基于一维线结构光的三维测量系统标定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置及方法，包括遮光板台，投影仪台，底座，遮光板和投影光接收板。可以将一维线结构光图案变为二维阵列图案。使用步骤包括：使用一维线结构光投影仪投射编制好的结构光，并调整好角度和位置以保证垂直关系；选择合适的位置固定遮光板；使用遮光板对投射光进行遮挡，使遮挡后的投影图案符合使用要求；获得举行阵列图案后介绍了后续的标定过程。该发明专利技术很好的降低了一维线结构光投影设备的标定难度，提高了标定效率。

Calibration device and method of three-dimensional measurement system based on one-dimensional linear structured light

The invention discloses a calibration device and method of a three-dimensional measurement system based on one-dimensional linear structured light, including a shading plate platform, a projector platform, a base, a shading plate and a projection light receiving plate. One-dimensional linear structured light pattern can be transformed into two-dimensional array pattern. The usage steps include: using one-dimensional structured light projector to project structured light, adjusting the angle and position to ensure the vertical relationship; choosing the appropriate position to fix the shading plate; using the shading plate to shield the projection light, so that the shaded projection pattern meets the usage requirements; after obtaining the array pattern, introducing the subsequent calibration process. The invention reduces the calibration difficulty of one-dimensional structured light projection equipment and improves the calibration efficiency.

【技术实现步骤摘要】
基于一维线结构光的三维测量系统标定装置及方法
本专利技术属于光学三维测量领域，具体涉及一种基于一维线结构光的的三维测量系统标定装置。
技术介绍
一维线结构光的三维测量系统具有测量精度高，测量速度快，信息量大等优点，在逆向工程，人脸识别，工业测量等领域具有广泛的应用。一般的测量过程包括：用投影设备向目标物体投射结构光编码图案，再用摄像机同步拍摄，通过解码建立三角测距模型，进而获得目标物体的三维坐标。标定摄像机和投影设备各自的内部参数以及投影设备和摄像机之间的位置关系是结构光测量系统的首要步骤；目前结构光三维测量系统的传统标定技术一般先标定摄像机，随后使用投影设备投影出特殊的二维图案，提前获得投影图案的各特征点的二维像素坐标，通过已经获知的摄像机的标定参数计算获得投影图案各特征点的空间坐标，建立二维像素坐标和空间坐标的对应关系，再使用摄像机标定技术对投影设备进行标定。传统的摄像机标定方法主要包括两步法，张正友法等，这些方法也可以应用到投影设备的标定中。张正友法：1998年由张正友提出，使用一张标定靶标，靶标上均匀分布NxN个正方形阵列，提取角点坐标(u，v)，设置空间坐标系，计算单应性矩阵，进而获得摄像机的内外部参数。应用张正友法标定投影设备时，将投影设备假想为逆向的摄像机，使用投影设备投影NxN均匀分布的矩形阵列，矩形阵列各角点的像素坐标(u’，v’)便已知，投影到靶标上后，通过摄像机的标定参数可以计算获得矩形阵列各角点的空间坐标(X’，Y’，Z’)，由此计算单应性矩阵，获得投影设备的内外部参数。张正友法不需要提前获知部分内部参数，操作简单，精度较好。两步法：Tsai在1982年提出，使用一张标定靶标，靶标上均匀分布NxN个正方形阵列，提取正方形阵列的角点坐标(u，v)，设置空间坐标系，在已经获知部分焦距等内部参数的前提下，通过线性方法获得摄像机剩余内部参数，使用非线性方法求解摄像机的畸变因子。使用两步法标定投影设备时，处理方式与张正友法标定投影设备类似，将投影设备假想为逆向的摄像机，根据实际情况，给出投影设备的部分内部参数，使用投影设备投影NxN均匀分布的矩形阵列，矩形阵列各角点的像素坐标(u’，v’)便已知，投影到靶标上后，通过摄像机的标定参数可以计算获得矩形阵列各角点的空间坐标(X’，Y’，Z’)，随后使用标定摄像机时的方法对投影设备进行标定。此方法需要提前获知部分内部参数，效率不高。以上方法发展较早，在相关领域的应用已非常普遍，达到了良好的效果，但必须使投影设备产生均匀分布的矩形阵列或棋盘格图案来作为标定图案。一维线结构光投影设备无法投影二维图案，只能投影一维线结构光，直接导致以上成熟的标定方法均不能够应用在具有此类投影设备的三维测量系统的标定中。
技术实现思路
为了能够采用成熟的标定方法标定具有一维线结构光投影设备的三维测量系统，本专利技术提供一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置及方法，使基于线光源的一维线结构光投影设备能够产生二维标定图案。一维线结构光投影设备只能在一个方向(如Y轴)投影等高的线，这条线在在另一个方向(如X轴方向)快速移动，从而产生不同形式的投影图案，但这些图案在Y轴方向都只能是连续的直线，不能产生间断，因此不能产生二维图案，如类似矩形阵列或者棋盘格的图案。由于需要一种二维图案才能够完成标定，如果在标定时，使用特殊方法使一维线结构光的投影设备能够在Y轴方向产生间断，生成一个二维图案，如矩形阵列，就可以使用张正友标定法等方法完成标定，方便地对该测量系统进行标定。为实现上述目的，本专利技术的技术解决方案是提供一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特殊之处在于：包括遮光板，一维线结构光投影设备与遮光板的角度、位置均可调；上述遮光板与一维线结构光投影设备中心光轴线垂直；上述遮光板包括遮光区域与透光区域；调整一维线结构光投影设备投影出N条条纹光至遮光板，出射光通过遮光板，获得二维图案，上述N为大于等于1的正整数。使用一块遮光区域已知的极薄遮光板，将遮光板和投影仪放置于可以调整角度和位置的标定装置上，通过投影设备和极薄遮光板联合工作，遮光板对投影出的N条等宽条纹光的纵向结构进行遮挡，使其在纵轴产生合适的间断，从而产生适于标定使用的二维明暗图案，标定完成后开始使用时，再移除遮光板。优选地，该标定装置还包括用于固定遮光板的遮光板台、用于固定一维线结构光投影设备的投影设备台及用于固定遮光板台与投影设备台的底座；上述遮光板台能够沿底座平移；底座上设置有与底座垂直的Y向转轴，上述投影设备台能够自转并同时能够绕Y向转轴转动。优选地，上述底座上设有转向块，转向块上设置有与底座垂直的Y向转轴及与遮光板平行的Z向转轴，上述Y向转轴一端与转向块固连，另一端位于底座内且能够在底座内自由转动，Y向转轴转动带动投影设备台绕Y向转轴转动；所述Z向转轴穿过转向块，Z向转轴的两端与投影设备台固连，Z向转轴转动带动投影设备台实现自转。优选地，该标定装置还包括设置于底座上表面延伸至一维线结构光投影设备台的第一标记线，上述第一标记线过底座表面中心且与遮光板所在平面垂直；还包括投影光接收板，用于接收投影光，上述投影光接收板与一维线结构光投影设备相对的表面有第二标记线，上述第二标记线过投影光接收板表面中心且与第一标记线的延伸线垂直相交。优选的，上述遮光板为厚度小于0.2mm的有特定图形镂空的金属、陶瓷等其他材质的薄板，或分布有特定图形、且特定图形为不透光薄膜形成的透明玻璃板或透明有机复合板，如菲林片等。优选地，为了操作计算方便，上述遮光板包括边框与M个遮光条，上述遮光条分布在边框内，且每个遮光条的两端分别与边框的两个相对边固连；遮光条的分布方向与一维线结构光投影设备的投影光线在遮光板所在平面内相互垂直，上述M为大于1的正整数。优选地，为了更进一步的简化计算，上述遮光条均匀分布。优选地，上述遮光板台上还设置有矩形框，所述遮光板粘接于矩形框内。本专利技术还提供一种利用上述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置的标定方法，包括以下步骤：步骤一、控制一维线结构光投影设备产生明暗相间的条纹光；步骤二、调整一维线结构光投影设备的角度，使一维线结构光投影设备的中心光轴线沿着第一标记线出射；步骤三、放置标定靶标；步骤四、安装遮光板，调整遮光板的位置，确保投影图案的边界通过遮光板，一维线结构光投影设备的出射光经遮光板投影至标定靶标的平面上，获得二维图案；步骤五、根据投影图案和遮光区域的尺寸，获得投影出的二维图案的各角点在投影图案中对应的二维像素坐标，及二维图案的各角点对应的三维空间坐标，建立二维像素坐标和空间坐标的对应关系；步骤六、利用张正友法计算出一维线结构光投影设备内外部参数，完成整个系统的标定。优选地，步骤一中首先将一维线结构光投影设备放置于投影设备台的中心位置，通过投影设备台控制一维线结构光投影设备沿一维方向产生明暗相间的条纹；将一维线结构光投影设备产生明暗相间的条纹投影至投影光接收板上；步骤二中使得一维线结构光投影设备的中心光轴线最终打在投影光接收板的第二标记线上，用标定靶标代替投影光接收板；步骤四中将遮光板安装在遮光板台上。本专利技术的有益效果是：使不能够直接进行二维投影的线结构光投影设备，例如一维MEMS振镜，能够产生适用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：包括遮光板，一维线结构光投影设备与遮光板的角度、位置均可调；所述遮光板与一维线结构光投影设备中心光轴线垂直；所述遮光板包括遮光区域与透光区域；调整一维线结构光投影设备投影出N条条纹光至遮光板，出射光通过遮光板，获得二维图案，所述N为大于等于1的正整数。

【技术特征摘要】
1.一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：包括遮光板，一维线结构光投影设备与遮光板的角度、位置均可调；所述遮光板与一维线结构光投影设备中心光轴线垂直；所述遮光板包括遮光区域与透光区域；调整一维线结构光投影设备投影出N条条纹光至遮光板，出射光通过遮光板，获得二维图案，所述N为大于等于1的正整数。2.根据权利要求1所述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：还包括用于固定遮光板的遮光板台、用于固定一维线结构光投影设备的投影设备台及用于固定遮光板台与投影设备台的底座；所述遮光板台能够沿底座平移；底座上设置有与底座垂直的Y向转轴，所述投影设备台能够自转并同时能够绕Y向转轴转动。3.根据权利要求2所述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：所述底座上设有转向块，转向块上设置有与底座垂直的Y向转轴及与遮光板平行的Z向转轴，所述Y向转轴一端与转向块固连，另一端位于底座内且能够在底座内自由转动，Y向转轴转动带动投影设备台绕Y向转轴转动；所述Z向转轴穿过转向块，Z向转轴的两端与投影设备台固连，Z向转轴转动带动投影设备台实现自转。4.根据权利要求3所述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：还包括设置于底座上表面延伸至一维线结构光投影设备台的第一标记线，所述第一标记线过底座表面中心且与遮光板所在平面垂直；还包括投影光接收板，用于接收投影光，所述投影光接收板与一维线结构光投影设备相对的表面有第二标记线，所述第二标记线过投影光接收板表面中心且与第一标记线的延伸线垂直相交。5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：所述遮光板为厚度小于0.2mm的有特定图形镂空的金属板、陶瓷板或其他材质的板，或分布有特定图形、且特定图形为不透光薄膜形成的透明玻璃板或透明有机复合板。6.根据权利要求5所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迪，乔大勇，宋秀敏，
申请(专利权)人：西安知微传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61