& J及其对应的三维空间
点坐标0 n, Y1 n,Zh J代入公式
q-s + qsuk^ + qsvkjt q6+ q7uKn + ^8Vfcjs Ak = TT-7-+TT-7-
r - %rj <in+^vKn
1+贱 !+^1 *+
形成包含2^0￥f7)个方程的方程组。利用最小二乘方法，从该方程组可求解出14个未知待定参数^ (m=l, 2，…，14)。这些参数决定了光学三维测量系统中纹理摄像机视角图像和测量摄像机视角图像像素之间的映射关系。一种光学三维测量中的纹理图像的几何校正方法。实际测量中，测量系统可测得物面三维点云数据，其中测量摄像机像素{s,t、所对应的物面点三维坐标为DTCsj)，Y{s,t), ZCs，()]。同时由纹理摄像机可拍摄到物面彩色纹理图像。该纹理图像上
像素的红、绿、蓝三基色分量为D T( ，K)，G1 (u, v) , B1 (w, r)]。利用前述标定方法的标定结果，可以对该彩色图像进行几何校正，可将其由纹理摄像机视角图像变换至测量摄像机视角，步骤如下
S4:生成一幅测量摄像机视角的空白彩色图像D MCs，O，Gtl (s, t), 4 C5，()]，其分量分别表示该图像中像素的红、绿、蓝三基色分量。S5:对于上述空白图像每一像素坐标O，利用公式
权利要求
1.一种纹理摄像机标定装置，其特征在于由参考平板(I)和移动工作台(2)组成；参考平板上(I)上具有沿I、7两个垂直方向分布的二维圆点标记阵列；参考平板上(I)圆点标记的圆心坐标(尤，Ip精确已知，其中左为圆点标记序号；参考平板上⑴的圆点标记与背景颜色分别为黑白两色，以提高其图像的对比度；参考平板(I)固定于移动工作台(2)上，并使参考平板(I)平面与移动工作台(2)移动方向垂直；移动工作台(2)可驱动参考平板(I)沿Z轴方向移动，移动距离可以精确读取。
2.—种纹理摄像机标定方法，采用根据权利要求I所述的纹理摄像机标定装置进行标定，其特征在于标定过程包括以下步骤 第一步、将参考平板(I)圆点标记朝向测量摄像机(4)和纹理摄像机(5)所在方向，可由两台摄像机(4、5)同时拍摄到；参考平板⑴初始位置记录为Ztl=O ;用纹理摄像机(5)拍摄标记圆点阵列的图像；移动工作台(2)驱动参考平板(I)至#个不同位置，2，并记录其位置乙，/ =1，2，-,N-, 通过这一过程，参考平板(I)的标记圆点圆心构成一个三维空间点阵，其各点空间坐标(4 n，Yk, n,Zk )已知，其中々为圆点标记序号；在参考平板⑴的每个移动到达位置，用纹理摄像机(5)拍摄标记圆点阵列的图像； 第二步、对第一步中纹理摄像机(5)获得的图像进行处理，提取各圆点质心作为圆点圆心的像素坐标( ⑴^ J ； 第三步、将纹理摄像机图像各圆点圆心的像素坐标( n, J及其对应的三维空间点坐标0 n, Y1 n,Zh J代入公式
3.—种纹理图像的几何校正方法，采用根据权利要求2所述的纹理摄像机标定方法的结果进行图像几何校正，其特征在于校正过程包括以下步骤 第一步、生成一幅测量摄像机视角的空白彩色图像D M Cs, ()，Ga (s, t), 4 Cs，()],其分量分别表示该图像中像素Cs，t)的红、绿、蓝三基色分量； 第二步、对于第一步生成的空白图像每一像素坐标(S，O，利用根据权利要求2所述的纹理摄像机标定方法的标定结果& (m=l, 2，…，14)，将该像素对应的由测量系统测量得到的物面点三维坐标DT(A t)，Es, t)，Z(s, t)]代入下列公式，计算其在纹理摄像机图像中对应像素坐标("，k)
全文摘要
本发明涉及一种应用于光学三维测量的纹理摄像机标定装置与方法及其纹理图像几何校正方法。纹理摄像机标定装置包括带有圆点标记阵列的参考平板和移动工作台。参考平板固定于移动工作台上，与其移动方向垂直。纹理摄像机标定方法为，移动工作台驱动参考平板平行移动至至少3个位置，读取移动距离作为其上圆点阵列圆心Z坐标；在参考平板各位置，由纹理摄像机拍摄圆点标记阵列图像，提取圆点圆心像素坐标；求解14个待定参数。纹理图像几何校正方法为，生成空白测量摄像机视角纹理图像；读取该空白图像每像素所对应的被测物面点的三维坐标，求解其在纹理摄像机拍摄的彩色纹理图像中的对应像素坐标，并用其颜色填充测量摄像机视角空白图像像素。
文档编号G06T7/00GK102750698SQ20121018891
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者于冲, 周珺, 张志会, 郭红卫 申请人:上海大学