一种用于结构光深度测量的相机标定方法和装置与流程

本发明涉及结构光技术领域，具体涉及一种用于结构光深度测量的相机标定方法和装置。

背景技术：

线结构光成像起源于20世纪80年代，开始仅仅作为深度检测的一项光学检测仪器。结构光是一组由投影仪和相机组成的系统结构，用投影仪投射特定的光信息到物体表面后及背景后，由相机采集标定图像，根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。随着近些年，3d点云获取和重建技术的应用，结构光成像重建一种成像方式开始逐渐被认可、使用和开发。为确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定，为了保证测量精度，在使用结构光系统测量物体深度之前，需对相机进行标定。

国内外许多学者都对结构光传感器标定展开了研究，比如如图1所示的拉丝法，激光投射器投射光平面到几根不共线的细丝上，在细丝与光平面的交汇处产生亮斑，相机获取亮斑图像坐标，同时，用其它坐标测量仪器测出亮斑的空间物理坐标值，这样，就可以将亮斑的图像坐标与物理坐标代入方程求解光平面与相机的位姿关系，但是，这种方法需要借助其它仪器进行测量，操作复杂，耗时较长。因此，现有技术中存在相机标定操作复杂和耗时较长的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于结构光深度测量的相机标定方法和装置，以解决现有技术中相机标定操作复杂和耗时较长的技术问题。

本发明实施例提供了以下方案：

依据本发明的第一个方面，本发明实施例提供一种用于结构光深度测量的相机标定方法，所述方法应用于电子设备，包括：

在标定板一侧设置多个标定点，并控制激光器和相机逐次移动至所述标定点处；

控制所述激光器向所述标定板发射激光线束，并控制所述相机采集所述标定板上的标定图像，所述标定图像包括：激光线的成像中心；

获取所述标定点到所述标定板的实际距离，并根据所述标定图像获得所述激光线的成像中心的像素距离，获得所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系；

构建预设参数模型，所述预设参数模型包括所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系；

根据所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系对所述预设参数模型进行拟合，以获得所述相机的参数。

优选的，所述构建预设参数模型，包括：

根据所述相机的参数和所述像素距离获得所述激光线的成像中心的真实世界坐标值；

构建所述实际距离与所述激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的预设参数模型。

优选的，所述构建所述实际距离与所述激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的预设参数模型，包括：

构建所述激光线对应的光路图，在所述光路图中所述激光器、所述相机的镜头和所述标定板上的激光点构成第一三角形；

过所述镜头作一条平行于入射光线的直线，所述直线与所述相机的图像传感器交于预设点，根据所述预设点、所述镜头和反射光线射在所述图像传感器上的图像点构造与所述第一三角形相似的第二三角形；

根据所述第一三角形、所述第二三角形和三角形相似原理构建所述实际距离与所述激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的预设参数模型。

优选的，所述预设参数模型为：

其中，qi为第i个标定点对应的实际距离，s为镜头与激光器的间距，f为镜头到图像传感器的距离，pixelsize为图像像素的物理尺寸，pxi为第i个标定点对应的像素距离，offset为图像原点相对于三角测距中图像边缘的偏置距离。

优选的，所述根据所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系对所述预设参数模型进行拟合，以获得所述相机的参数，包括：

通过最小二乘法将所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系代入所述预设参数模型中进行拟合，以获得所述相机的参数。

基于同一发明构思，依据本发明的第二个方面，本发明实施例提供一种用于结构光深度测量的相机标定装置，包括：

位置控制模块，用于在标定板一侧设置多个标定点，并控制激光器和相机逐次移动至所述标定点处；

图像采集模块，用于控制所述激光器向所述标定板发射激光线束，并控制所述相机采集所述标定板上的标定图像，所述标定图像包括：激光线的成像中心；

距离获取模块，用于获取所述标定点到所述标定板的实际距离，并根据所述标定图像获得所述激光线的成像中心的像素距离，获得所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系；

模型构建模块，用于构建预设参数模型，所述预设参数模型包括所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系；

参数标定模块，用于根据所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系对所述预设参数模型进行拟合，以获得所述相机的参数。

优选的，所述模型构建模块，包括：

坐标值获取单元，用于根据所述相机的参数和所述像素距离获得所述激光线的成像中心的真实世界坐标值；

模型构建单元，用于构建所述实际距离与所述激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的预设参数模型。

优选的，所述模型构建单元，还用于构建所述激光线对应的光路图，在所述光路图中所述激光器、所述相机的镜头和所述标定板上的激光点构成第一三角形；过所述镜头作一条平行于入射光线的直线，所述直线与所述相机的图像传感器交于预设点，根据所述预设点、所述镜头和反射光线射在所述图像传感器上的图像点构造与所述第一三角形相似的第二三角形；根据所述第一三角形、所述第二三角形和三角形相似原理构建所述实际距离与所述激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的预设参数模型。

基于同一发明构思，依据本发明的第三个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明的第一方面中任一方法步骤。

基于同一发明构思，依据本发明的第四个方面，提供了一种图片处理设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明的第一方面中任一方法步骤。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过在标定板一侧设置多个标定点，并控制激光器和相机逐次移动至所述标定点处；控制所述激光器向所述标定板发射激光线束，并控制所述相机采集所述标定板上的标定图像，所述标定图像包括：激光线的成像中心；获取所述标定点到所述标定板的实际距离，并根据所述标定图像获得所述激光线的成像中心的像素距离，获得所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系；构建预设参数模型，所述预设参数模型包括所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系；根据所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系对所述预设参数模型进行拟合，以获得所述相机的参数。本实施例不需要借助其他仪器进行测量，只需控制激光器发射激光、相机采集标定图像，后续通过拟合相机参数、实际距离与像素距离之间的目标参数模型，即可确定所述相机的参数，操作简单，效率较高，从而解决了相机标定操作复杂和耗时较长的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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说明书的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于结构光深度测量的相机标定方法第一实施例的流程示意图；

图2为本发明用于结构光深度测量的相机标定方法第二实施例的流程示意图；

图3为本发明所述预设参数模型的原理图；

图4为本发明用于结构光深度测量的相机标定装置第一实施例的结构示意图。

具体实施方式

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、完整的描述，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，基于本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

参照图1，图1为本发明用于结构光深度测量的相机标定方法第一实施例的流程示意图。在本实施例中，所述用于结构光深度测量的相机标定方法应用于标定装置，所述方法包括：

步骤s10：在标定板一侧设置多个标定点，并控制激光器和相机逐次移动至所述标定点处。

所述标定装置包括激光器和相机，结构光深度测量的常用原理是通过主动系统控制相机做特定运动，利用控制平台控制相机发生特定的移动拍摄多组图像，依据图像信息和已知位移变化来求解标定参数。

在具体实现中，所述标定板竖直放置，所述激光器和所述相机在所述标定板的同一侧，并且在水平方向上所述激光器和所述相机与所述标定板的距离相同，所述相机包括镜头和图像传感器。在标定板一侧，以所述标定板为零点，在10厘米～1米的范围内每隔预设距离设置一个标定点，一般设置20～30个，本实施例对此不加以限制，并控制激光器和相机逐次移动至所述标定点处，本实施例对此不加以限制。

步骤s20：控制所述激光器向所述标定板发射激光线束，并控制所述相机采集所述标定板上的标定图像，所述标定图像包括：激光线的成像中心。

控制所述激光器向所述标定板发射激光线束，所述激光线束在所述标定板表面发生发射，射入所述相机的镜头内，并最终达到所述图像传感器上，所述相机采集所述标定板上的标定图像，所述标定图像包括激光线的成像中心，该成像中心为线形。

步骤s30：获取所述标定点到所述标定板的实际距离，并根据所述标定图像获得所述激光线的成像中心的像素距离，获得所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系。

所述激光器和所述相机的连线具体指所述激光器和所述相机镜头之间的连线，获取所述标定点到该连线的实际距离，所述实际距离是在世界坐标系下所述标定点到该连线的距离，所述世界坐标系，也称为测量坐标系，是一个三维直角坐标系，以其为基准可以描述相机和待测物体的空间位置。对于每一个标定点对应的实际距离，根据所述标定点对应的标定图像能够获得所述激光线的成像中心在所述标定图像中表现的像素距离。

通过所述多个标定点获得多个实际距离及对应的多个像素距离，将所述实际距离和所述实际距离对应的像素距离变换为多组数据对，对所述多组数据对进行拟合，获得所述实际距离与所述像素距离之间的目标关系曲线，从而获得足够的实际距离和对应的像素距离，在标定时能够提高准确度。

步骤s40：构建预设参数模型，所述预设参数模型包括所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系。

根据所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系构建预设参数模型。

步骤s50：根据所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系对所述预设参数模型进行拟合，以获得所述相机的参数。

所述预设参数模型包括所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系，在已知所述实际距离和所述像素距离时，将所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系代入所述预设参数模型进行拟合，能够求解得到所述相机的参数，操作简单，效率较高。

进一步地，所述步骤s50，包括：通过最小二乘法将所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系代入所述预设参数模型中进行拟合，以获得所述相机的参数。

所述预设参数模型用于表示所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系，含有若干个未知的相机参数，根据所述实际距离和所述实际距离对应的像素距离，采用最小二乘法对所述预设参数模型进行拟合，能够求解得到所述未知参数的数值，从而得到实际距离与像素距离之间的目标参数模型。具体地，将所述实际距离和所述实际距离对应的像素距离变换为多组数据对，将所述多组数据对分别代入所述预设参数模型中，获得残差平方和函数，对所述残差平方和函数进行微分，获得所述残差平方和函数取最小值时对应的未知参数的数值，将该未知参数的数值代入所述预设参数模型中，即得到所述实际距离与所述像素距离之间的目标参数模型。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本实施例通过在标定板一侧设置多个标定点，并控制激光器和相机逐次移动至所述标定点处；控制所述激光器向所述标定板发射激光线束，并控制所述相机采集所述标定板上的标定图像，所述标定图像包括：激光线的成像中心；获取所述标定点到所述标定板的实际距离，并根据所述标定图像获得所述激光线的成像中心的像素距离，获得所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系；构建预设参数模型，所述预设参数模型包括所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系；根据所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系对所述预设参数模型进行拟合，以获得所述相机的参数。本实施例不需要借助其他仪器进行测量，只需控制激光器发射激光、相机采集标定图像，后续通过拟合相机参数、实际距离与像素距离之间的目标参数模型，即可确定所述相机的参数，操作简单，效率较高，从而解决了相机标定操作复杂和耗时较长的技术问题。

参照图2，图2为本发明用于结构光深度测量的相机标定方法第二实施例的流程示意图，基于上述第一实施例，提出本发明用于结构光深度测量的相机标定方法第二实施例。

在本实施例中，所述步骤s40，包括：

步骤s401：根据所述相机的参数和所述像素距离获得所述激光线的成像中心的真实世界坐标值。

所述相机的参数包括：图像原点相对于三角测距中图像边缘的偏置距离，根据该图像原点相对于三角测距中图像边缘的偏置距离、图像像素的物理尺寸和所述像素距离能够获得激光线的成像中心的真实世界坐标值，具体的，所述激光线的成像中心的真实世界坐标值为所述图像像素的物理尺寸和所述像素距离的乘积，与所述图像原点相对于三角测距中图像边缘的偏置距离的和，参见公式：qi＝pixelsize*pxi+offset，其中，qi为第i个标定点对应的激光线的成像中心的真实世界坐标值，pixelsize为图像像素的物理尺寸，pxi为第i个标定点对应的像素距离，offset为图像原点相对于三角测距中图像边缘的偏置距离。

步骤s402：构建所述实际距离与所述激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的预设参数模型。

为了标定所述相机的参数，将构建所述相机的参数与所述标定点之间的对应，首先建立所述相机的参数、所述像素距离与激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的对应，接着，建立所述标定点的实际距离与所述激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的对应，最后，结合所述标定点的实际距离与像素距离之间的目标关系曲线确定所述相机的参数。

在具体实现中，所述步骤s402，包括：构建所述激光线对应的光路图，在所述光路图中所述激光器、所述相机的镜头和所述标定板上的激光点构成第一三角形；过所述镜头作一条平行于入射光线的直线，所述直线与所述相机的图像传感器交于预设点，根据所述预设点、所述镜头和反射光线射在所述图像传感器上的图像点构造与所述第一三角形相似的第二三角形；根据所述第一三角形、所述第二三角形和三角形相似原理构建所述实际距离与所述激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的预设参数模型。

参照图3，图3为本发明所述预设参数模型的原理图，a为所述激光器，b为所述激光线的成像中心，c为所述镜头，d为所述预设点，e为所述图像点，三角形abc为所述第一三角形，三角形cde为所述第二三角形，由于所述直线cd与入射光线ab平行，线段bc和线段ce处于同一反射光线上，所述第一三角形和所述第二三角形相似，根据三角形相似原理可得所述第一三角形和所述第二三角形的对应边成比例，因此，由于线段ac与线段de相对应，线段ac上的高与线段de上的高相对应，根据线段ac上的高与线段ac的比等于线段de上的高与线段de的比，构建预设参数模型为：

其中，qi为第i个标定点对应的实际距离，s为镜头与激光器的间距，f为镜头到图像传感器的距离。

本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本实施例通过根据所述相机的参数和所述像素距离获得激光线的成像中心的真实世界坐标值；构建所述实际距离与所述激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的预设参数模型。通过相似三角形原理构建预设参数模型，算法简单，标定结果准确。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种用于结构光深度测量的相机标定装置，参照图4，所述用于结构光深度测量的相机标定装置包括：

位置控制模块10，用于在标定板一侧设置多个标定点，并控制激光器和相机逐次移动至所述标定点处；

图像采集模块20，用于控制所述激光器向所述标定板发射激光线束，并控制所述相机采集所述标定板上的标定图像，所述标定图像包括：激光线的成像中心；

距离获取模块30，用于获取所述标定点到所述标定板的实际距离，并根据所述标定图像获得所述激光线的成像中心的像素距离，获得所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系；

模型构建模块40，用于构建预设参数模型，所述预设参数模型包括所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系；

参数标定模块50，用于根据所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系对所述预设参数模型进行拟合，以获得所述相机的参数。

进一步地，所述模型构建模块，包括：

坐标值获取单元，用于根据所述相机的参数和所述像素距离获得所述激光线的成像中心的真实世界坐标值；

模型构建单元，用于构建所述实际距离与所述激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的预设参数模型。

进一步地，所述模型构建单元，还用于构建所述激光线对应的光路图，在所述光路图中所述激光器、所述相机的镜头和所述标定板上的激光点构成第一三角形；过所述镜头作一条平行于入射光线的直线，所述直线与所述相机的图像传感器交于预设点，根据所述预设点、所述镜头和反射光线射在所述图像传感器上的图像点构造与所述第一三角形相似的第二三角形；根据所述第一三角形、所述第二三角形和三角形相似原理构建所述实际距离与所述激光线的成像中心的真实世界坐标值之间的预设参数模型。

本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本实施例通过在标定板一侧设置多个标定点，并控制激光器和相机逐次移动至所述标定点处；控制所述激光器向所述标定板发射激光线束，并控制所述相机采集所述标定板上的标定图像，所述标定图像包括：激光线的成像中心；获取所述标定点到所述标定板的实际距离，并根据所述标定图像获得所述激光线的成像中心的像素距离，获得所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系；构建预设参数模型，所述预设参数模型包括所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系；根据所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系对所述预设参数模型进行拟合，以获得所述相机的参数。。本实施例不需要借助其他仪器进行测量，只需控制激光器发射激光、相机采集标定图像，后续通过拟合相机参数、实际距离与像素距离之间的目标参数模型，即可确定所述相机的参数，操作简单，效率较高，从而解决了相机标定操作复杂和耗时较长的技术问题。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述任一所述的方法步骤。

本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本实施例通过在标定板一侧设置多个标定点，并控制激光器和相机逐次移动至所述标定点处；控制所述激光器向所述标定板发射激光线束，并控制所述相机采集所述标定板上的标定图像，所述标定图像包括：激光线的成像中心；获取所述标定点到所述标定板的实际距离，并根据所述标定图像获得所述激光线的成像中心的像素距离，获得所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系；构建预设参数模型，所述预设参数模型包括所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系；根据所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系对所述预设参数模型进行拟合，以获得所述相机的参数。本实施例不需要借助其他仪器进行测量，只需控制激光器发射激光、相机采集标定图像，后续通过拟合相机参数、实际距离与像素距离之间的目标参数模型，即可确定所述相机的参数，操作简单，效率较高，从而解决了相机标定操作复杂和耗时较长的技术问题。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现前述任一所述的方法步骤。

本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本实施例通过在标定板一侧设置多个标定点，并控制激光器和相机逐次移动至所述标定点处；控制所述激光器向所述标定板发射激光线束，并控制所述相机采集所述标定板上的标定图像，所述标定图像包括：激光线的成像中心；获取所述标定点到所述标定板的实际距离，并根据所述标定图像获得所述激光线的成像中心的像素距离，获得所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系；构建预设参数模型，所述预设参数模型包括所述相机的参数、所述实际距离和所述像素距离之间的对应关系；根据所述实际距离与所述像素距离之间的对应关系对所述预设参数模型进行拟合，以获得所述相机的参数。本实施例不需要借助其他仪器进行测量，只需控制激光器发射激光、相机采集标定图像，后续通过拟合相机参数、实际距离与像素距离之间的目标参数模型，即可确定所述相机的参数，操作简单，效率较高，从而解决了相机标定操作复杂和耗时较长的技术问题。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(模块、系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。