基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法及其应用组成比例

本发明专利技术公开了一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法及其应用，其通过对结构光组成相机与投影仪的内、外参数与畸变模型进行预先标定；在对应点匹配过程中，针对任意一个去畸变后的相机像素点与其测量相位值，对因畸变发生变形的投影仪极线进行采样、拟合，得到其对应在投影仪成像面上的弯曲极线方程；再利用测量相位值在投影仪成像面上构造等相位线，并计算其与弯曲极线的交点，最终得到与相机像素点相对应的高精度投影仪畸变像素点。对畸变对应点进行去畸变计算，可用于结构光轮廓仪的高精度三维重建或系统标定。

【技术实现步骤摘要】
基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法及其应用
本专利技术属于相位测量轮廓
，更具体地，涉及一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法及其应用。
技术介绍
条纹投影结构光轮廓仪或相位测量轮廓仪主要由计算机、相机和投影仪构成。由于镜头的制造工艺与装配误差等因素，相机或投影仪在其成像平面上的实际像素点与其在小孔成像模型下的理想像素点往往不重合，实际像点与理想像点之差便是畸变误差。畸变误差使得基于光学三角法的三维表面重建出现系统误差。由于投影器件相对光轴的非对称设置，投影仪的畸变一般比相机要大。并且由于投影仪无法像相机那样获取图像，所以投影仪像素点的畸变去除较相机像素点的畸变去除要复杂很多。目前，相机的畸变去除一般可以预先为每个像素点计算出对应的去畸变像素点，得到一个去畸变查找表；之后，各像素点去畸变计算只需查表即可。然而，针对每个去畸变相机像素点，准确地找到与之对应的投影仪像素点并去除其相应的畸变，目前尚没有较好的办法。为提高三维测量系统的测量精度，必需开发高精度的投影仪对应点匹配方法。Meza等在2020年Proc.ofSPIE(vol.11397,p.113970D)的论文“Whatisthebesttriangulationapproachforastructuredlightsystem？”中调研并比对了多种结构光三维重建算法以及相应的投影仪对应点去畸变方法。这包括以下几种方案。(1)投影双向条纹并结合相位映射搜索畸变对应点，再去除其畸变。该方法在理论上是严格准确的，但需要投影两组条纹，无法适用于高速测量。(2)投影单向条纹并结合极线约束找到畸变对应点，再去畸变。该方法使用线性极线约束进行对应点搜索，忽略了因为畸变造成极线弯曲的事实，精度较低。(3)投影单向条纹并结合极线约束找到畸变对应点，去畸变后但仅使用u维坐标进行重建。该方法在本质上是使用了两次极线约束，较前一种方法精度有所提升；但由于仍然使用了线性极线的近似，仍然存有一定的残余误差。
技术实现思路
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法及其应用，其目的在于解决高精度结构光轮廓仪或相位测量轮廓仪的系统标定或离线测量的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法，该方法包括如下步骤：S1.对极线采样系统进行标定，包括获取相机内参数、外参数以及畸变模型，和投影仪内参数、外参数以及畸变模型；S2.利用任意一个去除畸变后的相机像素点与对应的测量相位值，获取相机像素点对应在投影仪成像面上的若干畸变极线采样点，拟合畸变极线采样点得到畸变极线；S3.利用测量相位值在投影仪成像面上构造等相位线，并计算等相位线与所述畸变极线的交点，以得到与相机像素点对应的高精度投影仪畸变像素点。作为本专利技术的进一步改进，投影仪的畸变模型用于表征任一投影仪实际畸变像素点坐标m′与其理想无畸变坐标m之间的映射关系，投影仪的畸变模型具体为：其中，F(m)为参数化畸变模型，f(m)为残余畸变模型。作为本专利技术的进一步改进，参数化畸变模型利用如下参数方程得到：其中，[x，y]为投影仪理想无畸变像素点坐标[u，v]基于投影方程[u，v，1]T＝A[x，y，1]T的归一化坐标，[x′，y′]为投影仪实际畸变像素点坐标[u′，v′]基于投影方程[u′，v′，1]T＝A[x′，y′，1]T的归一化坐标，A是相机内参矩阵，k＝[k1，k2，k3]为径向畸变参数，ρ＝[ρ1，ρ2]为切向畸变参数，r2＝x2+y2。作为本专利技术的进一步改进，获取残余畸变模型包括：通过使用步骤S1中的标定数据，计算每一个有效相机像素点所对应的参数化模型坐标F(m)与经由相位映射得到的投影仪实际畸变像素点坐标m′之差，并经拟合降噪来获得。作为本专利技术的进一步改进，步骤S2包括：S21：针对一去除畸变后的相机像素点mc与其测量相位首先在投影仪成像面上沿某维度方向抽取若干一维采样点坐标{u1，u2，...，uK}；S22：再根据极线方程，计算出各一维采样点坐标所对应的另一维度坐标{v1，v2，...，vK}，得到二维极线采样点集{mk＝(uk，vk)：k＝1，2，...，K}；S23：利用投影仪的畸变模型，对各极线采样点依次进行畸变计算，得到相应的畸变极线采样点集S24：使用多项式对畸变极线采样点集进行曲线拟合，得到畸变极线。作为本专利技术的进一步改进，步骤S21中一维采样点坐标采用局部法进行获取，包括：首先根据去畸变相机像素点mc在某维度方向的测量相位根据投影条纹相位公式，计算其在投影仪成像面上该维度方向的一维坐标再按照预设的畸变量在该坐标附近抽取一组一维坐标采样点{u1，u2，...，uK}。该局部抽取法可在保证后期极线拟合精度的前提下，有效减少采样点数。作为本专利技术的进一步改进，极线方程为：[u，v，1]F[uc，vc，1]T＝0其中，mc＝[uc，vc]是相机像素点坐标；m＝[u，v]是其对应于投影仪成像面上的极线采样点坐标；F是所述结构光系统的基础矩阵。作为本专利技术的进一步改进，步骤S3包括：S31：根据投影条纹相位公式对应于测量相位值的等相位线；S32：计算等相位线与畸变极线的交点m′×，即为相机像素点mc所对应的高精度投影仪畸变像素点。作为本专利技术的进一步改进，该方法还包括：对所述高精度投影仪畸变像素点进行去畸变计算，结合光学三角法进行高精度三维重建。为实现上述目的，按照本专利技术的另一个方面，提供了一种计算机可读介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当计算机程序在电子设备上运行时，使得电子设备执行上述方法的步骤。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本专利技术提供的一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法及其应用，其基于对极几何原理，针对每一个去畸变后的相机像素点，通过对因畸变发生变形的投影仪极线进行采样、拟合，并与等相位线相交叉，计算得到准确的与相机像素点对应的高精度投影仪畸变像素点，对于该类投影仪的多种应用来说，如投影仪的残余畸变标定，可以提高对应的标定精度，如基于该极线采样的投影仪的测量系统，可以提高对应的测量精度。本专利技术提供的一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法及其应用，其将准确的与相机像素点对应的高精度投影仪畸变像素点用于三维重建，从而消除因投影仪畸变带来的对应点匹配误差。附图说明图1为本专利技术优选实施例的一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法的示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/nS1.对极线采样系统进行标定，包括获取相机内参数、外参数以及畸变模型，和投影仪内参数、外参数以及畸变模型；/nS2.利用任意一个去除畸变后的相机像素点与对应的测量相位值，获取所述相机像素点对应在投影仪成像面上的若干畸变极线采样点，拟合所述畸变极线采样点得到畸变极线；/nS3.利用所述测量相位值在投影仪成像面上构造等相位线，并计算所述等相位线与所述畸变极线的交点，以得到与所述相机像素点对应的高精度投影仪畸变像素点。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1.对极线采样系统进行标定，包括获取相机内参数、外参数以及畸变模型，和投影仪内参数、外参数以及畸变模型；
S2.利用任意一个去除畸变后的相机像素点与对应的测量相位值，获取所述相机像素点对应在投影仪成像面上的若干畸变极线采样点，拟合所述畸变极线采样点得到畸变极线；
S3.利用所述测量相位值在投影仪成像面上构造等相位线，并计算所述等相位线与所述畸变极线的交点，以得到与所述相机像素点对应的高精度投影仪畸变像素点。


2.如权利要求1所述的一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法，其中，投影仪的畸变模型用于表征任一投影仪实际畸变像素点坐标m′与其理想无畸变坐标m之间的映射关系，所述投影仪的畸变模型具体为：



其中，F(m)为参数化畸变模型，f(m)为残余畸变模型。


3.如权利要求2所述的一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法，其中，所述参数化畸变模型利用如下参数方程得到：



[x，y]为投影仪理想无畸变像素点坐标[u，v]基于投影方程[u，v，1]T＝A[x，y，1]T的归一化坐标，[x′，y′]为投影仪实际畸变像素点坐标[u′，v′]基于投影方程[u′，v′，1]T＝A[x′，y′，1]T的归一化坐标，A是相机内参矩阵，k＝[k1，k2，k3]为径向畸变参数，ρ＝[ρ1，ρ2]为切向畸变参数，r2＝x2+y2。


4.如权利要求2所述的一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法，其中，获取所述残余畸变模型包括：
通过使用步骤S1中的标定数据，计算每一个有效相机像素点所对应的参数化模型坐标F(m)与经由相位映射得到的投影仪实际畸变像素点坐标m′之差，并经拟合降噪来获得。


5.如权利要求2所述的一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法，其中，所述步骤S2包括：
S21：针对一去除畸变后的相机像素点m...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，徐龙，卢文龙，周莉萍，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42