离焦数字条纹投影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离焦数字条纹投影标定装置及方法，包括系统离焦情况下相机参数标定，系统离焦情况下投影仪参数标定，求得待测物体相位信息与空间深度信息之间的更精确的转化关系等步骤，本发明专利技术所公开的装置用于通过对物体进行结构光投影的方法，获取待测物体位置的的绝对相位信息，由于商用投影仪非线性效应的存在，借助离焦的方式获取近似于标准正弦的投影条纹，本发明专利技术标定的关键目的是更好的转化绝对相位和物体高度，通过这个装置获取绝对相位，也在此装置统中进行标定，提高测量精度，改善高度变化区域检测结果的误差。

【技术实现步骤摘要】
离焦数字条纹投影标定装置及方法
本专利技术涉及标定领域，具体地说，是一种离焦数字条纹投影标定装置及方法。
技术介绍
基于参考平面的标定方法，因其易用性，在数字条纹投影技术中被广泛应用。基于参考平面的标定方法可以将解包裹相位转换成z方向的深度信息。前期通过离焦结构光三维投影技术、相移法可以得到待测模型的绝对相位信息，接下去可以利用参考平面法确定绝对相位与空间深度信息之间联系。实际操作时，可以利用已知参数的标准正方体进行测量，确定相位与高度的对应关系。主要缺陷在于：(1)基于参考平面的标定方法并不是一种精度很高的标定方法，在高度变化区域误差明显；(2)基于参考平面的标定方法在原理推导上就不允许物体有较大的深度变化范围，其相对的测量范围有限；(3)基于参考平面的标定方法需要投影仪在对焦状态下，才能进行正常的标定工作。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术提出的技术问题所作出的改进，通过标定技术，在离焦状态下建立相机像素面与投影仪像素面之间的一一对应关系，提高相位信息与深度信息之间的转化精度。适用于离焦状态，可以与前期离焦测量物体绝对相位组成一个系统，避免引入因设备调整而导致的误差。本专利技术是采用以下技术方案来实现的：本专利技术公开了一种离焦数字条纹投影标定装置，包括如下：相机：用于获取形变后的正弦条纹；投影仪：用于往待测物体上投影正弦条纹；圆点标定板：用于相机以及投影仪标定使用。所述的投影仪与相机分别与计算机相连，所述的投影仪与相机位于圆点标定板的正上方区块。该装置用于通过对物体进行结构光投影的方法，获取待测物体位置的的绝对相位信息。由于商用投影仪非线性效应的存在，我们借助离焦的方式获取近似于标准正弦的投影条纹，本专利技术标定的关键目的是更好的转化绝对相位和物体高度，通过这个装置获取绝对相位，也在此装置统中进行标定。作为进一步地改进，本专利技术所述的圆点标定板为白圆黑底标定板。在离焦情况下，依然可以通过圆心作为标记点进行投影线和相机的标定，若采用黑白棋盘格，离焦情况下交点模糊，不利于标定工作。本专利技术还公开了一种离焦数字条纹投影标定方法,包括如下步骤：1)、系统离焦情况下相机参数标定；2)、系统离焦情况下投影仪参数标定；3)、求得待测物体相位信息与空间深度信息之间的更精确的转化关系。作为进一步地改进，具体包括如下步骤：步骤1：将白圆黑底标定板放置在离焦数字条纹投影标定装置中，投影水平条纹，获取水平绝对相位φh；步骤2：投影仪投影竖直条纹到白圆黑底标定板上，获取垂直绝对相位φv；步骤3：投影仪投影白光，通过白光获取白圆黑底标定板的圆心位置，然后获取相机标定参数；步骤4：根据上一步获得的圆心位置，通过水平绝对相位φh和垂直绝对相位φv，寻找相机像素与投影仪像素之间的一一映射关系，然后获取投影仪标定参数；如果只投影横向条纹或者竖向条纹，那么物体上的点与绝对相位之间并不是一一映射的关系，而是一对多的映射关系，因为只投影一个方向的条纹，那么物体上一点的相位信息会与投影仪内部一条线上的像素相位信息对应，这显然无法满足要求，根据基本的数学原理，可以通过两条相交的直线确定一个点的位置，只需投影与原先投影条纹垂直方向的数字条纹解决问题。步骤5：重复步骤1～4，采集不同位置的标定板图案；步骤6：利用OpenCV工具箱进行标定；步骤7：求得待测物体相位信息与空间深度信息之间的转化关系。作为进一步地改进，本专利技术所述的相机标定参数通过以下公式(1)获取Ac、Rc、tc矩阵参数：建立世界坐标系与像素坐标系之间的关系：scIc＝Ac[Rc,tc]Xw(1)式中，Ic＝(uc,vc,1)T是图像平面的齐次坐标，Xw＝(xw,yw,zw,1)T表示世界坐标下的齐次坐标，sc表示比例因子，Ac表示相机内参矩阵，[Rc,tc]是相机的外部参数，其中Rc是3×3的矩阵，表示世界坐标系和相机坐标系的旋转变换，tc是3×1的向量，表示世界坐标系和相机坐标系的平移变换。作为进一步地改进，本专利技术所述的投影仪标定参数通过以下公式(2)获取Ap、Rp、tp矩阵参数：spIp＝Ap[Rp,tp]Xw(2)式中，Ip＝(up,vp,1)T是投影面的齐次坐标，Xw＝(xw,yw,zw,1)T表示世界坐标下的齐次坐标，sp表示比例因子，Ap表示相机内参矩阵，[Rp,tp]是投影仪的外部参数，Rp表示旋转矩阵，tp表示平移向量，Ap是投影仪的内部参数矩阵。作为进一步地改进，本专利技术所述的步骤2中，通过相移法确定标定板圆心的绝对相位，步骤4中，通过绝对相位的大小将相机像素面与投影仪像素面之间建立对应关系。作为进一步地改进，本专利技术所述的步骤7的具体步骤如下：在数字条纹投影系统系统中得到了待测物体表面某一点的绝对相位信息，假设该点的相位值大小φa，坐标为(uc,vc)，对应在投影仪像素平面上相位值大小为φa的一条线。结合式(1)与式(2)，总共存在7个未知数sc，sp，xw，yw，zp，up，vp，只有6个方程，令Hc＝Ac[Rctc]，Hp＝Ap[Rptp]：通过步骤3中相机标定，获取了相机和摄像机的内、外参矩阵，为了下文更好的表示，这边用H对来表示内、外参矩阵的乘积。在数字条纹离焦投影中，物体表面某一点的绝对相位可以通过解包裹方式得到物体表面的相位信息φa和条纹周期T以及位置信息up之间的转化关系，方程为：up＝φa×T/2π(6)结合式(1)至式(6)，可以得到：得其中的空间深度信息z。本专利技术的有益效果如下：1)、本专利技术所公开的装置用于通过对物体进行结构光投影的方法，获取待测物体位置的的绝对相位信息，由于商用投影仪非线性效应的存在，借助离焦的方式获取近似于标准正弦的投影条纹，本专利技术标定的关键目的是更好的转化绝对相位和物体高度，通过这个装置获取绝对相位，也在此装置统中进行标定；2)、本专利技术所用的圆点标定板为白圆黑底标定板，在离焦情况下，依然可以通过圆心作为标记点进行投影线和相机的标定，若采用黑白棋盘格，离焦情况下交点模糊，不利于标定工作。3)、本专利技术标定方法的步骤中，获得的圆心位置，通过水平绝对相位φh和垂直绝对相位φv，寻找相机像素与投影仪像素之间的一一映射关系，然后获取投影仪标定参数；该技术步骤，如果只投影横向条纹或者竖向条纹，那么物体上的点与绝对相位之间并不是一一映射的关系，而是一对多的映射关系，因为只投影一个方向的条纹，那么物体上一点的相位信息会与投影仪内部一条线上的像素相位信息对应，这显然无法满足要求，根据基本的数学原理，可以通过两条相交的直线确定一个点的位置，只需投影与原先投影条纹垂直方向的数字条纹解决问题；4)、提高测量精度，改善高度变化区域检测结果的误差；5)、避免因调节设备而引入的人工误差；现有技术用离焦系统测物体相位信息，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离焦数字条纹投影标定装置，其特征在于，包括如下：/n相机：用于获取形变后的正弦条纹；/n投影仪：用于往待测物体上投影正弦条纹；/n圆点标定板：用于相机以及投影仪标定使用；/n所述的投影仪与相机分别与计算机相连，所述的投影仪与相机位于圆点标定板的正上方区块。/n

【技术特征摘要】
1.一种离焦数字条纹投影标定装置，其特征在于，包括如下：
相机：用于获取形变后的正弦条纹；
投影仪：用于往待测物体上投影正弦条纹；
圆点标定板：用于相机以及投影仪标定使用；
所述的投影仪与相机分别与计算机相连，所述的投影仪与相机位于圆点标定板的正上方区块。


2.根据权利要求1所述的离焦数字条纹投影标定装置，其特征在于，所述的圆点标定板为白圆黑底标定板。


3.一种如权利要求1或2所述的离焦数字条纹投影标定方法，其特征在于,包括如下步骤：
1)、系统离焦情况下相机参数标定；
2)、系统离焦情况下投影仪参数标定；
3)、求得待测物体相位信息与空间深度信息之间的更精确的转化关系。


4.根据权利要求3所述的的离焦数字条纹投影标定方法，其特征在于,具体包括如下步骤：
步骤1：将白圆黑底标定板放置在离焦数字条纹投影标定装置中，投影水平条纹，获取水平绝对相位φh；
步骤2：投影仪投影竖直条纹到白圆黑底标定板上，获取垂直绝对相位φv；
步骤3：投影仪投影白光，通过白光获取白圆黑底标定板的圆心位置，然后获取相机标定参数；
步骤4：根据上一步获得的圆心位置，通过水平绝对相位φh和垂直绝对相位φv，寻找相机像素与投影仪像素之间的一一映射关系，然后获取投影仪标定参数；
步骤5：重复步骤1～4，采集不同位置的标定板图案；
步骤6：利用OpenCV工具箱进行标定；
步骤7：求得待测物体相位信息与空间深度信息之间的转化关系。


5.根据权利要求4所述的离焦数字条纹投影标定方法,其特征在于，所述的相机标定参数通过以下公式(1)获取Ac、Rc、tc矩阵参数：建立世界坐标系与像素坐标系之间的关系：
scIc＝Ac[Rc,tc]Xw(1)
式中，Ic＝(uc,vc,1)T是图像平面的齐次坐标，Xw＝(xw,yw,zw,1)T表示世界坐标下的齐次坐标，sc表示比例因...

【专利技术属性】
技术研发人员：林斌，孟森森，
申请(专利权)人：浙江四点灵机器人股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33