本发明专利技术公开了一种远心显微三维测量系统混合标定方法，包括：首先依托于一个精密移动平台使装有远心镜头的相机的光轴垂直于参考平面；用圆形标定板标定出远心相机的固有参数，然后将装有远心镜头的投影仪看作一个逆相机用同样的原理标定出投影仪的固有参数；然后在固有参数已知的相机视场中算出参考平面上的正弦条纹的物理宽度，再结合条纹间距，得到相机光轴和投影仪光轴的夹角；最后将相位高度映射标定结果和相机坐标下的平面内标定结果结合起来得到完整的三维坐标。本发明专利技术不需要标定相机和投影仪的外部参数即可得到物体的三维坐标信息，避免了在标定相机过程中遇到的姿态矩阵符号模糊问题，在高精度三维测量领域具有潜在应用前景和实用价值。
【技术实现步骤摘要】
一种远心显微三维测量系统混合标定方法
本专利技术涉及一种光学三维测量系统标定方法，属于光电检测
，具体涉及一种远心显微三维测量系统混合标定方法。
技术介绍
结构光三维形貌测量技术是视觉检测一个极其重要的分支。该技术具有高速、高精度、非接触等优点，已在机械工程、工业监测、计算机视觉、虚拟现实、生物医学和其他工业领域得到广泛应用和研究。测量系统一般由工业相机、投影仪和计算机等硬件组成。随着微细加工技术的发展，微电子机械系统已广泛应用于工业加工和智能装配等领域。对微米级和中间尺度(数百微米至几厘米)的微小零件的三维形貌测量要求越来越迫切。远心镜头具有低畸变、对光轴方向的深度信息不敏感、工作距离内放大率恒定的特点，在高精度视觉检测领域中得到了广泛的应用。由于远心相机的纯正射投影，传统标定方法无法通过平面标定板获得相机参数的封闭解，在恢复相机的旋转矩阵和平移矩阵的过程中存在位姿模糊问题，这使得远心显微三维测量系统的标定变得复杂而缺乏灵活性。本专利技术提出一种远心显微三维测量系统混合标定方法,该方法不需要标定相机的外在参数(旋转矩阵和平移向量)即可得到目标全部的三维信息，提高了系统标定的灵活性，降低了测量成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于提供一种远心显微三维测量系统混合标定方法，此方法将平面标定技术和相位高度映射法结合起来并应用于远心显微三维测量系统中。不需要标定相机的外在参数，避免了恢复外在参数矩阵时的符号模糊问题，具有潜在的应用前景和实用价值。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种远心显微三维测量系统混合标定方法，该方法包括下列步骤：步骤一、搭建系统，将装有远心镜头的相机固定在一个可以上下垂直移动的支架上，利用适当的算法使相机的远心镜头的光轴垂直于参考平面，将装有远心镜头的投影仪以倾斜角α放置于相机侧面；步骤二、标定相机与投影仪，用圆形标定板标定相机固有参数，将投影仪看作一个逆相机，把相机检测到的圆心坐标映射到投影仪成像平面，得到投影仪像素坐标系下的圆心坐标，然后用标定相机的方法标定出投影仪固有参数；步骤三、利用已标定出固定参数的相机捕获的正弦条纹图算出正弦条纹的物理宽度λ；步骤四、利用步骤二获得的投影仪固有参数算出条纹参数p(条纹间距)，结合步骤三得到的参数λ得到相机光轴和投影仪光轴的夹角α；步骤五、在已标定(只标定固有参数)的相机坐标系下算出对应的x坐标和y坐标，结合相位高度映射法得到的z坐标，即可完成全部的三维坐标标定。优选的，所述的步骤一中使相机光轴垂直于参考平面的方法具体为：支架夹持相机的部分使相机有x方向和y方向两个自由度，调节相机朝向使相机的光轴方向与相机的运动方向共线，即可使相机的光轴垂直于参考平面；判定相机光轴方向是否与相机运动方向共线的方法如下所述：用投影仪投射一个光点到参考平面上，相机捕获一张近似圆形的光斑，首先用合适的阈值对图像进行分割，提取出光斑部分，然后用灰度质心法检测该光斑的圆心坐标，圆心坐标(x,y)由式(1)算出：然后将相机竖直向上或向下移动合适的距离，再次检测圆心坐标，如果两次检测到的圆心坐标在x方向和y方向相差不超过一个像素，则认为相机光轴方向与相机运动方向共线，即相机光轴已垂直于参考平面，如果运动前后圆心坐标相差大于一个像素，则调整相机光轴朝向，再次竖直向上或向下移动相机，检测圆心坐标，直到符合要求为止。优选的，所述的步骤二中，相机数学模型如式(2)所示：其中(uc,vc)是相机图像坐标系下的像素坐标，mc是相机的有效放大倍数，是相机成像平面的中心，(XC,YC)是相机坐标系下的目标物体的平面坐标，Ac表示相机的固有参数矩阵；投影仪的数学模型如式(3)所示：其中(up,vp)是投影仪图像坐标系下的像素坐标，mp是投影仪的有效放大倍数，是投影仪成像平面的中心，(Xp,Yp)是投影仪坐标系下的目标物体的平面坐标，Ap表示投影仪的固有参数矩阵。优选的，所述的步骤三的具体实施方法为：用相移算法计算出已标定相机(固有参数已知)捕获的投影仪投在参考平面上的正弦条纹图的包裹相位，包裹相位的宽度(即条纹宽度，以像素为单位)结合已标定的相机固有参数可得到正弦条纹的物理宽度λ；利用式(2)得到式(4)：其中Δuc和Δvc表示像素坐标系下包裹相位的宽度在u方向和v方向的分量；ΔXC和ΔYC表示正弦条纹的物理宽度λ在x方向和y方向分量；则正弦条纹的物理宽度λ可由式(5)算出：优选的，所述的步骤四中，条纹间距p及相机光轴和投影仪光轴的夹角α，由式(6)和式(7)得到：其中，Δvp是单个条纹在投影仪成像平面中对应的宽度。本专利技术的优点在于：与传统远心显微三维测量系统标定方法相比，本专利技术的方法不要标定相机和投影仪的外在参数，避免了传统标定方法在标定远心相机过程中遇到的姿态矩阵符号模糊问题；不需要三维标定目标，降低了标定的成本并提高了标定的灵活性。附图说明图1是本专利技术的远心显微三维测量系统混合标定方法的测量系统的示意图；图2是本专利技术的调节相机光轴朝向时在不同高度检测到的圆心坐标图；图3是本专利技术的包裹相位图。具体实施方式容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本专利技术的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。以下结合附图说明对本专利技术的实例作进一步详细描述，但本实例并不用于限制本专利技术，凡是采用本专利技术的相似结构及其相似变化，均应列入本专利技术的保护范围。如图1所示，本专利技术的一种远心显微三维测量系统混合标定方法的测量系统，该系统包括装有远心镜头的DLP投影仪1、装有远心镜头的CCD相机2、计算机3、可垂直上下移动的支架4、待测物体5、参考平面6。CCD相机2被固定在可垂直上下移动支架4上，DLP投影仪1和CCD相机2分别通过数据线连接计算机3，待测物体4放在参考平面6上，计算机3内包含图像采集卡、投影软件和测量软件。DLP投影仪1将带有特征信息的条纹聚焦投射到待测物体5表面，由CCD相机2采集条纹信息。本专利技术的一种远心显微三维测量系统混合标定方法，步骤如下：步骤一、搭建系统，将装有远心镜头的相机固定在一个可以上下垂直移动的支架上，利用适当的算法使远心镜头的光轴垂直于参考平面，将装有远心镜头的投影仪以倾斜角α放置于相机侧面。用投影仪投射一个光点到参考平面上，相机捕获一张近似圆形的光斑，首先用合适的阈值对图像进行分割，提取出光斑部分，然后用灰度质心法检测该光斑的圆心坐标，圆心坐标(x，y)由式(1)算出：然后将相机竖直向上或向下移动合适的距离，再次检测圆心坐标，如果两次检测到的圆心坐标在x方向和y方向相差不超过一个像素，则认为相机光轴方向与相机运动方向共线，即相机光轴已垂直于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种远心显微三维测量系统混合标定方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、搭建系统：将装有远心镜头的相机固定在一个可以上下垂直移动的支架上，利用适当的算法使相机的光轴垂直于参考平面，将装有远心镜头的投影仪以倾斜角α放置于相机侧面；/n步骤二、标定相机与投影仪：用圆形标定板标定出相机固有参数；将投影仪看作一个逆相机，把相机检测到的圆心坐标映射到投影仪成像平面，得到投影仪像素坐标系下的圆心坐标，然后用标定相机的方法标定出投影仪固有参数；/n步骤三、利用已标定出固定参数的相机捕获的正弦条纹图算出正弦条纹的物理宽度λ；/n步骤四、利用步骤二获得的投影仪固有参数算出条纹间距p，结合步骤三得到的正弦条纹的物理宽度λ，可算出相机光轴和投影仪光轴的夹角α；/n步骤五、在标定出固有参数的相机坐标系下算出对应的x坐标和y坐标，结合相位高度映射法得到z坐标，即可完成全部的三维坐标标定。/n
【技术特征摘要】
1.一种远心显微三维测量系统混合标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、搭建系统：将装有远心镜头的相机固定在一个可以上下垂直移动的支架上，利用适当的算法使相机的光轴垂直于参考平面，将装有远心镜头的投影仪以倾斜角α放置于相机侧面；
步骤二、标定相机与投影仪：用圆形标定板标定出相机固有参数；将投影仪看作一个逆相机，把相机检测到的圆心坐标映射到投影仪成像平面，得到投影仪像素坐标系下的圆心坐标，然后用标定相机的方法标定出投影仪固有参数；
步骤三、利用已标定出固定参数的相机捕获的正弦条纹图算出正弦条纹的物理宽度λ；
步骤四、利用步骤二获得的投影仪固有参数算出条纹间距p，结合步骤三得到的正弦条纹的物理宽度λ，可算出相机光轴和投影仪光轴的夹角α；
步骤五、在标定出固有参数的相机坐标系下算出对应的x坐标和y坐标，结合相位高度映射法得到z坐标，即可完成全部的三维坐标标定。
2.根据权利要求1所述的一种远心显微三维测量系统混合标定方法，其特征在于，所述的步骤一中，使相机光轴垂直于参考平面的方法具体为：支架夹持相机的部分使相机有x方向和y方向两个自由度，调节相机朝向使相机的光轴方向与相机的运动方向共线，即可使相机的光轴垂直于参考平面；判定相机的光轴方向是否与相机运动方向共线的方法为：用投影仪投射一个光点到参考平面上，相机捕获一张近似圆形的光斑，首先用合适的阈值对图像进行分割，提取出光斑部分，然后用灰度质心法检测该光斑的圆心坐标，圆心坐标(x,y)由式(1)算出：
然后将相机垂直向上或向下移动合适的距离，再次检测圆心坐标，如果两次检测到的圆心坐标在x方向和y方向相差不超过一个像素，则认为相机的光轴方向与相机运动方向共线，即相机的光轴已垂直于参考平面...
【专利技术属性】
技术研发人员：伏燕军，周鹏许，刘彦昭，专宇浩，桂程，钟汇凯，
申请(专利权)人：伏燕军，
类型：发明
国别省市：江西;36
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