多投影结构光坐标系自动修正方法与流程

本发明涉及计算机视觉领域，特别涉及多投影结构光坐标系自动修正方法。

背景技术：

1、工业机器人是我国工业发展的重要支撑，在制造和物流等领域的应用非常广泛，而结构光3d相机作为工业机器人的“眼睛”，它是影响工业机器人领域应用和性能的关键因素。结构光相机的测量精度对3d工业建模，缺陷检测等领域影响至关重要。结构光相机的标定作为3d结构光相机生产中的一环，对结构光相机的测量精度，重复精度有着关键性影响。结构光系统在实际使用中，由于应力，振动，温度等环境因素的影响，原先标定出的坐标系参数不可避免的会发生略微变化，这对于高精度测量会产生十分重要的影响。尤其是针对多投影结构光(n个投影n>1，一个相机),这种坐标系偏移会造成两个投影系统的坐标系偏移，针对后续的系统点云拼接融合会造成分层噪声。因此，针对多投影结构光系统的二次标定是十分必要的。目前已有的方案，是重新标定，这个是精度最高的方案。但是在实际的工程应用中，这个方案具有耗时长、需要重新安装到专业标定机上等缺点。

2、目前的二次修正方案大概分为一下2类：

3、类张氏标定流程：

4、(1)根据标定板在投影仪不工作的情况下拍摄图片；同一位置，投影条纹组，拍摄图片；

5、(2)改变多种位姿，重复步骤(1)；

6、(3)先根据无条纹图像进行相机标定，标定方法就是张氏9点法；获取相机内外参数；

7、(4)根据条纹图，通过解相位运算，获取标定板上的相位分布，并根据投影仪的相位设置，按照相机的逆过程标定投影仪；

8、(5)针对同一个标定板位置，摄像机标定出的位姿，以及投影仪标定出的位姿，计算出摄像机和投影仪之间的位置关系；

9、(6)系统标定完成。

10、基于精准位移台的标定流程：

11、步骤(1)：整个标定系统要求如下，摄像机的光轴垂直于标定板(上面有圆形阵列图案)，标定板的运动方向和摄像机的光轴平行，这些条件十分苛刻，现实中很难实现；

12、步骤(2)：将投影仪标定板放置于高精度平移台合适位置，并以此位置作为基准平面，建立全局空间坐标系，竖直向上为z轴的正方向，水平向右为x轴正方向。投影仪工作，拍摄条纹图，计算相位初值，投影仪不工作，拍摄标定板图片；

13、步骤(3)：按照一定的步长移动标定板，和基准位置高度差异为dh,投影仪工作，拍摄条纹图，计算相位值，和相位初值相减得到dθ；投影仪不工作，拍摄标定板图片；

14、步骤(4)：重复步骤(3)，采集多种高度下的数据，拟合方程，获取相位值和高度之间的关系方程；

15、步骤(6)：根据步骤(4)的关系方程，获取相机标定板上的圆形阵列图案圆心的z值，并根据标定板参数生成三维坐标(x,y，z)，并根据摄像机图案提取圆形阵列投影的圆心坐标序列(u，v)；

16、步骤(7)：重复步骤(6)，获取多组对应序列，进行相机标定。

17、但针对这两种重新标定的方案，在实际的工程使用中存在拍摄图片多，耗时长，操作不便的缺点，尤其是针对高精度位移台的方案，还需要重新的系统拆卸，这个在实际使用过程中是不可接受的。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供一种可以消除系统分层效果的多投影结构光坐标系自动修正方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多投影结构光坐标系自动修正方法，包括磨砂板，所述磨砂板上环形设置有多个高度呈螺旋式上升的区域，计为区域1至区域x，x≥5，还包括圆环标定板，还包括单目子系统，所述单目子系统包括配合使用的相机和投影仪，具体方法为，

3、步骤一：将区域1放置在整个拍摄系统的下景深位置拍摄，然后旋转磨砂板，使得整个系统依次拍摄区域1至区域x，拍摄至区域x时，区域x位于整个拍摄系统的上景深区域，进而获取每个像素的高度值zi(i＝1,2,3...x)；

4、步骤二：在单目子系统中，对于单个像素，通过四步相移算法得到在此高度下的相位值θi(i＝1,2,3...x)；

5、步骤三：通过对单个像素高度值zi和自身的相位值θi建立高阶函数产生映射关系完成z轴的修正；

6、步骤四：将圆环标志板放置在0平面位置进行图片拍摄，根据圆心提取算法获取圆心的像素坐标，通过四步相移算法得到圆心的相位值θ，并根据步骤三中修正后的映射关系获取圆心的z值，根据圆环标志点的设计值，获取圆环标志板上每个标志点g的xy坐标，从而可获取所有标志点的3d坐标(x，y，z)，根据图像的圆心提取，可以获取此3d点坐标在图像坐标系下的对应坐标(u,v)，通过相机标定公式进行相机标定，实现xy轴修正。

7、进一步的是：步骤三中，单个像素高度值zi和自身的相位值θi建立高阶函数产生映射关系为：

8、z(m,n)＝f(m,n)(θ)＝a(m,n)θ4+b(m,n)θ3+c(m,n)θ2+d(m,n)θ1+e(m,n)；

9、其中，(m,n)表示该单个像素的像素位置，计算出系数a(m,n)、b(m,n)、c(m,n)、d(m,n)和e(m,n)完成z轴的修正。

10、进一步的是：所述步骤四中的相机标定公式为：

11、

12、上述fx、fy为相机的焦距参数，cx、cy是相机的主点偏移参数，r11、r12、r13、r21、r22、r23、r31、r32、r33、为旋转参数，代表相机的外参，t1、t2和t3为平移参数，为相机外参；

13、其中，(xw，yw，zw)为上述标志点的3d坐标(x，y，z)，根据多个3d坐标点的数据和其对应的图像坐标系下的对应坐标(u,v)，计算得到fx、fy、cx、cy、r11、r12、r13、r21、r22、r23、r31、r32、r33、t1、t2和t3的值。

14、进一步的是：还包括拍摄系统，所述拍摄系统包括一个相机和n个投影仪，一个相机和其中一个投影仪构成上述单目子系统，所述n≥2；

15、在步骤一中，当拍摄区域1至区域x时，每个区域拍摄产生n个z值，zi为n个z值的平均值。

16、进一步的是：所述磨砂板上多个高度呈螺旋式上升的区域的高度间隔相等。

17、本发明的有益效果是：本标定方法解除了基于高精度位移台进行标定的苛刻限制，可以十分方便的进行现场标定。标定后，可以消除系统的分层效果，以双投影结构光系统为例，效果如图4所示。针对修正前和修正后，重建了同一个磨砂板平面，左图可以看出，两个子系统重建的点云z值分层120微米，经过系统修正后，重新重建，两个子系统点云z值无分层，由于随机误差会导致点云跳动10微米。

技术特征：

1.一种多投影结构光坐标系自动修正方法，其特征在于：包括磨砂板，所述磨砂板上环形设置有多个高度呈螺旋式上升的区域，计为区域1至区域x，x≥5，还包括圆环标定板，还包括单目子系统，所述单目子系统包括配合使用的相机和投影仪，具体方法为，

2.如权利要求1所述的多投影结构光坐标系自动修正方法，其特征在于：步骤三中，单个像素高度值zi和自身的相位值θi建立高阶函数产生映射关系为：

3.如权利要求1所述的多投影结构光坐标系自动修正方法，其特征在于：所述步骤四中的相机标定公式为：

4.如权利要求1所述的多投影结构光坐标系自动修正方法，其特征在于：还包括拍摄系统，所述拍摄系统包括一个相机和n个投影仪，一个相机和其中一个投影仪构成上述单目子系统，所述n≥2；

5.如权利要求1所述的多投影结构光坐标系自动修正方法，其特征在于：所述磨砂板上多个高度呈螺旋式上升的区域的高度间隔相等。

技术总结
本发明公开了多投影结构光坐标系自动修正方法，其公开了如下步骤：步骤一：整个磨砂板分为X个区域，从区域1到区域X，高度是连续上升，上升的高度即为整个系统的景深要求；步骤二：将区域1放置在整个系统的下景深位置拍摄，然后旋转磨砂板，使得整个系统依次拍摄区域区域1至区域X。拍摄到最后一个区域时，刚好在上景深区域；步骤3：将圆环标志板放置在0平面位置进行拍摄一组图片；步骤4：进行标定，即可获取修正后的标定参数。

技术研发人员：周坤,张振伟,周剑
受保护的技术使用者：苏州深浅优视智能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13