一种使用投影仪辅助的远心相机参数标定方法技术

本发明专利技术公开了一种使用投影仪辅助的远心相机参数标定方法，首先由远心相机拍摄多个位姿下的平面标定板图像和投影仪投影到平面标定板上的光栅条纹图像，以及使用正投影成像模型标定远心相机的初始参数；然后，使用投影仪外参辅助构造的三维特征点，这些特征点仅用来补全缺失的远心相机旋转矩阵参数；最后，构造远心相机成像的重投影误差模型，非线性优化远心相机的所有参数。本发明专利技术在补全缺失的旋转矩阵参数时不需要引入额外的升降台等设备，提升了标定过程的灵活性；另外，使用投影仪外参辅助构造的三维特征点仅用来补全远心相机旋转矩阵缺失的参数，有效地减小了投影仪标定结果的传递误差，提高了结果的可靠性和精度。提高了结果的可靠性和精度。提高了结果的可靠性和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种使用投影仪辅助的远心相机参数标定方法


[0001]本专利技术属于光学三维测量领域，更具体地，涉及一种使用投影仪辅助的远心相机参数标定方法。

技术介绍

[0002]远心透镜具有恒定的放大率、低畸变等特性，在小视场三维测量领域得到了广泛的应用。平面标定板由于易加工和精度高，被广泛应用于相机标定中。然而，远心相机成像服从正投影成像模型，使用平面标定板进行标定时不能标定出完整的旋转矩阵，致使标定结果不完整，无法开展后续基于远心相机的三维重建等工作。
[0003]针对这一问题，目前常见的解决方案主要分为使用额外的升降台辅助和使用三维测量系统中的投影仪辅助两种。然而，上述第一种方法需要引入额外的升降台设备，使得标定方法极不灵活、效率低。第二种方法虽然不需要引入额外的升降台设备，但是其是通过已经标定的投影仪参数计算出不同位姿下平面标定板标定特征点在同一基坐标系下的三维坐标，利用此三维特征点求出远心相机所有的内、外参数，虽然具有标定流程简单、自动化程度高等优点，但是投影仪的标定误差会传递给远心相机，从而影响标定精度。
[0004]为此，亟需一种能够同时兼顾灵活性和标定精度的远心相机标定方法，使得在不增加额外硬件设备的情况下，解决基于平面标定板标定所引起的远心相机旋转矩阵参数不完整的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种使用投影仪辅助的远心相机参数标定方法，以在兼顾灵活性和标定精度的情况下，解决基于平面标定板标定所引起的远心相机旋转矩阵参数不完整的问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种使用投影仪辅助的远心相机参数标定方法，包括：
[0007]S1，采用投影仪分别向各位姿下的平面标定板投影相移光栅条纹图像，由远心相机获取此时平面标定板的第一图像；由远心相机获取所述投影仪未投影时，所述各位姿下的平面标定板的第二图像；
[0008]S2，对所述第一图像进行解相得到所述平面标定板上的标定特征点在所述投影仪内部的坐标，以获取所述投影仪相对所述各位姿下的平面标定板坐标系的外参；
[0009]S3，根据所述标定特征点在所述第二图像上的坐标，采用正投影成像模型获取所述远心相机的初始内参和相对所述各位姿下的平面标定板坐标系的初始外参；其中，所述初始外参中的远心相机旋转矩阵不完整；
[0010]S4，根据所述投影仪的外参，分别将各位姿作为目标位姿，将其它位姿下的标定特征点转换至目标位姿下得到Z轴坐标不为零的三维特征点；基于所述三维特征点的坐标确定所述远心相机旋转矩阵中缺失的元素，以得到所述远心相机相对所述目标位姿下的平面
标定板坐标系的完整外参；
[0011]S5，对所述初始内参和完整外参进行优化，以降低所述远心相机成像的重投影误差，最终得到所述远心相机的内参和外参。
[0012]按照本专利技术的第二方面，提供了一种使用投影仪辅助的远心相机参数标定装置，包括：
[0013]第一处理模块，用于采用投影仪分别向各位姿下的平面标定板投影相移光栅条纹图像，由远心相机获取此时平面标定板的第一图像；由远心相机获取所述投影仪未投影时，所述各位姿下的平面标定板的第二图像；
[0014]第二处理模块，用于对所述第一图像进行解相得到所述平面标定板上的标定特征点在所述投影仪内部的坐标，以获取所述投影仪相对所述各位姿下的平面标定板坐标系的外参；
[0015]第三处理模块，用于根据所述标定特征点在所述第二图像上的坐标，采用正投影成像模型获取所述远心相机的初始内参和相对所述各位姿下的平面标定板坐标系的初始外参；其中，所述初始外参中的远心相机旋转矩阵不完整；
[0016]第四处理模块，用于根据所述投影仪的外参，分别将各位姿下的标定特征点转换至目标位姿下得到Z轴坐标不为零的三维特征点；基于所述三维特征点的坐标确定所述远心相机旋转矩阵中缺失的元素，以得到所述远心相机相对所述目标位姿下的平面标定板坐标系的完整外参；其中，所述目标位姿为所述平面标定板的任一位姿；
[0017]第五处理模块，用于对所述初始内参和完整外参进行优化，以降低所述远心相机成像的重投影误差，最终得到所述远心相机的内参和外参。
[0018]按照本专利技术的第三方面，提供了一种使用投影仪辅助的远心相机参数标定系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0019]所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0020]所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。
[0021]按照本专利技术的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如第一方面所述的方法。
[0022]按照本专利技术的第五方面，提供了一种远心相机参数标定系统，包括：远心相机、投影仪、平面标定板及控制器；
[0023]其中，所述控制器用于执行如第一方面所述的方法。
[0024]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：
[0025]1、本专利技术提供的使用投影仪辅助的远心相机参数标定方法，在不添加其他辅助设备(如升降台)的情况下，解决了远心相机旋转矩阵参数不完整的问题，相比其他方法而言成本更低，具备更强的灵活性，能更好的适用于实际应用场景。
[0026]2、本专利技术中使用的投影仪外参辅助构造的三维特征点仅用来补全远心相机旋转矩阵缺失的参数，有效地减小了投影仪标定结果的传递误差，提高了结果的可靠性和精度。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例提供的使用投影仪辅助的远心相机参数标定方法的流程示意图；
[0028]图2为本专利技术实施例提供的远心相机参数标定系统的结构示意图；
[0029]图3为远心相机成像模型示意图；
[0030]图4为本专利技术实施例提供的投影仪辅助构造三维标定点示意图。
具体实施方式
[0031]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所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0032]本专利技术实施例提供一种使用投影仪辅助的远心相机参数标定方法，如图1所示，包括：
[0033]S1，采用投影仪分别向各位姿下的平面标定板投影相移光栅条纹图像，由远心相机获取此时平面标定板的第一图像；由远心相机获取所述投影仪未投影时，所述各位姿下的平面标定板的第二图像。
[0034]具体地，构建具有投影仪和远心相机的小视场三维测量系统，对不同位姿的平面标定板，投影仪投影相移光栅条纹图像到标定板上，远心相机进行采图，得到第一图像，用于投影仪标定。同时对每个位姿的标定板进行一次没有光栅投影的标定板图像采集，得到第二图像，用于远心相机标定。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用投影仪辅助的远心相机参数标定方法，其特征在于，包括：S1，采用投影仪分别向各位姿下的平面标定板投影相移光栅条纹图像，由远心相机获取此时平面标定板的第一图像；由远心相机获取所述投影仪未投影时，所述各位姿下的平面标定板的第二图像；S2，对所述第一图像进行解相得到所述平面标定板上的标定特征点在所述投影仪内部的坐标，以获取所述投影仪相对所述各位姿下的平面标定板坐标系的外参；S3，根据所述标定特征点在所述第二图像上的坐标，采用正投影成像模型获取所述远心相机的初始内参和相对所述各位姿下的平面标定板坐标系的初始外参；其中，所述初始外参中的远心相机旋转矩阵不完整；S4，根据所述投影仪的外参，分别将各位姿作为目标位姿，将其它位姿下的标定特征点转换至目标位姿下得到Z轴坐标不为零的三维特征点；基于所述三维特征点的坐标确定所述远心相机旋转矩阵中缺失的元素，以得到所述远心相机相对所述目标位姿下的平面标定板坐标系的完整外参；S5，对所述初始内参和完整外参进行优化，以降低所述远心相机成像的重投影误差，最终得到所述远心相机的内参和外参。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述基于所述三维特征点的坐标确定所述远心相机旋转矩阵中缺失的元素的计算公式为：[r
31 r
32 r
33
]
T
＝[r
11 r
12 r
13
]
T
×
[r
21 r
22 r
23
]
T
；其中，r
13
、r
23
、r
31
、r
32
、r
33
为所述远心相机旋转矩阵中缺失的元素，r
11
、r
12
、r
21
、r
22
为所述远心相机旋转矩阵中已有的元素，A'、T'为远心相机的初始内参和相对所述目标位姿下的平面标定板坐标系的初始外参，(u',v')为三维特征点在第二图像中的对应像素坐标，(X
w
,Y
w
,Z
w
)为所述三维特征点的坐标。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述三维特征点P'的坐标的计算公式为：其中，为待转换坐标系到目标坐标系的变换矩阵，为目标坐标系到投影仪坐标系的变换矩阵，为待转换坐标系到投影仪坐标系的变换矩阵，P为待转换坐标系下的标定特征点的坐标；所述待转换坐标系为待转换位姿下的平面标定板坐标系，所述目标坐标系为目标位姿下的平面标定板坐标系。4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述相移光栅条纹图像为三频四步条纹图像，包括水...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟凯，李彬，李中伟，靳晓博，张攀，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：