远心成像结合沙姆投影三维显微测量系统及联合校准方法技术方案

本发明专利技术公开了一种远心成像结合沙姆投影三维显微测量系统及联合校准方法，建立沙姆投影模型和沙姆畸变模型以及远心成像模型；捕获并预处理标定板目标姿态图像，进行远心相机圆心相位展开和投影仪圆心映射，估计投影仪的内参固有矩阵

【技术实现步骤摘要】
远心成像结合沙姆投影三维显微测量系统及联合校准方法


[0001]本专利技术属于精密制造和半导体制造微结构成像
，特别是一种远心成像结合沙姆投影的三维显微测量系统及联合校准方法
。

技术介绍

[0002]随着精密制造和半导体制造的最新进展，复杂微结构的
3D
成像和计量变得越来越重要
。
人们研究了许多非接触光学方法来测量微小物体的形态，如共聚焦显微镜
、
白光干涉显微镜和条纹投影
3D
显微镜
。
相比之下，条纹投影轮廓术由于对背景
、
对比度和噪声的变化不敏感，可以广泛应用于复杂的工业环境
。
[0003]现有条纹投影
3D
显微镜通常有两个系统框架
。
一种是通过不同的投影技术改进立体显微镜的一个通道
。
由于物镜孔径和成像原理的限制，视场和景深都严重限制在亚毫米量级
。
另一种使用长工作距离的非远心透镜
。
然而，在这种系统中，有限的视场通常会导致较小的
DOF
，这不足以测量高度变化数毫米的
3D
物体
。
远心透镜由于其良好的特性，如正交投影
、
低失真和在特定距离范围内的恒定放大率，已应用于条纹投影
3D
显微系统
。
几乎所有使用远心透镜的
FP
‑
3DM
系统都由一个投影分支和一个成像分支组成，它们之间有一个角度
。
这将导致只有一小部分投影条纹处于焦点位置，其余区域保持离焦状态
。
此外，远心透镜的有限自由度将进一步显著减小共聚焦区域
。
[0004]此外，采用远心透镜的条纹投影
3D
显微系统校准并不简单，尤其是对于
Z
方向，因为远心将导致深度沿光轴变化不敏感
。
目前相关研究对长距离远心透镜成像的校准尚无成熟的标定算法，相关的标定算法要么需要使用高精度平移台进行系统校准通常很难设置
(
例如，移动方向完全垂直于
Z
轴
)
且成本高昂，要么由于强烈的约束要求
(
例如旋转矩阵的正交性
)
，这种方法很难实现外部参数校准的高精度
。
此外，由于放大率和外部参数自然耦合在一起且难以分离，因此校准过程进一步复杂化，增加了建模精度的不确定性
。
此外，沙姆投影模型由于像面倾斜，其产生的偏移不能用常规畸变模型进行耦合，目前也还没有统一
、
完善的模型描述方法
。
而且由于摄像机和投影仪之间的强烈几何约束，系统参数校准过程复杂且很难实现系统的高精度的系统校准
。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种远心成像沙姆投影三维显微测量系统及联合校准方法，该方法通过构建远心成像沙姆投影三维显微测量系统，解决小视场高放大率景深问题，克服了投影和成像分支离焦产生的重建误差，增加了动态测量范围
。
[0006]本专利技术是通过下述技术方案来实现的
。
[0007]本专利技术一方面，提供了一种远心成像结合沙姆投影三维显微测量系统的联合校准方法，包括：
[0008]建立沙姆投影模型和沙姆畸变模型，以及远心成像模型；
[0009]利用远心相机捕获并预处理标定板目标姿态图像，利用多频外差法进行远心相机圆心相位展开；
[0010]根据获得的圆心相位，通过局部单应性方法进行投影仪圆心映射；
[0011]根据建立的沙姆投影模型和映射的投影仪圆心，使用最大似然估计方法估计投影仪的内参固有矩阵
、
外部参数矩阵和畸变系数；
[0012]根据建立的沙姆畸变模型和获得的畸变系数，对投影仪畸变和沙姆角进行校正；
[0013]通过
PnP
方法对不同姿态下获得的投影仪外部参数矩阵进行误差优化；
[0014]根据所述投影仪外部参数矩阵，将标定板的圆心的三维坐标对齐到投影仪的坐标系下；
[0015]利用直接线性变换和奇异值分解方法，根据对齐的圆心三维坐标校准远心成像模型的投影矩阵；
[0016]根据得到的远心成像模型的投影矩阵和投影仪的内参固有矩阵
、
外部参数矩阵和畸变系数，利用非线性方法进行摄像机
‑
投影仪联合校准，实现高精度的三维显微测量系统标定
。
[0017]优选的，建立沙姆投影模型和畸变模型，当成像面与透镜面间的倾斜角
≤6
°
时，通过增加额外的像差畸变参数补偿倾斜效应
。
[0018]优选的，捕获并预处理每个目标姿态图像，捕获并预处理标定板目标姿态图像，包括：捕获每个目标姿态的一组图像，包括白光投影
、
水平条纹图案和垂直条纹图案；白光投影用于提取摄像机捕获的圆心作为特征点，水平和垂直条纹图案用于求解圆心的水平和垂直相位
。
[0019]优选的，进行投影仪圆心映射，包括：采用局部单应性方法，利用相机圆心邻域整像素相位值，求解对映投影仪的坐标值，构建从摄像机坐标到投影仪坐标的局部映射关系，求解精确的相机
‑
投影仪亚像素圆心映射
。
[0020]优选的，将标定板的圆心的三维坐标对齐到投影仪的坐标系下，使用在校准板的不同姿态下获得的投影仪的外部参数矩阵，将校准板圆心的世界坐标与投影仪坐标系对齐，投影仪外部参数矩阵变为单位矩阵与零向量矩阵
。
[0021]本专利技术另一方面，提供了一种所述联合校准方法的远心成像结合沙姆投影三维显微测量重建方法，包括：
[0022]使用立体视觉算法重构目标姿态图像的
3D
形貌，重建微观
3D
目标姿态图像：
[0023]通过投影条纹的相位求解远心成像点和投影点的同名点对，给定摄像机图像坐标和对应的投影仪水平坐标，计算目标姿态图像的
3D
坐标
。
[0024]本专利技术另一方面，提供了一种所述方法的远心成像结合沙姆投影三维显微测量系统，包括互成角度设置的投影分支
、
成像分支和楔形件；
[0025]投影分支，包括投影镜头和
DMD
数字投影芯片，
DMD
数字投影芯片生成数字条纹图案并投影到被测物体物面；
[0026]成像分支，包括远心成像镜头和高分辨率彩色相机，高分辨率彩色相机通过远心成像镜头捕捉物体表面反射的变形条纹图案，通过系统模型和相位恢复算法重建表面形貌；
[0027]楔形件，配置于投影镜头和
DMD
数字投影芯片之间，用于对成像物面进行移轴，沙...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种远心成像结合沙姆投影三维显微测量系统的联合校准方法，其特征在于，包括：建立沙姆投影模型和沙姆畸变模型，以及远心成像模型；利用远心相机捕获并预处理标定板目标姿态图像，利用多频外差法进行远心相机圆心相位展开；根据获得的圆心相位，通过局部单应性方法进行投影仪圆心映射；根据建立的沙姆投影模型和映射的投影仪圆心，使用最大似然估计方法估计投影仪的内参固有矩阵
、
外部参数矩阵和畸变系数；根据建立的沙姆畸变模型和获得的畸变系数，对投影仪畸变和沙姆角进行校正；通过
PnP
方法对不同姿态下获得的投影仪外部参数矩阵进行误差优化；根据所述投影仪外部参数矩阵，将标定板的圆心的三维坐标对齐到投影仪的坐标系下；利用直接线性变换和奇异值分解方法，根据对齐的圆心三维坐标校准远心成像模型的投影矩阵；根据得到的远心成像模型的投影矩阵和投影仪的内参固有矩阵
、
外部参数矩阵和畸变系数，利用非线性方法进行摄像机
‑
投影仪联合校准，实现高精度的三维显微测量系统标定
。2.
根据权利要求1所述的联合校准方法，其特征在于，建立沙姆投影模型和畸变模型，当成像面与透镜面间的倾斜角
≤6
°
时，通过增加额外的像差畸变参数补偿倾斜效应，畸变模型为：模型为：其中，
p
p
为投影仪
DMD
像素坐标，为沙姆畸变后的
DMD
坐标，为实际失真的归一化
DMD
坐标，为理想投影
DMD
平面和沙姆投影
DMD
面之间的单应性变换
。3.
根据权利要求1所述的联合校准方法，其特征在于，远心成像模型为：其中，
K
c
为远心相机的固有矩阵，
m
x
和
m
y
分别为远心透镜在
X
和
Y
方向上的有效放大倍数，
q
c
(u
c
,v
c
)
T
为齐次图像坐标，
(u
c0
，
v
c0
)
是投影中心主点，
x
c
、y
c
分别为相机坐标系下物点的
X
坐标和
Y
坐标
。4.
根据权利要求1所述的联合校准方法，其特征在于，捕获并预处理每个目标姿态图像，捕获并预处理标定板目标姿态图像，包括：捕获每个目标姿态的一组图像，包括白光投影
、
水平条纹图案和垂直条纹图案；白光投
影用于提取摄像机捕获的圆心作为特征点，水平和垂直条纹图案用于求解圆心的水平和垂直相位
。5.
根据权利要求1所述的联合校准方法，其特征在于，进行投影仪圆心映射，包括：采用局部单应性方法，利用相机圆心邻域整像素相位值，求解对映投影仪的坐标值，构建从摄像机坐标到投影仪坐标的局部映射关系，求解精确的相机
‑
投影仪亚像素圆心映射
。6.
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国锋，邓惠文，杨树明，夏承晟，孟亚云，葛灵宇，刘勇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：