基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法，在根据本发明专利技术的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法中，只需在靠近相机的一侧设置一平面镜，在比相机视角区域与投影仪视角区域重叠形成的远焦重叠区域靠近的由虚拟相机视角区域与投影仪视角区域重叠形成的第一区域和由相机视角区域与虚拟相机视角区域重叠形成的第二区域中设置普通尺寸或小尺寸的标定板，并利用OpenCV或Matlab相机标定工具箱就可实现远焦结构光测量系统的标定，得到投影仪的内参、相机的内参和投影仪坐标系对相机坐标系的外参矩阵，在保证标定精度的前提下有效节省为远焦结构光测量系统特别定制尺寸足够大的标定板的成本。

Calibration method of far focus structured light measurement system based on planar mirror and calibration plate

The invention provides a calibration method of optical measurement system based on a structure far focal plane mirror and calibration board, the calibration method based on distance focal plane mirror and calibration plate structure based on the optical measurement system, only need to set a plane mirror near one side of the camera calibration board, set the common size or the small size of the second region of the first region is formed by overlapping the virtual camera and projector perspective from the angle of regional area near the far focus overlapping area than the camera view area and projector and the perspective of regional overlap to form by the camera and the virtual camera view from the angle of regional area overlapping formation, and the use of OpenCV or Matlab camera calibration toolbox can be light measurement system of the far focus structure, get on the camera coordinates of the projector, camera and projector internal reference coordinate system parameters, to ensure Under the premise of calibration accuracy, the cost of the calibration system is sufficiently large for the far focal structure light measurement system to specially tailor the size of the calibration plate.

【技术实现步骤摘要】
基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法
本专利技术涉及结构光测量系统的标定方法，尤其涉及一种基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法。
技术介绍
结构光测量是图像测量中一种重要的测量方法。对于由相机和投影仪搭建的结构光测量系统，其中标定相机和投影仪各自的内参以及投影仪和相机之间的位置关系是结构光测量系统的首要步骤，且从根本上影响测量精度。对于远焦结构光测量系统，结构光测量系统的相机和投影仪的光轴夹角小(甚至平行)，聚焦面远离相机和投影仪，导致相机视角区域与投影仪视角区域重叠形成的远焦重叠区域距离相机和投影仪都较远，为了能够检测到设置在远焦重叠区域中的标定板上的标志点，并达到一定的检测精度，标定板及上面的标志点的尺寸要求足够大，从而造成成本增加。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法，在保证标定精度的前提下有效节省了为远焦结构光测量系统特别定制尺寸足够大的标定板的成本。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法，包括步骤S1、S2、S3和S4。S1：固定远焦结构光测量系统的远焦的投影仪和远焦的相机的位置，在靠近相机的一侧设置一平面镜，平面镜倾斜设置，以使相机在平面镜中能形成像且将形成的像定义为虚拟相机，虚拟相机的视角区域与投影仪的视角区域能够重叠形成第一区域，相机的视角区域与虚拟相机的视角区域能够重叠形成第二区域，相机的视角区域与投影仪的视角区域能够重叠形成远焦重叠区域，平面镜、第一区域以及第二区域均比远焦重叠区域靠近相机；S2：在第一区域中设置一标定板，使相机能拍摄到标定板在平面镜中的像，标定板上设有多个标志点，改变标定板的位姿共记录M组标定板的不同位姿posi，i＝1,2,3,...,M；对各位姿posi的标定板，用投影仪将模板图片组投影在标定板5上，用相机拍摄标定板在平面镜中的像，共获得M组标定板上的多个标志点的标志点中心在世界坐标系下的坐标并计算得到M组标定板上的多个标志点的标志点中心在虚拟相机的图像坐标系下的亚像素级的坐标U0i＝[u0i,v0i]T和M组标定板上的多个标志点的标志点中心在投影仪的图像坐标系下的亚像素级的坐标U'0i＝[u'0i,v'0i]T，利用OpenCV或者Matlab相机标定工具箱计算得投影仪的内参和投影仪坐标系对虚拟相机坐标系的外参矩阵其中i＝1,2,3,...,M；S3：将标定板设置在第二区域，使相机能拍摄到标定板和标定板在平面镜中的像，改变标定板的位姿共记录M'次标定板的不同位姿pos'j，j＝2,3,...,M'，分别对不同位姿pos'j的标定板，用相机拍摄标定板和标定板在平面镜中的像，共获得M'组标定板上的多个标志点的标志点中心在世界坐标系下的坐标并计算得到M'组标定板上的多个标志点的标志点中心在相机的图像坐标系下的亚像素级的坐标和M'组标定板上的多个标志点的标志点中心在虚拟相机的图像坐标系下的亚像素级的坐标，利用OpenCV或者Matlab相机标定工具箱计算得相机的内参和虚拟相机坐标系对相机坐标系的外参矩阵S4：根据步骤S2中得到的投影仪坐标系对虚拟相机坐标系的外参矩阵和步骤S3中得到的虚拟相机坐标系对相机坐标系的外参矩阵得到投影仪坐标系对相机坐标系的外参矩阵本专利技术的有益效果如下：在根据本专利技术的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法中，只需要在靠近相机的一侧设置一平面镜，在比远焦重叠区域靠近的由虚拟相机的视角区域与投影仪的视角区域重叠形成的第一区域和由相机的视角区域与虚拟相机的视角区域重叠形成的第二区域中设置普通尺寸或小尺寸的标定板，并利用OpenCV或者Matlab相机标定工具箱就可以实现远焦结构光测量系统的标定，得到投影仪的内参、相机的内参以及投影仪坐标系对相机坐标系的外参矩阵，在保证标定精度的前提下有效节省了为远焦结构光测量系统特别定制尺寸足够大的标定板的成本。附图说明图1是本专利技术的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法中的结构光测量系统的示意图；图2是本专利技术的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法中的模板图片组中的图片和等效模板图片组中的图片，其中，左图示出了模板图片组的高频水平方向条纹栅格图片组中的一张图片，右图示出了等效模板图片组的高频水平方向谐波条纹栅格图片组中的一张图片；图3是本专利技术的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法中的模板图片组中的图片和等效模板图片组中的图片，其中，左图示出了模板图片组的低频水平方向条纹栅格图片组中的一张图片，右图示出了等效模板图片组的低频水平方向谐波条纹栅格图片组中的一张图片；图4是本专利技术的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法中的模板图片组中的图片和等效模板图片组中的图片，其中，左图示出了模板图片组的高频竖直方向条纹栅格图片组中的一张图片，右图示出了等效模板图片组的高频竖直方向谐波条纹栅格图片组中的一张图片；图5是本专利技术的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法中的模板图片组中的图片和等效模板图片组中的图片，其中，左图示出了模板图片组的低频竖直方向条纹栅格图片组中的一张图片，右图示出了等效模板图片组的低频竖直方向谐波条纹栅格图片组中的一张图片；图6是本专利技术的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法中的各坐标系的位置关系示意图，其中示出了世界坐标系、相机坐标系和相机的图像坐标系；图7是本专利技术的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法中的标定板的示意图。其中，附图标记说明如下：1投影仪5标定板2相机A1第一区域3平面镜A2第二区域4虚拟相机A3远焦重叠区域具体实施方式下面参照附图来详细说明根据本专利技术的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法。参照图1至图7，本专利技术的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法包括步骤S1、S2、S3及S4。S1：固定远焦结构光测量系统的远焦的投影仪1和远焦的相机2的位置，在靠近相机2的一侧设置一平面镜3，平面镜3倾斜设置，以使相机2在平面镜3中能形成像且将形成的像定义为虚拟相机4，虚拟相机4的视角区域与投影仪1的视角区域能够重叠形成第一区域A1，相机2的视角区域与虚拟相机4的视角区域能够重叠形成第二区域A2，相机2的视角区域与投影仪1的视角区域能够重叠形成远焦重叠区域A3，平面镜3、第一区域A1以及第二区域A2均比远焦重叠区域A3靠近相机2；S2：在第一区域A1中设置一标定板5，使相机2能拍摄到标定板5在平面镜3中的像，标定板5上设有多个标志点51，改变标定板5的位姿共记录M组标定板5的不同位姿posi，i＝1,2,3,...,M；对各位姿posi的标定板5，用投影仪1将模板图片组投影在标定板5上，用相机2拍摄标定板5在平面镜3中的像，共获得M组标定板5上的多个标志点51的标志点中心在世界坐标系下的坐标并计算得到M组标定板5上的多个标志点51的标志点中心在虚拟相机4的图像坐标系下的亚像素级的坐标U0i＝[u0i,v0i]T和M组标定板5上的多个标志点51的标志点中心在投影仪1的图像坐标系下的亚像素级的坐标U'0i＝[u'0i,v'0i]T，利用OpenCV或者Ma本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法，包括步骤：S1：固定远焦结构光测量系统的远焦的投影仪(1)和远焦的相机(2)的位置，在靠近相机(2)的一侧设置一平面镜(3)，平面镜(3)倾斜设置，以使相机(2)在平面镜(3)中能形成像且将形成的像定义为虚拟相机(4)，虚拟相机(4)的视角区域与投影仪(1)的视角区域能够重叠形成第一区域(A1)，相机(2)的视角区域与虚拟相机(4)的视角区域能够重叠形成第二区域(A2)，相机(2)的视角区域与投影仪(1)的视角区域能够重叠形成远焦重叠区域(A3)，平面镜(3)、第一区域(A1)以及第二区域(A2)均比远焦重叠区域(A3)靠近相机(2)；S2：在第一区域(A1)中设置一标定板(5)，使相机(2)能拍摄到标定板(5)在平面镜(3)中的像，标定板(5)上设有多个标志点(51)，改变标定板(5)的位姿共记录M组标定板(5)的不同位姿pos

【技术特征摘要】
1.一种基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法，包括步骤：S1：固定远焦结构光测量系统的远焦的投影仪(1)和远焦的相机(2)的位置，在靠近相机(2)的一侧设置一平面镜(3)，平面镜(3)倾斜设置，以使相机(2)在平面镜(3)中能形成像且将形成的像定义为虚拟相机(4)，虚拟相机(4)的视角区域与投影仪(1)的视角区域能够重叠形成第一区域(A1)，相机(2)的视角区域与虚拟相机(4)的视角区域能够重叠形成第二区域(A2)，相机(2)的视角区域与投影仪(1)的视角区域能够重叠形成远焦重叠区域(A3)，平面镜(3)、第一区域(A1)以及第二区域(A2)均比远焦重叠区域(A3)靠近相机(2)；S2：在第一区域(A1)中设置一标定板(5)，使相机(2)能拍摄到标定板(5)在平面镜(3)中的像，标定板(5)上设有多个标志点(51)，改变标定板(5)的位姿共记录M组标定板(5)的不同位姿posi，i＝1,2,3,...,M；对各位姿posi的标定板(5)，用投影仪(1)将模板图片组投影在标定板(5)上，用相机(2)拍摄标定板(5)在平面镜(3)中的像，共获得M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在世界坐标系下的坐标并计算得到M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在虚拟相机(4)的图像坐标系下的亚像素级的坐标U0i＝[u0i,v0i]T和M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在投影仪(1)的图像坐标系下的亚像素级的坐标U'0i＝[u'0i,v'0i]T，利用OpenCV或者Matlab相机标定工具箱计算得投影仪(1)的内参和投影仪坐标系对虚拟相机坐标系的外参矩阵其中i＝1,2,3,...,M；S3：将标定板(5)设置在第二区域(A2)，使相机(2)能拍摄到标定板(5)和标定板(5)在平面镜(3)中的像，改变标定板(5)的位姿共记录M'次标定板(5)的不同位姿pos'j，j＝2,3,...,M'，分别对不同位姿pos'j的标定板(5)，用相机(2)拍摄标定板(5)和标定板(5)在平面镜(3)中的像，共获得M'组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在世界坐标系下的坐标并计算得到M'组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在相机(2)的图像坐标系下的亚像素级的坐标和M'组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在虚拟相机(4)的图像坐标系下的亚像素级的坐标，利用OpenCV或者Matlab相机标定工具箱计算得相机(2)的内参和虚拟相机坐标系对相机坐标系的外参矩阵S4：根据步骤S2中得到的投影仪坐标系对虚拟相机坐标系的外参矩阵和步骤S3中得到的虚拟相机坐标系对相机坐标系的外参矩阵得到投影仪坐标系对相机坐标系的外参矩阵2.根据权利要求1所述的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法，其特征在于，步骤S2具体包括步骤：S21：在第一区域(A1)中设置标定板(5)，使相机(2)能拍摄到标定板(5)在平面镜(3)中的像，对位姿为posi的标定板(5)得到标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在世界坐标系下的坐标并计算标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在虚拟相机(4)的图像坐标系下的亚像素级的坐标U0i＝[u0i,v0i]T和标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在投影仪(1)的图像坐标系下的亚像素级的坐标U'0i＝[u'0i,v'0i]T，共得到M组标定板(5)的不同位姿posi、M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在世界坐标系下的坐标、M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在虚拟相机(4)的图像坐标系下的亚像素级的坐标U0i＝[u0i,v0i]T和M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在投影仪(1)的图像坐标系下的亚像素级的坐标U'0i＝[u'0i,v'0i]T；S22：根据步骤S21中得到的M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在世界坐标系下的坐标、M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在虚拟相机(4)的图像坐标系下的亚像素级的坐标U0i＝[u0i,v0i]T和M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在投影仪(1)的图像坐标系下的亚像素级的坐标U'0i＝[u'0i,v'0i]T，利用OpenCV或者Matlab相机标定工具箱计算得到虚拟相机(4)的内参、投影仪(1)的内参、标定板(5)在虚拟相机坐标系下的外参矩阵和标定板(5)在投影仪坐标系下的外参矩阵S23：根据步骤S22中得到的标定板(5)在虚拟相机坐标系下的外参矩阵和标定板(5)在投影仪坐标系下的外参矩阵得到投影仪坐标系对虚拟相机坐标系的外参矩阵其中，表示投影仪坐标系对虚拟相机坐标系的旋转矩阵，表示投影仪坐标系对虚拟相机坐标系的平移矩阵。3.根据权利要求2所述的基于平面镜和标定板的远焦结构光测量系统的标定方法，其特征在于，步骤S21中M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在世界坐标系下的坐标的获得与M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在虚拟相机(4)的图像坐标系下的亚像素级的坐标U0i＝[u0i,v0i]T和M组标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在投影仪(1)的图像坐标系下的亚像素级的坐标U'0i＝[u'0i,v'0i]T的计算包括步骤：S211：设计四组二值化条纹栅格图片作为四个模板图片组用于投影仪(1)投影，四个模板图片组分别为低频水平方向条纹栅格图片组、高频水平方向条纹栅格图片组、低频竖直方向条纹栅格图片组以及高频竖直方向条纹栅格图片组，四个模板图片组的条纹周期数分别为nThl、nThh、nTvl、nTvh，其中，取nThl＝1，nTvl＝1，每个模板图片组均有N张图片，四个模板图片组将用于由投影仪(1)投影以得到四个等效模板图片组，即为低频水平方向谐波条纹栅格图片组、高频水平方向谐波条纹栅格图片组、低频竖直方向谐波条纹栅格图片组图片、高频竖直方向谐波条纹栅格图片组；S212：对位姿为posi的标定板(5)，得到标定板(5)上的多个标志点(51)的标志点中心在世界坐标系下的坐标；S213：用投影仪(1)将一张全白投影图片投影在位姿为posi的标定板(5)上，并用相机(2)拍摄标定板(5)在平面镜(3)中的像得第一图片C0i，然后用投影仪(1)将步骤S211中的四个模板图片组依次投影在标定板(5)上，并用相机(2)拍摄此时标定板(5)在平面镜(3)中的像得到第一标定板像图片组、第二标定板像...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐静，王朋，刘顺涛，陈恳，郑林斌，陈雪梅，何凤涛，刘大鹏，郭喜锋，
申请(专利权)人：清华大学，成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11