一种基于单目结构光系统的标定方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于单目结构光系统的标定方法，方法包括：在投影仪投射编码图案后，控制装置对相机采集的编码图像进行解码，获取编码图像中所有像素点的编码值；基于相机采集的标定板图像提取标定板的特征点，并根据标定板的基本参数，获取标定板范围内所有像素点的深度值，以及获取标定板范围内所有像素点的编码值；根据标定板范围内所有像素点的编码值、像素点信息和深度值的数学关系，构建相机向量、投影仪向量的畸变模型并基于像素点的深度值对构建的模型进行求解，获取相机内参、投影仪内参和系统外参。上述标定方法可实现在三维重建过程中仅需要查找并进行简单的计算，获得三维重建的结果，其速度快，准确性高。准确性高。准确性高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单目结构光系统的标定方法


[0001]本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种基于单目结构光系统的标定方法、一种图像的三维重建方法。

技术介绍

[0002]目前，面结构光三维成像是一种非接触式高精度三维测量技术，在测量、检测、自动化等领域有广泛应用。相对于双目结构光系统，单目结构光成本更低，算法速度更快，盲区更少，且能保证足够的数据质量，得到越来越广泛的关注和应用。不像双目系统有成熟可靠的标定方法，单目结构光系统的标定和算法比较复杂，主要是投影仪参数的标定，目前研究比较多，要么流程复杂不好操作，要么精度较低，无法满足要求。基于此，业内人士提出了基于单目结构光系统的标定和三维重建方法。
[0003]具体地，现有标定和重建方法一般有几种：用高精度平移台，采集不同距离的平面数据作为基准面，重建时对比标准数据进行恢复，标定精度依赖平移台精度，大视野远距离的标定很难实现，无法现场标定；将投影仪视为反相相机，投影横竖条纹，通过已经标定好的相机采集投影数据，再标定出投影仪内参和外参，此方法无法适用于振镜、MEMS微振镜等只能投影一维线结构光的系统，相机和投影仪分步标定容易累计误差，相机和投影仪单应矩阵的计算精度不高；八参数法直接计算投影相位与相机坐标的关系，此方法操作和计算都很简单，但是对投影仪的畸变处理不好，误差较大。
[0004]为此，亟需一种操作简单、标定精度高且处理速度快的基于单目结构光系统的标定方法和三维重建方法。

技术实现思路

[0005]（一）要解决的技术问题鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种基于单目结构光系统的标定方法、一种图像的三维重建方法。
[0006]（二）技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：第一方面，本专利技术实施例提供一种基于单目结构光系统的标定方法，单目结构光系统包括：用于投射编码图案的投影仪，用于采集编码图案的相机、连接投影仪和相机的控制装置，所述标定方法包括：S10、在投影仪投射编码图案后，所述控制装置对所述相机采集的编码图像进行解码，获取编码图像中所有像素点的编码值；S20、所述控制装置基于相机采集的标定板图像提取标定板的特征点，并根据标定板的基本参数，获取标定板范围内所有像素点的深度值，以及基于编码图像中所有像素点的编码值，获取标定板范围内所有像素点的编码值；S30、根据标定板范围内所有像素点的编码值、像素点信息和深度值的数学关系，
构建具有未知量的相机向量、投影仪向量的畸变模型并基于像素点的深度值对构建的模型进行求解，获得相机内参、投影仪内参和系统外参；所述投影仪向量的畸变模型为依据三维重建结果虚拟的模型；所述系统外参为投影仪向量转换到相机坐标系时的外参旋转矩阵和外参平移向量。
[0007]可选地，所述S30包括：S31、获取相机向量的畸变模型，并确定作为未知量的相机内参；S32、虚拟投影仪向量的畸变模型，并确定作为未知量的投影仪内参；所述投影仪向量的畸变模型的第一维为编码/相位维度，第二维为虚拟行数；S33、将投影仪向量转换到相机坐标系，根据几何约束关系确定投影仪向量的虚拟参数；S34、基于相机向量的畸变模型，虚拟投影仪向量的畸变模型，构建相机向量的和投影仪向量的交点的深度值的求解方程式；S35、基于标定板范围内各像素点的深度值，求解方程式，获得相机内参、投影仪内参和系统外参。
[0008]可选地，所述S30包括：S31、针对相机向量中每一相机像素点的二维坐标，采用公式（2）的标准相机模型表示：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式（2）；公式（2）中，表示为相机向量在水平方向的分量，表示为相机向量在垂直方向的分量，为当前像素点所在的行，为当前像素点所在的列，为相机水平方向的焦距，为相机垂直方向的焦距，为相机垂直方向的焦距，为光心坐标；基于公式（2）的相机向量中二维坐标的畸变模型表示为公式（3）：公式（3）；均为径向畸变系数，均为切向畸变系数，为中间变量；，为相机向量的内参属于未知量；S32、虚拟投影仪坐标系下的投影仪向量的畸变模型；
标准投影仪模型为：公式（4）；根据投影仪的基本参数，虚拟投影仪向量的畸变模型为公式（5）或公式（5a）：
ꢀꢀ
公式（5）；或者，公式（5a）为：；公式（5）和公式（5a）中，表示为投影仪向量在编码/相位维度的分量，表示为投影仪向量在虚拟行数的分量，p为投影仪向量中每一像素点对应的编码值，为投影仪向量中每一像素点对应的行数，为投影仪水平方向的焦距，为投影仪垂直方向的焦距，为光心坐标；均为投影仪畸变系数，，为中间变量，为投影仪向量的内参属于未知量；S33、将投影仪向量转换到相机坐标系，坐标系转换关系公式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式（6）；相机坐标系下的相机向量、相机坐标系下的投影仪向量、平移向量共面的关系为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式（1）；为外参旋转矩阵，为外参平移向量，和作为系统外参属于未知量，为将投影仪向量转换到相机坐标系下根据几何约束关系确定的投影仪向量的虚拟参数。
[0009]可选地，所述S34包括：基于公式（1）
‑
公式（6）获取的相机向量和投影仪向量，根据公式（7）计算深度值；基于S20获取的深度值和公式（7）获取的深度值一致，求解未知量，获得相机内参、投影仪内参和系统外参；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式（7）。
[0010]可选地，标定板为棋盘格标定板，标定板的基本参数包括：标定板内部的棋盘格的总数量，标定板内每一格子的尺寸信息；编码图像为采用格雷码、相移法、多频外插中的一种或多种编码方式编码的图像。
[0011]可选地，所述S20包括：所述控制装置根据棋盘格图像，提取作为特征点的棋盘格角点，得到角点的行和列作为二维坐标，建立世界坐标系，并根据棋盘格的基本参数，得到特征点的三维坐标；基于特征点的二维图像坐标和三维坐标，获取标定板与相机的单应矩阵，以及根据单应矩阵计算棋盘格范围内的所有像素点的深度值。
[0012]第二方面，本专利技术实施例还提供一种图像的三维重建方法，包括：采集待测目标的图像，基于预先获取的相机内参、投影仪内参和系统外参获取相机坐标系下每一像素点的相机向量，投影仪向量；基于所述相机向量，投影仪向量，获得所述图像中各像素点的三维空间坐标；其中，预先获取的相机内参、投影仪内参和系统外参为采用上述第一方面任一所述的标定方法标定的。
[0013]可选地，基于相机向量，投影仪向量，获得所述图像中各像素点的三维空间坐标包括：根据公式（7），计算相机向量和投影仪向量交点的深度值z；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
公式（7）；其中，为相机坐标系下的相机向量，为相机坐标系下的投影仪向量，为平移向量；基于公式（8），得到相机坐标系下图像中每一像素点的空间坐标值：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式（8）；z为深度值，表示为相机向量在水平方向的分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单目结构光系统的标定方法，其特征在于，单目结构光系统包括：用于投射编码图案的投影仪，用于采集编码图案的相机、连接投影仪和相机的控制装置，所述标定方法包括：S10、在投影仪投射编码图案后，所述控制装置对所述相机采集的编码图像进行解码，获取编码图像中所有像素点的编码值；S20、所述控制装置基于相机采集的标定板图像提取标定板的特征点，并根据标定板的基本参数，获取标定板范围内所有像素点的深度值，以及基于编码图像中所有像素点的编码值，获取标定板范围内所有像素点的编码值；S30、根据标定板范围内所有像素点的编码值、像素点信息和深度值的数学关系，构建具有未知量的相机向量、投影仪向量的畸变模型并基于像素点的深度值对构建的模型进行求解，获得相机内参、投影仪内参和系统外参；所述投影仪向量的畸变模型为依据三维重建结果虚拟的模型；所述系统外参为投影仪向量转换到相机坐标系时的外参旋转矩阵和外参平移向量。2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述S30包括：S31、获取相机向量的畸变模型，并确定作为未知量的相机内参；S32、虚拟投影仪向量的畸变模型，并确定作为未知量的投影仪内参；所述投影仪向量的畸变模型的第一维为编码/相位维度，第二维为虚拟行数；S33、将投影仪向量转换到相机坐标系，根据几何约束关系确定投影仪向量的虚拟参数；S34、基于相机向量的畸变模型，虚拟投影仪向量的畸变模型，构建相机向量的和投影仪向量的交点的深度值的求解方程式；S35、基于标定板范围内各像素点的深度值，求解方程式，获得相机内参、投影仪内参和系统外参。3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，所述S30包括：S31、针对相机向量中每一相机像素点的二维坐标，采用公式（2）的标准相机模型表示：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式（2）；公式（2）中，表示为相机向量在水平方向的分量，表示为相机向量在垂直方向的分量，为当前像素点所在的行，为当前像素点所在的列，为相机水平方向的焦距，为相机垂直方向的焦距，为相机垂直方向的焦距，为光心坐标；基于公式（2）的相机向量中二维坐标的畸变模型表示为公式（3）：公式（3）；
均为径向畸变系数，均为切向畸变系数，为中间变量；，为相机向量的内参属于未知量；S32、虚拟投影仪坐标系下的投影仪向量的畸变模型；标准投影仪模型为：公式（4）；根据投影仪的基本参数，虚拟投影仪向量的畸变模型为公式（5）或公式（5a）：
ꢀꢀ
公式（5）；或者，公式（5a）为：；公式（5）和公式（5a）中，表示为投影仪向量在编码/相位维度的分量，表示为投影仪向量在虚拟行数的分量，p为投影仪向量中每一像素点对应的编码值，为投影仪向量中每一像素点对应的行数，为投影仪水平方向的焦距，为投影仪垂直方向的焦距，为光心坐标；均为投影仪畸变系数，，为中间变量，为投影仪向量的内参属于未知量；S33、将投影仪向量转换到相机坐标系，坐标系转换关系公式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式（6）；相机坐标系下的相机...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨静，时岭，高勇，
申请(专利权)人：杭州蓝芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：