编码结构光三维视觉系统的标定方法技术方案

一种编码结构光三维视觉系统的标定方法，包括以下步骤：１）摄像机标定过程：采用二维标定模板，标靶为标准的黑白棋格组成，特征点为棋格的点组成，摄像机拍摄不同位置的多幅图像，对所述多幅图像选择格子角点作为特征点，采用平面标定法对摄像机进行标定，得到摄像机内参数标定Ｋ，并得到均值焦距ｆ；２）投影仪标定过程：通过编码产生的光模板投射到共面标靶上，黑白方格角点作为定位点，利用在摄像机标定中获取的图像，同时提取黑白方格角点图像坐标，生成世界坐标。本发明专利技术摄影机标定精度高、能满足实际应用需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机视觉、数据处理、图像处理，尤其是一种结构光三维视觉 系统的标定方法。
技术介绍
结构光三维系统从摄像机获取的二维图像恢复三维形状，结构光系统具有精 度高的优良特性，其中摄像机、投影仪机的标定发挥了非常重要的作用。摄像机、 投影仪分别和物体的位置相互关系，投影仪与摄像机之间的相互关系，由摄像机 和投影仪的成像几何模型所决定，这两几何模型的参数称为系统参数，这些参数 必须由实验与计算来确定，实验与计算的过程称为结构光系统标定。系统的标定 是要获取各个传感器之间的关系以及自身的参数，标定精度决定整个系统的重建 误差，而且摄像机和投影仪的非线性特性通常完全被忽略，建模不精确。结构光 系统的标定方法主要有直接标定和分布标定两种，现有技术中，摄像机标定技术 非常成熟，直接使用一个经典的非线性模型来标定摄像机，标定精度满足实际应 用。现有技术中，对投影仪的标定依照其与摄像机之间的相互关系而定，存^r标 定精度低、无法满足实际应用需要。
技术实现思路
为了克服己有的的投影仪标定精度低、 无法满足实际应用需要的不足，本专利技术提供一种摄影机标定精度高、能满足实际 应用需要的编码结构光视觉成像系统的标定方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是 _一种编码结构光视觉成像系统的标定方法，所述标定方法包括以下步骤1) 、摄像机标定过程采用二维标定模板，标靶为标准的黑白棋格组成，特征点为棋格的点组成， 摄像机拍摄不同位置的多幅图像，对所述多幅图像选择格子角点作为特征点，采 用平面标定法对摄像机进行标定，得到摄像机内参数标定K，并得到均值焦距/;2) 、投影仪标定过程通过编码产生的光模板投影到共同标靶上，黑白方格角点作为定位点，禾用 在摄像机标定中获取的图像，同时提取黑白方格角点图像坐标，生成世界坐标；投射单一白色光模板时，得到Ai， Bi两点的图像坐标0uv》，(fi,Vfl)，以及世 界坐标为C^，&，Z》，(Xft&,Zs)，如附图中的图7所示，求直线L,和L的交点，得到 Pi点的图像坐标，如P,点的图像坐标为(^,印)，世界坐标定义为C^,&,4)，因为A B,， P,三点共面，所以Z^^-Zb，根据交比不变性，得到，令v广^ ， V(1)(2)由(l)、 (2)式得(3)。7=7=7 — —厶5A, 一分别表示X和Y方向的交比系数，C^,^,Zp)表示光条边缘特征点的世界坐标。作为优选的另一种方案在所述歩骤2)中，投影仪模型的建立过程为 由投影仪坐标Xd和世界坐标Xw建立模型如下「 (4)1乂附(加,/、1 乙13!24 —1，2,m221y是任一尺度因子，消除y，变换(4)式得到(5)附2[A K Z, ] + 利用(5)式构造以m,k为未知数的齐次线性方程组，然后通过奇异值分解求解投影仪参数；建立简化透视交比不变性几何模型，假设空间点A、 B、 C位于同一条直线L 上，以B为参考点，位置比率定义为-PR(A,B，C)=AB/AC W) 同理，A'、 B'、 C'是在透视中心O作用下，对应点A、 B、 C的成像点，并且位于 同一点直线L1上，图像坐标上的位置比率为PR(A',B',C')=A'B'/A'C' (7)根据透视几何原理的交比不变性，得到PR(A，B,C)=PR(A',B',C') (8) 在图像中点A'、 B'、 C'也是位于同一直线L'上。提取光模板中特征点的图像坐标，根据(8)式求出参考点B的世界坐标，建立 空间三维到一维坐标之间的映射关系来标定投影仪。本专利技术的有益效果主要表现在摄影机标定精度高、能满足实际应用需要。 附图说明图1是交比不变性原理示意图。图2是高精度标靶的示意图。图3是读入原始标定图像的示意图。图4是摄像标定投影误差的示意图。图5是光条投射标靶面图。图6是边缘提取及直线拟合的示意图。图7是特征点获取的示意图。图8是投影仪标定误差示意图。图9是标定点三维重构的示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1~图9， 一种编码结构光视觉成像系统的标定方法，所述标定方法包括以下步骤1) 、摄像机标定过程采用二维标定模板，标靶为标准的黑白棋格组成，特征点为棋格的点组成， 摄像机拍摄不同位置的多幅图像，对所述多幅图像选择格子角点作为特征点，采 用平面标定法对摄像机进行标定，得到摄像机内参数标定K，并得到均值焦距/;2) 、投影仪标定过程通过编码产生的光模板投影到共同标靶上，黑白方格角点作为定位点，利用 在摄像机标定中获取的图像，同时提取黑白方格角点图像坐标，生成世界坐标； 投射单一白色光模板时，直接提取Ai， Bi两角点的图像坐标(-》，(AVs)， 以及世界坐标为(;^&，&)， (%S，FB,ZB)，如附图中的图7所示，求直线Li和L的交点， 得到Pi点的图像坐标，如P!点的图像坐标为(叫Vp)，其世界坐标定义为(；IV，Zp)， 因为A,， B!， Pi三点共面，所以4=^^&，根据交比不变性，得到，令、-V/ K-^义=V^_V^ ，义=广尸(1)(2)由(l)、 (2)式得7=7=7 厶r 厶」 厶w(3)。A. ^分别表示X和Y方向的交比系数，(Xp,&,Zp)表示光条边缘特征点的世 界坐标。在所述歩骤2)中，投影仪模型的建立过程为 由投影仪坐标Xd和世界坐标Xw建立模型如下-乂-附i乙1 —附2附241Wn W|2 /Mn W14 附21 W22 附23 OT241(4)y是任一尺度因子，消除y，变换(4)式得到(5)利用(5)式构造以m,k为未知数的齐次线性方程组，然后通过奇异值分解氺解ii影7仪参数；建立简化透视交比不变性几何模型，如附件中的图l所示，假设空间点A、 B、 C位于同一条直线L上，以B为参考点，位置比率定义为PR(A,B，C)=AB/AC (6) 同理，A'、 B'、 C'是在透视中心O作用下，对应点A、 B、 C的成像点，并且位于 同一点直线L1上，图像坐标上的位置比率为PR(A'，B',C')=A'B'/A'C' (7)根据透视几何原理的交比不变性，得到PR(A,B，C)=PR(A',B',C') (8) 在图像中点A'、 B'、 C'也是位于同一直线L'上。提取光模板中特征点的图像坐标，根据(8)式求出参考点B的世界坐标，建立 空间三维到一维坐标之间的映射关系来标定投影仪。本实施例中，投影仪模型在概念上等同于摄像机的逆模型，由于空间编码的一维性，这里可以简化成一维模型。由投影仪坐标Xd和世界坐标Xw建立模^如下—V 1 「 K _(4)乂-乂附 / 14Wn W12 Wn 附|41w2 w24附2| w22 附附24iy是任一尺度因子，消除y，变换(4-13)式得到(5)利用(4-14)式构造以m汰为未知数的齐次线性方程组，然后通过奇异值(SVD)分解求解投影仪参数。在三维重建中，光条边缘点作为特征点，与棋盘格的角点不同，其世界坐标 无法直接获得，需要利用已知点的世界坐标间接求。建立简化透视交比不变性几 何模型，如图1所示，假设空间点A、 B、 C位于同一条直线L上，以B为参考点， 位置比率定义为PR(A，B,C)=AB/AC (6) 同理，A'本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种编码结构光三维视觉系统的标定方法，所述标定方法包括以下步骤：　　１）、摄像机标定过程：　　采用二维标定模板，标靶为标准的黑白棋格组成，特征点为棋格的点组成，摄像机拍摄不同位置的多幅图像，对所述多幅图像选择格子角点作为特征点，采用平面标定法对摄像机进行标定，得到摄像机内参数标定Ｋ，并得到均值焦距＊；其特征在于：所述标定方法还包括：　　２）、投影仪标定过程：　　通过编码产生的光模板投影到共同标靶上，黑白方格角点作为定位点，利用在摄像机标定中获取的图像，同时提取黑白方格角点图像坐标，生成世界坐标；　　投射单一白色光模板时，直接提取Ａ↓［１］，Ｂ↓［１］两角点的图像坐标（ｕ↓［Ａ］，ｖ↓［Ａ］），（ｕ↓［Ｂ］，ｖ↓［Ｂ］），以及世界坐标为（Ｘ↓［Ａ］，Ｙ↓［Ａ］，Ｚ↓［Ａ］），（Ｘ↓［Ｂ］，Ｙ↓［Ｂ］，Ｚ↓［Ｂ］），求直线Ｌ↓［ｉ］和Ｌ的交点，得到Ｐ↓［１］点的图像坐标，如Ｐ↓［１］点的图像坐标为（ｕ↓［Ｐ］，ｖ↓［Ｐ］），世界坐标定义为（Ｘ↓［ｐ］，Ｙ↓［Ｐ］，Ｚ↓［ｐ］），因为Ａ↓［１］，Ｂ↓［１］，Ｐ↓［１］三点共面，所以Ｚ↓［ｐ］＝Ｚ↓［Ａ］＝Ｚ↓［Ｂ］，根据交比不变性，得到，　　（Ｘ↓［Ａ］－Ｘ↓［Ｐ］）／（Ｘ↓［Ａ］－Ｘ↓［Ｂ］）＝（ｖ↓［Ａ］－ｖ↓［Ｐ］）／（ｖ↓［Ａ］－ｖ↓［Ｂ］），（Ｙ↓［Ａ］－Ｙ↓［Ｐ］）／（Ｙ↓［Ａ］－Ｙ↓［Ｂ］）＝（ｕ↓［Ａ］－ｕ↓［Ｐ］）／（ｕ↓［Ａ］－ｕ↓［Ｂ］）　（１）　　令　　λ↓［ｘ］＝（ｖ↓［Ａ］－ｖ↓［Ｐ］）／（ｖ↓［Ａ］－ｖ↓［Ｂ］），λ↓［ｙ］＝（ｕ↓［Ａ］－ｕ↓［Ｐ］）／（ｕ↓［Ａ］－ｕ↓［Ｂ］）　（２）　　由（１）、（２）式得：　　＊＊＊　（３）。λ↓［ｘ］，λ↓［ｙ］分别表示Ｘ和Ｙ方向的交比系数，（Ｘ↓［ｐ］，Ｙ↓［Ｐ］，Ｚ↓［ｐ］）表示光条边缘特征点的世界坐标。...

【技术特征摘要】
1、一种编码结构光三维视觉系统的标定方法，所述标定方法包括以下步骤1)、摄像机标定过程采用二维标定模板，标靶为标准的黑白棋格组成，特征点为棋格的点组成，摄像机拍摄不同位置的多幅图像，对所述多幅图像选择格子角点作为特征点，采用平面标定法对摄像机进行标定，得到摄像机内参数标定K，并得到均值焦距f；其特征在于所述标定方法还包括2)、投影仪标定过程通过编码产生的光模板投影到共同标靶上，黑白方格角点作为定位点，利用在摄像机标定中获取的图像，同时提取黑白方格角点图像坐标，生成世界坐标；投射单一白色光模板时，直接提取A1，B1两角点的图像坐标(uA，vA)，(uB，vB)，以及世界坐标为(XA，YA，ZA)，(XB，YB，ZB)，求直线Li和L的交点，得到P1点的图像坐标，如P1点的图像坐标为(uP，vP)，世界坐标定义为(Xp，YP，Zp)，因为A1，B1，P1三点共面，所以Zp＝ZA＝ZB，根据交比不变性，得到，<maths id=math0001 num=0001 ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mi>X</mi> <mi>A</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>X</mi> <mi>P</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>X</mi> <mi>A</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>X</mi> <mi>B</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>A</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>P</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>A</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>B</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id=icf0001 file=A2009101536120002C1.tif wi=34 he=10 top= 137 left = 63 img-content=drawing img-format=tif orientation=portrait inline=yes/></maths><maths id=math0002 num=0002 ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mi>Y</mi> <mi>A</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>Y</mi> <mi>P</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>Y</mi> <mi>A</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>Y</mi> <mi>B</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>u</mi> <mi>A</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>u</mi> <mi>P</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>u</mi> <mi>A</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>u</mi> <mi>B</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math> id=icf0002 file=A2009101536120002C2.tif wi=72 he=10 top= 137 left = 101 img-content=drawing img-format=tif orientation=portrait inline=yes/></maths>令<maths id=math0003 num=0003 ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>&lambda;</mi> <mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>A</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>P</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>A</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>B</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id=icf0...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈胜勇，胡正周，刘盛，李帅，王万良，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]