一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及三维形貌测量领域，具体公开了一种用于3D显微形貌测量系统中摄像机标定的方法和装置，方法为，生成相位标靶，摄像机进行抓拍，抓拍标定图片进行相位解析后生成相位图，在相位图上提取整像素圆心特征点，以整像圆心特征点为中心在其D×D例如35×35像素大小的邻域内进行等相位线提取，再通过椭圆拟合，得到亚像素精度圆心特征点，由亚像素精度圆心特征点的像素坐标及其对应的世界坐标，再根据远心相机标定算法计算摄像机参数初值，用重复迭代的方法获取高精度的摄像机参数。本发明专利技术对图像模糊和噪声具很高的鲁棒性，标靶更加精确，圆心特征点的提取不受镜头畸变和透视畸变的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定装置和方法
本专利技术涉及三维显微形貌测量领域，特别涉及一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定装置和方法。
技术介绍
随着工业4.0的到来，外观尺寸在毫米及微米级的微器件在国防工业、信息技术、航空航天、微电子、生物医学等领域有着广泛应用和巨大的市场需求。精密制造技术也得到了快速发展，复杂零件表面及其微小结构特征的精密三维检测已经成为工业界的共性需求。尤其是高精度的三维形貌检测技术将是微器件加工与制造的重要品控工具，是高精度器件加工的依据和保证。这些零件表面结构特征复杂，制造精度高，对其进行高效的三维形貌测量是当前面临的重大挑战。基于条纹投影的显微测量系统具有测量时间短、重建点云密度高等优点，适用于复杂工件几何形状的测量。为了进行准确三维形貌测量，必须对摄像机进行标定。在显微测量系统中的摄像机标定方面，现有标定方法存在的问题主要归结于三个方面。首先，显微测量系统的景深较小，标定过程中基于各种几何图形边界信息提取特征点的方法易受图像模糊、对比度和成像视角的影响，导致可操作性不强，标定结果重复性差，影响最终测量精度。其次，现有的显微测量系统标定方法是假设标定靶是一个理想平面，事实上，标定靶的制作过程中的不完美，尤其是低成本的硬件系统，这使得特征点在标靶中的定位不准确，进而导致不精确的标定结果。第三，由于镜头畸变和透视失真导致直接从图像中提取到的特征点并不准确，这将更进一步累积标定误差影响三维显微测量精度。由于高精度的系统标定方法对显微测量和精密制造都有着重要的意义，目前亟待一种高精度的三维显微测量系统标定方法，来满足工业界的精密三维检测需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为了克服现有技术中提取特征点的方法易受图片质量影响导致损失测量精度、标定靶的定位不准确、镜头畸变和透视失真导致提取到的特征点不准确的问题，提供一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定装置和方法。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定方法，包括如下步骤：S1，用摄像机对主动标靶进行拍摄，对拍摄的图像进行相位解析，生成相位图；所述主动标靶上显示圆心特征点；S2，在所述相位图上提取亚像素精度的圆心特征点的像素坐标；S3，根据所述主动标靶圆心的世界坐标和所述亚像素精度的圆心特征点的像素坐标，采用远心相机标定算法，计算摄像机参数和重投影误差；S4，根据所述摄像机参数和所述亚像素精度的圆心特征点的像素坐标，计算出圆心特征点矫正后的像素坐标；S5，由所述主动标靶圆心的世界坐标和圆心特征点矫正后的像素坐标，根据远心相机标定算法计算新的摄像机参数和新的重投影误差；S6，将所述重投影误差和所述新的重投影误差作差，当差值小于预设的阈值时，输出此时的摄像机参数并结束迭代，否则，则重复执行步骤S4～S6。进一步的，步骤S2具体包括如下步骤：S21，用基于灰度的椭圆拟合法对相位图提取圆心特征点的像素坐标；S22，在每个圆心特征点的像素坐标附近使用约束条件提取相位值最接近零的整像素圆心特征点的像素坐标；S23，以第i个整像素圆心特征点为中心的D×D像素大小的窗口内提取具有不同相位值的等相位线n条，分别对n条等相位线进行椭圆拟合，得到包含n个圆心像素坐标的集合Si＝{Opi(u，v)}，其中p＝1，...,n，i的值不超过相位图中圆心特征点的个数，D的取值为正整数且不超过相位图中两相邻圆心特征点之间的像素距离；舍去与均值误差大于阈值的元素，求得集合Si中除了舍去元素以外剩余的圆心像素坐标的平均值，所述平均值即为每张标定图片中第i个亚像素精度的圆心特征点的像素坐标；所述标定图片为所述拍摄的图像；S24，重复步骤S23，直到相位图中所有亚像素精度的圆心特征点的像素坐标提取完成。作为本专利技术的优选方案，所述主动标靶在数字显示设备上显示；主动标靶采用1频3步圆形相移条纹图，所述圆形相移条纹图的分辨率与所述数字显示设备分辨率相同；所述1频3步圆形相移条纹图的公式如下：其中，k的取值范围为1～3的整数，(x,y)代表所述数字显示设备的像素点的坐标，代表该像素点灰度值，I′(x,y)为所述圆形相移条纹图的平均灰度，I″(x，y)为灰度调制，T为沿半径方向的条纹周期，为点(x,y)到最近的圆形相移条纹图圆心的欧氏距离。作为本专利技术的优选方案，所述对主动标靶变换位姿进行拍摄的方法为，变换位姿的次数不小于3次，每个位姿下主动标靶上按时间顺序依次显示1频3步圆形相移条纹图，控制摄像机对主动标靶上依次显示的图像分别进行拍摄。进一步的，所述相位图由以下公式计算得出：其中(u,v)代表拍摄的图像上各点的像素坐标，I(u,v)代表拍摄的图像灰度，k＝1，2，3。进一步的，步骤S4的具体步骤包括：S41，执行正视投影；所述正视投影指的是，利用所述摄像机初始参数和双线性插值算法，将所述相位图转换为虚拟主动标靶，并通过双线性插值等相位线提取以及椭圆拟合计算虚拟主动标靶上圆心的世界坐标；S42，执行重投影；所述重投影指的是，将虚拟主动标靶上圆心的世界坐标，转换为圆心特征点的像素坐标，即所述圆心特征点矫正后的像素坐标。进一步的，所述虚拟主动标靶与所述主动标靶的大小相同。进一步的，主动标靶圆心的世界坐标，由圆心在主动标靶上的编号索引、圆心之间的间隔、数字显示设备尺寸和像元尺寸信息计算得出。基于本专利技术的相同构思，还提出了一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定装置，包括装有远心镜头的摄像机、控制单元、计算单元，其特征在于，还包括数字显示设备，所述计算单元生成相位标靶，所述数字显示设备显示所述相位标靶，所述控制单元控制所述摄像机抓拍所述相位标靶，所述计算单元还用于执行上述任一项的一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定方法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、通过使用相位圆标靶，利用相位信息提取特征点，取代传统的基于灰度的方法，每个特征点都具有零相位值标签，可精确定位圆心特征点，并通过基于多条等相位线的椭圆拟合获取亚像素精度特征点，使得摄像机的标定对图像模糊和噪声具很高的鲁棒性；2、通过LCD显示屏或其他数字显示设备显示，形成相位标靶，能够克服传统低价标靶制作不精确而带来误差的问题；3、通过使用正视投影技术，消除由于主动标靶偏转而拍摄到椭圆所带来的零相位点提取困难的问题，将椭圆投影成标准圆，去除椭圆拟合偏心误差，顺利找到相位值为零的圆心，避免标定图像上特征点的提取受镜头畸变和透视畸变的影响，进一步提高了图像特征点的提取精度；4、通过反复迭代的方法提高了摄像机参数的精度。附图说明：图1为基于结构光投影的三维显微形貌测量系统结构示意图；图2为基于相位圆标靶的显微摄像机标定示意图；图3为正视图仿真图片&提取到的圆心特征点；图4为正视投影相位靶和特征点重投影示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1，用摄像机对主动标靶进行拍摄，对拍摄的图像进行相位解析，生成相位图；所述主动标靶上显示圆心特征点；/nS2，在所述相位图上提取亚像素精度的圆心特征点的像素坐标；/nS3，根据所述主动标靶圆心的世界坐标和所述亚像素精度的圆心特征点的像素坐标，采用远心相机标定算法，计算摄像机参数和重投影误差；/nS4，根据所述摄像机参数和所述亚像素精度的圆心特征点的像素坐标，计算出圆心特征点矫正后的像素坐标；/nS5，由所述主动标靶圆心的世界坐标和圆心特征点矫正后的像素坐标，根据远心相机标定算法计算新的摄像机参数和新的重投影误差；/nS6，将所述重投影误差和所述新的重投影误差作差，当差值小于预设的阈值时，输出此时的摄像机参数并结束迭代，否则，则重复执行步骤S4～S6。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，用摄像机对主动标靶进行拍摄，对拍摄的图像进行相位解析，生成相位图；所述主动标靶上显示圆心特征点；
S2，在所述相位图上提取亚像素精度的圆心特征点的像素坐标；
S3，根据所述主动标靶圆心的世界坐标和所述亚像素精度的圆心特征点的像素坐标，采用远心相机标定算法，计算摄像机参数和重投影误差；
S4，根据所述摄像机参数和所述亚像素精度的圆心特征点的像素坐标，计算出圆心特征点矫正后的像素坐标；
S5，由所述主动标靶圆心的世界坐标和圆心特征点矫正后的像素坐标，根据远心相机标定算法计算新的摄像机参数和新的重投影误差；
S6，将所述重投影误差和所述新的重投影误差作差，当差值小于预设的阈值时，输出此时的摄像机参数并结束迭代，否则，则重复执行步骤S4～S6。


2.如权利要求1所述的一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下步骤：
S21，用基于灰度的椭圆拟合法对相位图提取圆心特征点的像素坐标；
S22，在每个圆心特征点的像素坐标附近使用约束条件提取相位值最接近零的整像素圆心特征点的像素坐标；
S23，在以第i个整像素圆心特征点为中心的D×D像素大小的窗口内提取具有不同相位值的等相位线n条，分别对n条等相位线进行椭圆拟合，得到包含n个圆心坐标的集合Si＝{Opi(u，v)}，其中p＝1，...,n，i的值不超过每张标定图片中圆心特征点的个数，D的取值为正整数且不超过相位图中两相邻圆心特征点之间的像素距离；舍去与均值误差大于阈值的元素，求得集合Si中除了舍去元素以外剩余的圆心坐标的平均值，所述平均值即为每张标定图片中第i个亚像素精度的圆心特征点的像素坐标；所述标定图片为所述拍摄的图像；
S24，重复步骤S23，直到所述标定图片中所有亚像素精度的圆心特征点的像素坐标提取完成。


3.如权利要求1所述的一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定方法，其特征在于，所述主动标靶在数字显示设备上显示；主动标靶采用1频3步圆形相移条纹图，所述圆形相移条纹图的分辨率与所述数字显示设备分辨率相同；所述1频3步圆形相移条纹图的公式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：朱江平，安世勇，周佩，肖雯帆，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51