一种水下投影仪标定方法
【专利摘要】本发明属于测量【技术领域】，将提供一种水下投影仪结构光标定方法。包括以下步骤：在至少三个位置拍摄位于同一平面的防水靶标和投射靶标的图像对；在摄像机坐标系下,计算平面法向向量和投射靶标三维坐标，采用单视点模型初步标定投影仪及结构参数，将投射靶标三维坐标转换至投影仪坐标系作为参考值；在投影仪坐标系下，建立投射靶标的入射光线以及折射光线模型，计算投射靶标三维坐标；以计算出的投射靶标三维坐标与参考值之间的距离建立目标函数，对所有参数进行递归优化。本发明考虑投影仪光线从空气介质传播到水介质时发生的折射现象，以及投影仪光轴与防水装置窗口法向向量不平行的情况，能够满足水下投影仪标定需求。
【专利说明】一种水下投影仪标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水下投影仪标定方法，属于测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]投影仪与摄像机结合的结构光模式，是视觉测量中一种重要的三维测量方法和技术。其原理是采用投影仪结构光传感器，投影仪根据测量需要主动投射特征，如点阵、光栅条纹、编码格网等等，摄像机捕获的图像包含因物体表面形貌变化而产生形变的投射特征，根据结构光三角测量原理恢复物体表面的三维信息。由于摄像机拍摄的一幅图像可以包含大量特征信息，因此对于近距离的水下三维测量应用，投影仪结构光技术是一种恢复被测物体三维信息的有效手段。
[0003]水下投影仪结构光测量环境有别于陆地上的空气介质环境。水下环境作业的投影仪需要固定在密封的防水装置内，通过位于投影仪镜头前的透明窗口向位于水中的被测物体投射特征。由于防水装置的使用，使得被测物体与投影仪图像平面分别位于不同介质中，即被测物体位于水介质中，而投影仪图像平面位于防水装置内的空气介质中，光线从投影仪光心经过窗口平面进入水介质时会产生折射现象。此时，建立在光线沿直线传播基础上的单视点模型已不再适用。
[0004]投影仪的投射过程与摄像机的成像过程相反，可以看做逆向的摄像机。由于折射使光线发生了折弯，用单视点模型描述的投影仪光心位置和实际光心位置不一致。Treibitz 等在文章 “Flat Refractive Geometry.1EEE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence, 2012，34(I):51-65”分析指出，折射产生的畸变取决于被测物体与摄像机之间的距离，若采用单视点模型或用径向畸变模型表示这种畸变，则会产生较大误差，因此单视点模型不能准确描述水下投影仪投射过程。但该文只考虑了光轴与窗口平面法向向量平行时的情况，当光轴与窗口平面法向向量不平行时，基于该文分析建立模型仍会有偏差。
[0005]从上述分析可知，由于防水装置窗口对光线产生的折射效应，以及投影仪光轴与窗口平面法向向量不平行的影响，传统的投影仪单视点模型已不再适用。因此，研究一种适用于水下投影仪结构光视觉测量传感器的模型和标定方法具有重要意义。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是:提供一种用于水下投影仪结构光传感器的投影仪参数和结构参数的优化标定方法。
[0007]本发明的技术解决方案为:一种水下投影仪标定方法，其特征在于该方法包含以下步骤:
[0008]1.1、调整位于水下的投影仪结构光传感器，保证摄像机在测量范围内能够拍摄清晰图像且投影仪在测量范围内能够投射清晰图像，在投影仪和已标定摄像机的公共视场范围内，采用一附有防水靶标的平板，同时投影仪对该平板投射另一靶标，称为投射靶标，调整平板位置，直到两个靶标特征点都位于公共视场范围内；自由移动靶标至少三个位置，每移动一个位置，拍摄含有两个靶标的图像对；
[0009]1.2、提取图像中防水靶标特征点的图像坐标，根据已标定摄像机的参数，求取平板所在平面在摄像机坐标系下的法向向量；
[0010]1.3、提取图像中投射靶标特征点的图像坐标，利用步骤1.2中求得的法向向量，由摄像机参数和特征点的图像坐标，计算投射靶标投射在平板上的对应空间点位于摄像机坐标系下的三维坐标；
[0011]1.4、根据投射靶标在图像坐标，以及步骤1.3中求得的其对应空间点的三维坐标，利用单视点模型初步标定投影仪参数以及投影仪与摄像机之间的结构参数；
[0012]1.5、使用步骤1.4中得到的结构参数，将步骤1.2中所求的法向向量表示在投影仪坐标系下；
[0013]1.6、在投影仪坐标系下，给定投影仪光心沿光轴方向到防水装置窗口平面的距离初值，建立投影仪图像上每个特征点发出的光线在防水装置中的空气介质传播时光线模型，称为入射光线；
[0014]1.7、建立折射光线的单位向量，根据几何约束求解出尺度因子，确定折射光线长度，求解投影仪坐标系下投影靶标特征点的三维坐标；
[0015]1.8、将步骤1.3中计算出的三维坐标利用步骤1.4中的结构参数转换至投影仪坐标系下作为参考值；
[0016]1.9、给定投影仪光轴相对于窗口平面法向向量之间偏角和转角的初值，以步骤
1.7中所述的三维坐标与1.8所述的参考值之间的距离建立目标函数，对投影仪参数和结构参数进行优化，并进行递归优化，即求得的结构参数用于步骤1.5?1.8，直到目标函数值满足设定阈值，阈值根据测量精度要求设定，一般为1E-5至0.1mm。
[0017]2、根据权利要求1所述的一种水下投影仪标定方法，其特征在于:
[0018]2.1、步骤1.1所述的防水靶标为防水材质制成的平面靶标，固定在一平板上，防水靶标厚度与测量距离相比可忽略不计，靶标特征点为平面上的格点，格点之间距离的设计由实际测量距离和摄像机视场等确定，一般为10?IOOmm ;所述的投射靶标，其格点之间的图像坐标距离根据投影仪图像的分辨率确定，一般为10?100像素；
[0019]2.2、步骤1.1所述的防水靶标和投射靶标，在摄像机合理使滤光器件如滤光片的前提下，两靶标在平板上所占区域可重叠；当平板在同一位置时，摄像机不使用滤光器件且投影仪不投射靶标时，摄像机拍摄只得到防水靶标图像，当摄像机使用滤光器件且投影仪投射靶标时，该靶标与防水靶标有重叠区域，摄像机拍摄只得到投射靶标图像；
[0020]2.3、步骤1.1所述的拍摄含有两个靶标的图像对，其特征在于，当使用滤光器件时，每一个位置拍摄两幅图像，为分别含有防水靶标和投射靶标的图像对。
[0021]本发明的优点是:
[0022]第一，考虑投影仪在水下作业时光线从防水装置中的空气介质传播至防水装置外的水介质时产生的折射现象，建立了投影仪光线折射模型；
[0023]第二，考虑投影仪光轴与防水装置窗口平面法向向量不平行时的情况，以光轴相对于法向向量的偏角和转角描述该现象，并通过优化方法得出两个角度的值；
[0024]第三，合理使用滤光器件，采用了可重叠的防水靶标和投射靶标，让两个靶标能够同时尽量占满视场，提高了标定精度。【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明建立的水下投影仪光线折射模型示意图。
[0026]图2是水下投影仪光轴与窗口平面法向向量不平行的示意图。
[0027]图3是水下投影仪标定方法流程图。
[0028]图4是标定水下投影仪使用的靶标位置示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面对本发明做进一步详细说明。本发明建立水下投影仪的光线折射模型，对光轴与防水装置窗口平面法向向量存在旋转角度时的投影仪参数和结构参数进行优化标定，实现了高精度的水下投影仪标定。
[0030]图1所示为水下投影仪光线折射模型示意图。以投影仪光心为原点建立投影仪坐标系Op-XpYpZp,原图像坐标系为Ou-UV, (Utl, V0)为主点的坐标。以投影仪图像上的主点位置为原点建立图像坐标系 o-xy,有 X = u-u0, y = V-Vqo 定义 ox | OpXp, oy |θρΥρ。χ = [χ, y]τ表示投影仪图像平面上的一点的理想图像坐标，Xd= [xd，yd]T为实际受到镜头畸变影响的图像坐标。从投影仪图像平面上的点Xd = [xd，yd]T投射出的光线，经过防水装置窗口平面时发生折射，记入射光线为Rin，折射光线为R。#用η =示投影仪坐标系下窗口平面的单位法向向量，其中W1和W2分别表示投影仪光轴相对于窗口平面法向向量之间的
偏角和转角，如图2所示,且满足
【权利要求】
1.一种水下投影仪标定方法，其特征在于该方法包含以下步骤: 1.1、调整位于水下的投影仪结构光传感器，保证摄像机在测量范围内能够拍摄清晰图像且投影仪在测量范围内能够投射清晰图像，在投影仪和已标定摄像机的公共视场范围内，采用一附有防水靶标的平板，同时投影仪对该平板投射另一靶标，称为投射靶标，调整平板位置，直到两个靶标特征点都位于公共视场范围内；自由移动靶标至少三个位置，每移动一个位置，拍摄含有两个靶标的图像对； 1.2、提取图像中防水靶标特征点的图像坐标，根据已标定摄像机的参数，求取平板所在平面在摄像机坐标系下的法向向量； 1.3、提取图像中投射靶标特征点的图像坐标，利用步骤1.2中求得的法向向量，由摄像机参数和特征点的图像坐标，计算投射靶标投射在平板上的对应空间点位于摄像机坐标系下的三维坐标； 1.4、根据投射靶标在图像坐标，以及步骤1.3中求得的其对应空间点的三维坐标，利用单视点模型初步标定投影仪参数以及投影仪与摄像机之间的结构参数； 1.5、使用步骤1.4中得到的结构参数，将步骤1.2中所求的法向向量表示在投影仪坐标系下； 1.6、在投影仪坐标系下，给定投影仪光心沿光轴方向到防水装置窗口平面的距离初值，建立投影仪图像上每个特征点发出的光线在防水装置中的空气介质传播时光线模型，称为入射光线； 1.7、建立折射光线的单位向量，根据几何约束求解出尺度因子，确定折射光线长度，求解投影仪坐标系下投影靶标特征点的三维坐标； 1.8、将步骤1.3中计算出的三维坐标利用步骤1.4中的结构参数转换至投影仪坐标系下作为参考值； 1.9、给定投影仪光轴相对于窗口平面法向向量之间偏角和转角的初值，以步骤1.7中所述的三维坐标与1.8所述的参考值之间的距离建立目标函数，对投影仪参数和结构参数进行优化，并进行递归优化，即求得的结构参数用于步骤1.5?1.8，直到目标函数值满足设定阈值，阈值根据测量精度要求设定，一般为1E-5至0.1mm。
2.根据权利要求1所述的一种水下投影仪标定方法，其特征在于: 2.1、步骤1.1所述的防水靶标为防水材质制成的平面靶标，固定在一平板上，防水靶标厚度与测量距离相比可忽略不计，靶标特征点为平面上的格点，格点之间距离的设计由实际测量距离和摄像机视场等确定，一般为10?IOOmm ;所述的投射靶标，其格点之间的图像坐标距离根据投影仪图像的分辨率确定，一般为10?100像素； 2.2、步骤1.1所述的防水靶标和投射靶标，在摄像机合理使滤光器件如滤光片的前提下，两靶标在平板上所占区域可重叠；当平板在同一位置时，摄像机不使用滤光器件且投影仪不投射靶标时，摄像机拍摄只得到防水靶标图像，当摄像机使用滤光器件且投影仪投射靶标时，该靶标与防水靶标有重叠区域，摄像机拍摄只得到投射靶标图像； 2.3、步骤1.1所述的拍摄含有两个靶标的图像对，其特征在于，当使用滤光器件时，每一个位置拍摄两幅图像，为分别含有防水靶标和投射靶标的图像对。
【文档编号】G06T7/00GK103985121SQ201410200408
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】周富强, 王晔昕 申请人:北京航空航天大学