一种相位偏折术测量系统标定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种相位偏折术测量系统标定方法及系统，该方法采用平行阶梯平面镜对显示屏幕反射成像，位姿关系中旋转矩阵可通过一个平行平面镜位置获得，位姿关系中平移矩阵只需改变一次平行阶梯平面镜位置，通过线性求解，可大大简化标定过程和降低测量成本，使标定过程更加自由和高效。

A system calibration method and system for phase deflection measurement

The invention discloses a phase measuring deflectometry system calibration method and system, the method adopts parallel step to screen plane mirror reflection imaging showed that the rotation matrix pose relation is obtained by a parallel plane mirror position, the position relation in translation matrix change only one step parallel plane mirror position by linear to solve, can greatly simplify the calibration process and reduce the cost of measurement, which makes the calibration process more efficient and free.

【技术实现步骤摘要】
一种相位偏折术测量系统标定方法及系统
本专利技术涉及光学测量领域，尤其涉及一种相位偏折术测量系统标定方法及系统。
技术介绍
针对镜面反射表面的三维测量，根据镜面反射特性，众多学者提出了利用相位测量偏折术来测量镜面面形，其原理是根据相位信息确定镜面表面的梯度信息，通过梯度积分或插值等方法确定面形。在相位测量偏折术测量方法中，不在相机视场中的显示屏幕和相机位姿关系的标定是其关键技术。在现有的标定技术中，Petz提出采用表面贴上控制点的标定镜来标定偏折术测量系统的位姿关系，其上的控制点需要经过识别和摄影测量方法测得精确坐标。标志点的测量误差对系统位姿关系标定结果影响较大，且对标志点的测量会增加测量时间和测量成本。肖永亮等提出采用镜面标定法标定偏折术系统位姿关系，采用平面镜对显示屏幕反射成像，根据建立的显示屏幕和其在平面镜中虚像的位姿关系进行线性求解确定系统位姿关系。由于至少需要平面镜的位置改变3次，相机需要获取多幅镜面反射的条纹图案，操作较为复杂，效率较低。而且镜面标定法中线性求解通常对噪声敏感，系统位姿关系标定结果精度与平面镜到相机的距离和平面镜转动角度均有关系。付生鹏等提出采用圆环镜面标定系统位姿关系，首先通过椭圆检测确定圆环镜面在相机坐标系下的位姿，继而根据平面镜镜像原理确定显示屏幕和相机的位姿关系。环形镜面的加工较为复杂，并且由于环形镜面的特殊形状，导致在反射某些形状的参照物时(比如棋盘格标定板)，相机无法获取参照物的完整虚像。Xiao等采用姿态转换法标定系统位姿关系，通过引入辅助相机和辅助显示器，通过辅助显示器连接两个相机和辅助相机，通过姿态转换确定系统位姿关系。辅助相机和显示器的引入增加了成本，且使得标定过程变得复杂。如何进行有效简单的系统位姿关系标定，是相位偏折术测量的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的在于通过一种相位偏折术测量系统标定方法及系统，来解决以上
技术介绍
部分提到的问题。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种相位偏折术测量系统标定方法，其包括如下步骤：S101、相机通过平行阶梯平面镜观测到显示屏幕在平行阶梯平面镜中的两个虚像；S102、通过PnP方法获得所述显示屏幕在平行阶梯平面镜中的两个虚像在相机坐标系下的位姿关系；所述两个虚像在相机坐标系下的位姿关系中平移矩阵的连线为平行阶梯平面镜法线；其中，所述PnP方法是通过已知n个控制点的空间位置信息以及他们的像点信息来计算这n个控制点在相机坐标系下的位置姿态。S103、基于所述平行阶梯平面镜法线，通过镜像原理获得所述位姿关系中的旋转矩阵；S104、改变一次平行阶梯平面镜位置，建立显示屏幕镜像平移矩阵的约束关系，通过线性求解获得所述位姿关系中的平移矩阵。特别地，所述步骤S102具体包括：通过PnP方法获得所述显示屏幕在平行阶梯平面镜中的两个虚像在相机坐标系下的位姿关系和建立显示屏幕上特征点pi关于平行阶梯平面镜镜像点pi'的齐次表达式：为平行阶梯平面镜在相机坐标系下的法向，di为镜面到相机的距离；当采用两个平行镜面反射显示屏幕时，相机观测到显示屏幕在镜面中两个平行虚像；通过PnP方法求解得到的显示屏幕平行虚像在相机坐标系下的位姿关系为和其中，显示屏幕坐标系为右手坐标系，其在镜面内虚像为左手坐标系，在计算时，需将左手坐标系{s1′}和{s2′}变换为右手系{s1″}和{s2″}，变换关系可表示为如下形式：I为3阶单位阵。特别地，所述步骤S103具体包括：根据平面镜镜像原理建立显示屏幕虚像和显示屏幕的位姿关系：和cRs、cTs之间的基本关系具体为：由两个显示屏幕虚像位姿关系中平移矩阵相减确定平行阶梯平面镜法线，将此法线带入上述公式(4)或公式(5)即可获得位姿关系中的旋转矩阵。特别地，所述步骤S104具体包括：位姿关系中平移矩阵的求解需改变一次平行阶梯平面镜的位置，在新位置重复步骤S103，获得在新位置下平行阶梯平面镜法线两个显示屏幕虚像在相机坐标系下的平移矩阵和建立如下线性方程组：求解上述公式(6)即可确定位姿关系中的平移矩阵。本专利技术还公开了一种相位偏折术测量系统标定系统，其包括相机、显示屏幕及平行阶梯平面镜；所述相机用于获取相移图案；所述显示屏幕用于投射相移图案；所述平行阶梯平面镜用于反射显示屏幕相移图案。本专利技术提出的相位偏折术测量系统标定方法及系统采用平行阶梯平面镜对显示屏幕反射成像，位姿关系中旋转矩阵可通过一个平行平面镜位置获得，位姿关系中平移矩阵只需改变一次平行阶梯平面镜位置，通过线性求解，可大大简化标定过程和降低测量成本，使标定过程更加自由和高效。附图说明图1为本专利技术实施例提供的相位偏折术测量系统标定原理图；图2为本专利技术实施例提供的相位偏折术测量系统标定方法流程图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。请参照图1所示，本实施例中相位偏折术测量系统标定系统具体包括相机1、显示屏幕2及平行阶梯平面镜3；所述相机1用于获取相移图案；所述显示屏幕2用于投射相移图案；所述平行阶梯平面镜3用于反射显示屏幕2相移图案。标定相位偏折术测量系统的位姿关系，具体为相机1和不直接在其视场范围内的显示屏幕2之间的位姿关系，位姿关系包括旋转矩阵和平移矩阵。如图2所示，基于上述相位偏折术测量系统标定系统，本实施例中相位偏折术测量系统标定方法具体包括如下步骤：S101、相机1通过平行阶梯平面镜3观测到显示屏幕2在平行阶梯平面镜3中的两个虚像。在本实施例中所述平行阶梯平面镜3由两个平行平面镜组成，每个平面镜的平面度应小于1微米，两个平行平面镜的法线偏差小于0.01度。S102、通过PnP方法获得所述显示屏幕2在平行阶梯平面镜3中的两个虚像在相机坐标系下的位姿关系；所述两个虚像在相机坐标系下的位姿关系中平移矩阵的连线为平行阶梯平面镜3法线。其中，所述PnP方法是通过已知n个控制点的空间位置信息以及他们的像点信息来计算这n个控制点在相机坐标系下的位置姿态。通过PnP方法获得所述显示屏幕2在平行阶梯平面镜3中的两个虚像在相机坐标系下的位姿关系和建立显示屏幕2上特征点pi关于平行阶梯平面镜3镜像点pi'的齐次表达式：为平行阶梯平面镜3在相机坐标系下的法向，di为镜面到相机1的距离；当采用两个平行镜面反射显示屏幕2时，相机1观测到显示屏幕2在镜面中两个平行虚像；通过PnP方法求解得到的显示屏幕2平行虚像在相机坐标系下的位姿关系为和其中，显示屏幕2坐标系为右手坐标系，其在镜面内虚像为左手坐标系，在计算时，需将左手坐标系{s1'}和{s2'}变换为右手系{s1″}和{s2″}，变换关系可表示为如下形式：I为3阶单位阵。S103、基于所述平行阶梯平面镜3法线，通过镜像原理获得所述位姿关系中的旋转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相位偏折术测量系统标定方法，其特征在于，包括如下步骤：S101、相机通过平行阶梯平面镜观测到显示屏幕在平行阶梯平面镜中的两个虚像；S102、通过PnP方法获得所述显示屏幕在平行阶梯平面镜中的两个虚像在相机坐标系下的位姿关系；所述两个虚像在相机坐标系下的位姿关系中平移矩阵的连线为平行阶梯平面镜法线；S103、基于所述平行阶梯平面镜法线，通过镜像原理获得所述位姿关系中的旋转矩阵；S104、改变一次平行阶梯平面镜位置，建立显示屏幕镜像平移矩阵的约束关系，通过线性求解获得所述位姿关系中的平移矩阵。

【技术特征摘要】
1.一种相位偏折术测量系统标定方法，其特征在于，包括如下步骤：S101、相机通过平行阶梯平面镜观测到显示屏幕在平行阶梯平面镜中的两个虚像；S102、通过PnP方法获得所述显示屏幕在平行阶梯平面镜中的两个虚像在相机坐标系下的位姿关系；所述两个虚像在相机坐标系下的位姿关系中平移矩阵的连线为平行阶梯平面镜法线；S103、基于所述平行阶梯平面镜法线，通过镜像原理获得所述位姿关系中的旋转矩阵；S104、改变一次平行阶梯平面镜位置，建立显示屏幕镜像平移矩阵的约束关系，通过线性求解获得所述位姿关系中的平移矩阵。2.根据权利要求1所述的相位偏折术测量系统标定方法，其特征在于，所述步骤S102具体包括：通过PnP方法获得所述显示屏幕在平行阶梯平面镜中的两个虚像在相机坐标系下的位姿关系和建立显示屏幕上特征点pi关于平行阶梯平面镜镜像点pi'的齐次表达式：为平行阶梯平面镜在相机坐标系下的法向，di为镜面到相机的距离；当采用两个平行镜面反射显示屏幕时，相机观测到显示屏幕在镜面中两个平行虚像；通过PnP方法求解得到的显示屏幕平行虚像在相机坐标系下的位姿关系为和其中，显示屏幕坐标系为右手坐标系，其在镜面内虚像为左手坐标系，在计算时，需将左手坐标系{s1'}和{s2'}变换为右手系{s1”}和{s2”}，变换关系可表示为如下形式：I为3阶单位阵。3.根据权利要求2所述的相位偏折术测量系统标定方法，其特征在于，所述步骤S103具体包括：根据平面镜镜像原理建立显示屏幕虚像和显示屏幕的位姿关系：

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭，李晨，王文超，
申请(专利权)人：华中科技大学无锡研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32