專利名稱：一種三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維成像系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)，具體為一種基于非均勻條紋投影技術(shù)測量物 體表面相位，建立絕對相位和深度之間關(guān)系的三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
已有的三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法或者依賴精確移動和定位的平板建立相位和深度 間關(guān)系，從而標(biāo)定時間長、且局限于實驗室環(huán)境內(nèi)完成；或者依靠計算成像單元和投影單元 的內(nèi)外部參數(shù)及其相對位置關(guān)系，此種方法執(zhí)行困難、且所得到的參數(shù)不精確，從而最終無 法得到高精度的三維形狀數(shù)據(jù)。在申請人檢索的范圍內(nèi)，三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法可以見 到以下相關(guān)文獻(xiàn)信息l.Q.Y.Hu，等發(fā)表的“三維形狀測量系統(tǒng)的標(biāo)定”(Calibration of athree-dimensional shape measurement system, Opt. Eng. 42,487-493 (2003))，提出了一 種兩步方法標(biāo)定CCD相機(jī)和數(shù)字投影儀的內(nèi)外部參數(shù)。首先測量系統(tǒng)參數(shù)的大概數(shù)值，然 后利用一種迭代算法求取參數(shù)的精確值。但由于CCD相機(jī)和數(shù)字投影儀鏡頭畸變的影響， 該種標(biāo)定方法無法給出準(zhǔn)確的系統(tǒng)外部參數(shù)，從而所標(biāo)定的三維系統(tǒng)精度不高。2. G. Sansoni等發(fā)表的“基于投影結(jié)構(gòu)光三維成像傳感器的標(biāo)定和性能評 ift" (Calibration and performance evaluation of a 3-D imaging sensor based on theprojection of structured light, IEEE T. Instrum. Meas. 49，628-636，(2000))，首先 從理論上推導(dǎo)了深度、絕對相位和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系，然后研究了系統(tǒng)中投影儀和CCD 相機(jī)間距離、相機(jī)到參考平面的距離、成像光軸和投影光軸間夾角等參數(shù)的不確定性對標(biāo) 定結(jié)果的影響，最后標(biāo)定了系統(tǒng)的各個參數(shù)。但由于所獲得的參數(shù)不準(zhǔn)確，此種標(biāo)定方法同 樣無法精確得到相位和深度間的關(guān)系。3. Z. H. Zhang等發(fā)表的“基于條紋投影三維全場傳感器的性能評價”(Performance analysis of a 3-D full-field sensor based on fringe projection, Opt. Lasers Eng. 42,341-353(2004))，系統(tǒng)推導(dǎo)了在均勻條紋投影條件下，相位、深度、系統(tǒng)參數(shù)之間在 不同像素位置時的關(guān)系表達(dá)式；然后詳細(xì)分析了投影儀和CCD相機(jī)間距離、相機(jī)到參考平 面的距離、光柵條紋間距的誤差對測量結(jié)果的影響；最后用仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。此文雖然 建立了三維成像系統(tǒng)標(biāo)定的數(shù)學(xué)模型，分析了各個參數(shù)對深度測量的影響，但沒有給出如 何實際標(biāo)定具體的三維成像系統(tǒng)。4. Liang-Chia Chen等發(fā)表的“使用數(shù)字條紋投影技術(shù)的三維形貌輪廓儀的標(biāo) 定，，(Calibration of 3D surface profilometry using digital fringe projection, Meas. Sci. Technol. 16，1554-1566 (2005))，研究了利用已知幾何尺寸的高精度平板和精密 移動的水平移動平臺獲得標(biāo)定數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行最小方根擬合，獲取三維成像系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定方法。精密水平移動臺的應(yīng)用限制了此種方法只能在實驗室內(nèi)完成，而不適 合在實際現(xiàn)場應(yīng)用。5. P. R. Jia,等發(fā)表的“相位測量輪廓術(shù)中線性和非線性標(biāo)定方法的比 較，，(Comparison of linear and nonlinear calibration methods for phase-measuringprofilometry, Opt. Eng. 46，043601 (2007))，首先推導(dǎo)了相位和深度間線 性和非線性關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式；然后利用模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)比較了此兩種標(biāo)定方法的精 度。實際數(shù)據(jù)的獲取采用了精密水平移動臺，因此限制了此種方法的使用場合。6. Ricardo等發(fā)表的“標(biāo)定結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的精確過程”(Accurate procedurefor the calibration of a structured light system, Opt. Eng. 43,464-471 (2004)),ilil^jj^ft 單元和投影單元分別定義獨立的坐標(biāo)系統(tǒng)，可在變換過程中引入剛性限制，從而推出一個 簡單函數(shù)用以同時計算這兩個單元的內(nèi)外部參數(shù)。但此種標(biāo)定方法過程繁瑣，且在求解參 數(shù)的過程中易引起局部最小化而得不到正確的內(nèi)外部參數(shù)值，從而所建立的相位和深度間 關(guān)系不精確。7. Xianyu Su等公開的“相位測量輪廓術(shù)中相位-高度映射和坐標(biāo)的同時 標(biāo) 定，，(Phase-height mapping and coordinate cal ibration simultaneously inphase-measuring prof ilometry, Opt. Eng. 43，708-712 (2004))，通過一次測量包含四個 虛擬標(biāo)定面的三維標(biāo)定體，可同時得到深度和相位的關(guān)系、以及垂直光軸平面內(nèi)像素位置 和XY坐標(biāo)間的關(guān)系。十三個分離的目標(biāo)體決定了四個虛擬平面的位置，同時用于標(biāo)定XY 平面同像素位置間的關(guān)系。深度和相位間關(guān)系的多項式系數(shù)由四個虛擬平面決定。由于相 位和深度間是依賴像素位置的非線性關(guān)系，此種方法無法得到每個像素點位置多項式的系 數(shù)，因此標(biāo)定的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。8.韋爭亮等發(fā)表的“單攝像機(jī)單投影儀三維測量系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)(清華大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)，2009年02期，202-205) ”，提出了單獨確定攝像機(jī)和投影儀內(nèi)外結(jié)構(gòu)參數(shù)來 標(biāo)定整個三維成像系統(tǒng)的方法。通過反投影方法，可把投影儀看作一個能采集圖像的攝像 機(jī)。此種方法過程繁瑣，且對測量場中產(chǎn)生的非等間距條紋有較大誤差。9.達(dá)飛鵬等公開的“基于相位法的三維輪廓測量方法(專利號200710021749) ” 蓋邵彥等，“一種新的相位法三維輪廓測量系統(tǒng)模型及其標(biāo)定方法研究(自動化學(xué)報，2007 年09期，902-910) ”，首先利用非線性方法標(biāo)定CCD相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)；然后建立相位和物點 三維坐標(biāo)間的測量關(guān)系式；放置標(biāo)定平板于測量場中不同位置，采集樣本點求解測量關(guān)系 式中的系統(tǒng)參數(shù)。此種方法雖然可求解CCD相機(jī)的畸變參數(shù)，但無法將投影系統(tǒng)的畸變包 含進(jìn)測量關(guān)系式中；另外，由于相位和深度坐標(biāo)間是依賴像素位置的非線性關(guān)系，而在每個 像素點位置假定所構(gòu)建的測量關(guān)系式相同，因此標(biāo)定的結(jié)果不精確。由上述文獻(xiàn)可以看出，對基于相位測量的三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定，已有的方法可分 為基于模型和基于多項式的技術(shù)?；谀Ｐ偷姆椒ㄊ紫冉⑷S成像系統(tǒng)中相位、深度、結(jié) 構(gòu)參數(shù)間的測量關(guān)系式，然后求解此關(guān)系式中的各個系統(tǒng)參數(shù)建立相位和深度間關(guān)系，從 而完成系統(tǒng)的三維標(biāo)定。此種標(biāo)定方法要么依靠精確定位設(shè)備移動標(biāo)定平板，利用所獲取 數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)的內(nèi)外部參數(shù)，但不適宜在實驗室以外的現(xiàn)場應(yīng)用，且設(shè)備價格昂貴；要么標(biāo) 定過程復(fù)雜，難于實現(xiàn)，且所得到的參數(shù)精度不高?；诙囗検降臉?biāo)定技術(shù)不考慮深度、相 位和系統(tǒng)參數(shù)間的具體表達(dá)式，而是利用一個高階多項式為每個像素建立深度和相位間的 關(guān)系。在標(biāo)定過程中，多利用在測量空間中精確移動一平板到若干已知位置。在每個位置， 投影光柵條紋到平板表面求取每點的相位。通過已知的深度變化和求得的相位，對每個像 素點求解高階多項式的系數(shù)，利用查找表建立相位和深度間關(guān)系而完成三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定。此種方法需要建立查找表，對標(biāo)定設(shè)備的要求比較高，且不適宜實際現(xiàn)場的標(biāo)定。因 此，基于模型的標(biāo)定技術(shù)過程繁瑣，且所得到參數(shù)的精度不高；基于多項式的標(biāo)定技術(shù)需要 查找表建立每個像素點深度和相位間的關(guān)系。另外，兩種方法大都需要精密二維或三維標(biāo) 定設(shè)備，價格昂貴，從而限制系統(tǒng)的標(biāo)定在實驗室完成，而不適宜實際現(xiàn)場的使用。因而，三 維成像系統(tǒng)的標(biāo)定，特別是在實驗室以外的現(xiàn)場標(biāo)定，是一個尚未很好解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種三維成像系統(tǒng)的標(biāo) 定方法，該標(biāo)定方法基于非均勻條紋投影技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確、簡易地確定相位圖和深度 之間的關(guān)系，特別適于工程實際現(xiàn)場標(biāo)定使用，且成本低廉。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計一種三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法，該 方法包括(1)設(shè)計標(biāo)定平板，標(biāo)定平板為白色，并具有漫反射表面，同時在標(biāo)定平板上設(shè)計 有正方形矩陣式排布的黑色圓環(huán)標(biāo)識，且相鄰標(biāo)識之間的中心距相等；(2)放置所述標(biāo)定平板于測量場中的任意不同位置，并在每個放置位置投影具有 最佳條紋個數(shù)的非均勻正弦光柵條紋到所述標(biāo)定平板的表面，然后采集每個放置位置的條 紋圖像；進(jìn)而從采集的條紋圖像中計算出黑色圓環(huán)標(biāo)識內(nèi)部每個白色像素點的絕對相位；(3)對于在測量場中不同放置位置的標(biāo)定平板，從相應(yīng)的絕對相位圖中提取出各 個標(biāo)識的中心點位置，利用標(biāo)識間的已知距離和CCD相機(jī)的標(biāo)定方法，求解出標(biāo)定平板在 各個放置位置時標(biāo)識的空間坐標(biāo)；變換所有空間坐標(biāo)到同一相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)中，求得標(biāo)定平 板在各個放置位置時標(biāo)識的相對深度；(4)建立一個高階多項式(A)，用于表達(dá)所述絕對相位和相對深度之間的關(guān)系Δ Z = an Δ φ 1^alri Δ φ n^1+. . . +B1 Δ φ ^a0(A)式中，Δ ζ是相對參考平面的深度；Δ φ是絕對相位值；an，…，a1 a0是待求解 的多項式系數(shù)；η是多項式的級次；利用所得到的標(biāo)識中心點的絕對相位和深度，求解多項 式的系數(shù)；(5)利用所標(biāo)定的多項式系數(shù)，轉(zhuǎn)換絕對相位到實際的深度數(shù)據(jù)，完成三維成像系 統(tǒng)的標(biāo)定。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法的優(yōu)點包括1、不依賴高精度標(biāo)定設(shè)備，方便現(xiàn)場完成三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定。本發(fā)明標(biāo)定方法 由于不需要精確控制標(biāo)定平板的位置，也無需知道CXD相機(jī)和數(shù)字投影儀DLP的內(nèi)外部參 數(shù)，而是利用特別設(shè)計的表面帶有標(biāo)識的標(biāo)定平板(標(biāo)識間距離已知)，避免了高精度水平 移動儀或復(fù)雜三維標(biāo)定體的使用，因此，本發(fā)明三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法可脫離實驗室環(huán) 境，方便在工程實際現(xiàn)場完成三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定任務(wù)，且成本低廉。2、不需查找表，數(shù)據(jù)存儲少。本發(fā)明方法非均勻條紋投影技術(shù)的使用，在測量場中 產(chǎn)生等間距的正弦光柵條紋，從而使相位和深度之間是不依賴像素位置的關(guān)系，即在所有 像素位置使用相同的測量關(guān)系式，因此，理論上一組多項式系數(shù)即可建立相位和深度間關(guān) 系，避免了查找表的使用，節(jié)省了存儲空間。3、標(biāo)定數(shù)據(jù)精度高。本發(fā)明方法在求解多項式系數(shù)和從相位到深度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程中，可用一虛擬的參考平面取代實際的物理平面，從而減小測量數(shù)據(jù)的不確定性，提高測
量精度。


圖1為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法所采用的三維成像系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)構(gòu)示意圖。所 設(shè)計的標(biāo)定平板可放置在測量場中的任意位置；圖2為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法利用非均勻條紋投影而在測量場中產(chǎn)生等 間距光柵條紋投影的示意圖。圖中虛線表示投影儀所發(fā)出的光線。由于投影光軸和成像光 軸不平行，所產(chǎn)生條紋左側(cè)的間距要求大于右側(cè)的間距，從而投影在參考平面上的條紋具 有相等的間距；圖3為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法所設(shè)計帶有黑色圓環(huán)標(biāo)識的具有漫反射表 面的白色平板，在水平和垂直方向相鄰兩圓環(huán)中心間的距離為15mm ；圖4為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法所采用的系統(tǒng)標(biāo)定硬件組成實驗圖；圖5為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法利用CCD相機(jī)采集到的投影非均勻正弦光柵 條紋在標(biāo)定平板表面上的條紋圖像；圖6為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法投影三組具有最佳條紋個數(shù)的條紋模式到 標(biāo)定平板表面的條紋圖像，每組包含四幅彼此間有90度相位移動的條紋圖；圖7為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法利用四步相移到每組圖像得到的三幅折疊 相位圖(圖(a)-(c))，應(yīng)用最佳條紋選擇方法到此三幅折疊相位圖而得到的展開相位圖 (圖⑷)；圖8為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法利用黑色圓環(huán)標(biāo)識的內(nèi)外邊界確定標(biāo)識點 中心位置0坐標(biāo)原理示意圖；圖9為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法從絕對相位圖像中提取所有圓環(huán)標(biāo)識的內(nèi) 外邊界，并利用邊界確定每個標(biāo)識的中心位置的示意圖；圖10為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法應(yīng)用所標(biāo)定的三維成像系統(tǒng)測量已知深度 位置為8毫米的平板，取中間一行所得到的測量深度數(shù)據(jù)圖；圖11為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法應(yīng)用所標(biāo)定的三維成像系統(tǒng)測量已知深度 位置為_8毫米的平板，取中間一行所得到的測量深度數(shù)據(jù)圖；圖12為本發(fā)明三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法所采用的標(biāo)定方法具體工作流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及其附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明，但本發(fā)明申請的權(quán)利要求保護(hù)范圍 不受實施例的限制。本發(fā)明設(shè)計的三維成像系統(tǒng)標(biāo)定方法(簡稱標(biāo)定方法，參見圖1-12)，基于相位測 量，采用三維標(biāo)定結(jié)構(gòu)(參見圖1)，使用設(shè)備主要包括電腦1、CCD數(shù)碼相機(jī)(簡稱CCD相 機(jī))2、DLP數(shù)字投影儀(簡稱DLP投影儀)3、和自行設(shè)計表面帶有黑色圓環(huán)標(biāo)識的標(biāo)定平 板(簡稱標(biāo)定平板)4。電腦1通過其上的視頻接口與DLP數(shù)字投影儀3連接，并通過其上 的IEEE1394接口與CXD數(shù)碼相機(jī)2連接。所述電腦1用來控制DLP投影儀3和CXD相機(jī) 2，并存儲、顯示和處理所采集的圖像，獲得相應(yīng)的標(biāo)定結(jié)果。DLP投影儀3用來投射所產(chǎn)生的非均勻正弦光柵條紋模式到標(biāo)定平板4的表面。CCD相機(jī)2用于采集投影在標(biāo)定平板4 上的變形條紋圖像。所述電腦1、C⑶相機(jī)2和DLP投影儀3均為市購產(chǎn)品。標(biāo)定平板4是 自行設(shè)計的設(shè)備。本發(fā)明標(biāo)定方法的設(shè)計原理為(參見圖2)非均勻光柵5由軟件編程在電腦中產(chǎn) 生，并經(jīng)過DLP投影儀3投影出來。參考平面6為一虛擬的平面，非均勻光柵5投影在參考 平面6上的條紋具有相等的間距。成像光軸7是成像系統(tǒng)的光軸。本發(fā)明標(biāo)定方法所設(shè)計的標(biāo)定平板4是本發(fā)明的創(chuàng)新。所述標(biāo)定平板4為白色平 板8，其上設(shè)計有正方形矩陣式排布的(實施例為9X9個)黑色圓環(huán)標(biāo)識9 (參見圖3)，白 色平板8的表面具有漫反射特性，黑色圓環(huán)標(biāo)識9的內(nèi)部也是白色，水平方向和垂直方向相 鄰的兩個黑色圓環(huán)標(biāo)識9之間的中心距離相等且已知，實施例均為15mm。本發(fā)明標(biāo)定方法所設(shè)計的圓環(huán)標(biāo)識參考位置包括(參見圖8)標(biāo)識中心點位置 11、標(biāo)識外邊界12和標(biāo)識內(nèi)邊界13。標(biāo)識中心點位置11表示了整個黑色圓環(huán)標(biāo)識9的中 心位置。標(biāo)識外邊界12和標(biāo)識內(nèi)邊界13則分別表示了黑色圓環(huán)標(biāo)識9的內(nèi)外邊界。本發(fā) 明標(biāo)定方法實施例從所采集標(biāo)定平板4上提取出的黑色圓環(huán)標(biāo)識9的參考位置共81個(參 見圖9)，每個標(biāo)識9都包括標(biāo)識中心點位置11、外邊界12和內(nèi)邊界13。本發(fā)明標(biāo)定方法投影正弦條紋到標(biāo)定平板4的表面可形成正弦條紋模式10(參見 圖5)。本發(fā)明標(biāo)定方法實施例包括如下具體步驟1.根據(jù)測量場的大小，設(shè)計表面均勻分布9 X 9個黑色圓環(huán)標(biāo)識9的白色標(biāo)定平板 4，要求白色標(biāo)定平板的表面具有漫反射特性，且在水平和垂直方向相鄰兩個標(biāo)識圓環(huán)9之 間的中心距為15mm ；2.利用軟件編程，產(chǎn)生三組正弦直條紋，每組條紋包含四幅彼此間有90度相移的 圖像，共有12幅正弦直條紋圖像；此三組條紋圖像具有最佳條紋個數(shù)為100、99、90，從而可 用最佳條紋選擇方法獨立計算每個像素點位置的絕對相位；3.擺放標(biāo)定平板4于測量場中若干不同的任意位置。但為了得到較精確的標(biāo)定結(jié) 果，應(yīng)盡量使標(biāo)定平板4在測量場中的擺放位置相對于成像光軸7對稱分布；4.對于標(biāo)定平板4所在的每個位置，DLP數(shù)字投影儀3投射軟件所產(chǎn)生的12幅具 有最佳條紋個數(shù)的條紋圖像投射到標(biāo)定平板4的表面；受到標(biāo)定平板4表面形狀的調(diào)制，從 不同于DLP數(shù)字投影儀3的投影方向，CCD相機(jī)2順次采集變形的12幅條紋圖像，并把它 們存儲到電腦中(參見圖1、2、6)；5.對于每個位置所采集的12幅條紋圖像，應(yīng)用四步相移算法到每組的四個條紋 圖像，計算各個像素點的相位信息，得到三幅高精度的折疊相位圖(參見圖7(a)_(c))；6.對于標(biāo)定平板4所在的每個位置，應(yīng)用最佳條紋選擇方法(該選擇方法系現(xiàn) 有技術(shù)，可參見Z. H. Zhang, C. Ε. Towers, and D. P. Towers, “利用最佳三頻率選擇的有效彩 色條紋投影系統(tǒng)獲取物體三維形狀和顏色”(Timeefficient color fringe projection system for 3D shape and color using optimum3-frequency selection, Opt. Express 14,6444-6455(2006)))可計算得到每個像素點的絕對相位圖(參見圖7(d))；7.從第(6)步所述絕對相位圖中提取各個黑色圓環(huán)標(biāo)識9的內(nèi)、外標(biāo)識邊界13和 12，利用邊界點像素位置擬合橢圓得到標(biāo)識9的中心點位置11 (參見圖9)；標(biāo)識9的內(nèi)部是漫反射的白色平面，具有較高的條紋對比度；8.利用第(6)步所述絕對相位圖和第(7)步所述標(biāo)識的中心點位置11，得到中心 點的絕對相位，并以其作為該標(biāo)識的絕對相位值；9.利用當(dāng)標(biāo)定平板4在不同位置時所得到所有標(biāo)識的中心位置，標(biāo)定CXD相機(jī)2 的內(nèi)部參數(shù)及各個標(biāo)識在CCD相機(jī)2坐標(biāo)系中的相對位置，從而獲得當(dāng)標(biāo)定平板4在不同 位置時所有標(biāo)識相對參考平面6的深度值；10.利用第(8)步所述各個標(biāo)識的絕對相位值和第(9)步所述對應(yīng)標(biāo)識中心點的 深度值，可求解所述(A)式中的各個系數(shù)B1^alri，…，&1，&(1，從而建立起絕對相位和相對深 度之間的關(guān)系，完成三維成像系統(tǒng)的精確標(biāo)定。該多項式(即(A)式)中的級次η可根據(jù) 實際的應(yīng)用需求選擇高精度測量，多項式的級次較高，要求標(biāo)定平板的放置位置較多；精 度要求不高的測量，多項式的級次較低，要求標(biāo)定平板的放置位置較少.為驗證本發(fā)明方法標(biāo)定三維成像系統(tǒng)相位和深度間關(guān)系的精確性和有效性，在測 量場中精確定位同一標(biāo)定平板于8mm和-8mm兩個深度位置。投影具有最佳條紋個數(shù)100、 99,90的12幅條紋到此平板的表面并采集這些變形條紋圖像。對應(yīng)每個條紋個數(shù)的四個 條紋圖像，應(yīng)用四步相移法計算各個像素點的相位而得到一幅折疊相位圖。利用最佳條紋 選擇方法，從所獲得的三個折疊相位圖中獨立計算每個像素點的絕對相位。取所獲得的 絕對相位圖中間一行進(jìn)行剖面顯示，如圖10和所示。計算此行數(shù)據(jù)的平均值作為三維成 像系統(tǒng)所測量的深度距離，分別為8. 171mm和-7. 991mm，其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方差為0. 061mm和 0. 078mm。本發(fā)明基于三角化的工作原理和非均勻條紋投影技術(shù)(1)從DLP投影儀方向產(chǎn) 生的光柵直條紋投射到標(biāo)定平板4的表面，受到其表面形狀的調(diào)制，從另外一個方向看到 的條紋將變形。此變形的條紋包含物體表面三維形狀信息，其具體關(guān)系由成像光軸和投影 光軸所構(gòu)成的三角形決定。對于常用的均勻條紋投影技術(shù)，由于成像和投影光軸的非平行 關(guān)系，在測量場中所產(chǎn)生的條紋具有不相等的條紋間距，即非均勻條紋。從而使絕對相位和 深度間是依賴像素位置的關(guān)系；(2)當(dāng)采用非均勻條紋投影技術(shù)時，在測量場中產(chǎn)生的條 紋具有相等的條紋間距，此時絕對相位和深度間是不依賴像素位置的簡單關(guān)系，因此可用 一個多項式(即公式(A))來描述所有像素點的測量關(guān)系式，從而避免了查找表的使用，簡 化了標(biāo)定過程。對基于相位測量的三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定是系統(tǒng)設(shè)計制造中重要的一步，它決定了 所測量數(shù)據(jù)的精度。本發(fā)明方法基于絕對相位和深度間不依賴像素位置的特性，利用自行 設(shè)計表面帶有黑色圓環(huán)標(biāo)識的標(biāo)定平板，在測量場中任意擺放若干位置，通過離散標(biāo)識點 在各個位置的絕對相位和深度值可求解多項式的系數(shù)，最終完成系統(tǒng)的標(biāo)定。由于不需要 高精度的移動設(shè)備，此標(biāo)定方法可脫離實驗室環(huán)境的限制而在實際現(xiàn)場完成。本發(fā)明的具體工作過程可描述如下(參見流程圖12)根據(jù)所選擇的最佳條紋個 數(shù)，例如100、99、90，利用軟件在電腦1中產(chǎn)生3組、每組包含4幅彼此間有90度相位移動 的正弦條紋圖，因此共有12幅條紋圖像。調(diào)制這些條紋到彩色圖像的藍(lán)色通道。擺放標(biāo)定 平板4于測量場中一任意位置。通過電腦1順次傳送這12幅圖像到DLP投影儀3，從而在 標(biāo)定平板4的表面產(chǎn)生變形的條紋圖像。CCD相機(jī)2從不同于DLP投影儀3投影方向的方 向順次采集這些圖像并存儲到電腦1中。對這三組圖像，分別利用四步相移算法計算出對應(yīng)變形條紋圖的折疊相位，共得到三幅折疊相位圖。應(yīng)用最佳條紋選擇方法到所獲得的三 幅折疊相位圖，可獨立確定每個正弦條紋的絕對級次。結(jié)合所得到的折疊相位和正弦條紋 的絕對級次，獨立計算出各個像素點位置的絕對相位，得到標(biāo)定平板4在此位置的絕對相 位圖。從此絕對相位圖中提取各個黑色圓環(huán)的內(nèi)外邊界。對于每個標(biāo)識，利用橢圓擬合的 方法擬合此標(biāo)識的邊界點，所得橢圓中心即為標(biāo)識的中心點坐標(biāo)。從絕對相位圖中提取得 到各個標(biāo)識中心點坐標(biāo)的相位值。如果標(biāo)定過程完成，利用CCD相機(jī)標(biāo)定方法計算其內(nèi)外 參數(shù)；如果沒有完成，重復(fù)上述過程采集標(biāo)定數(shù)據(jù)。根據(jù)所得到的外部參數(shù)，轉(zhuǎn)換標(biāo)定平板 4在各個位置時標(biāo)識中心點坐標(biāo)到CCD相機(jī)坐標(biāo)系。在同一相機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)，計算各個標(biāo)識點 相對參考平面的深度。最后，利用所得到的各個標(biāo)識中心點的絕對相位和深度值，求解多項 式系數(shù)，完成系統(tǒng)的標(biāo)定。本發(fā)明方法未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明方法基于非均勻條紋投影技術(shù)，依靠投影非均勻條紋圖像到自行設(shè)計標(biāo)定 平板的表面，求解標(biāo)定平板在各個位置時標(biāo)識中心點的絕對相位和深度，從而最終決定多 項式的系數(shù)完成三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定。本發(fā)明方法依據(jù)高度和相位是不依賴像素位置的簡 單關(guān)系，利用測量場中若干距離已知的離散標(biāo)識點標(biāo)定絕對相位和深度間關(guān)系，簡化了三 維成像系統(tǒng)的標(biāo)定過程，脫離對復(fù)雜高精度標(biāo)定設(shè)備的依賴，可非常方便地工程實際現(xiàn)場 完成系統(tǒng)的標(biāo)定。因此，本發(fā)明方法拓寬了三維成像技術(shù)的實際應(yīng)用范圍，不僅對于三維視 覺領(lǐng)域高新技術(shù)的研究開發(fā)具有重要的理論意義，而且對于諸如快速成型制造、工業(yè)自動 在線檢測、多媒體、虛擬現(xiàn)實、電子商務(wù)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的實用價值。
權(quán)利要求
一種三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法，該方法包括(1)設(shè)計標(biāo)定平板，標(biāo)定平板為白色，并具有漫反射表面，同時在標(biāo)定平板上設(shè)計有正方形矩陣式排布的黑色圓環(huán)標(biāo)識，且相鄰標(biāo)識之間的中心距相等；(2)放置所述標(biāo)定平板于測量場中的任意不同位置，并在每個放置位置投影具有最佳條紋個數(shù)的非均勻正弦光柵條紋到所述標(biāo)定平板的表面，然后采集每個放置位置的條紋圖像；進(jìn)而從采集的條紋圖像中計算出黑色圓環(huán)標(biāo)識內(nèi)部每個白色像素點的絕對相位；(3)對于在測量場中不同放置位置的標(biāo)定平板，從相應(yīng)的絕對相位圖中提取出各個標(biāo)識的中心點位置，利用標(biāo)識間的已知距離和CCD相機(jī)的標(biāo)定方法，求解出標(biāo)定平板在各個放置位置時標(biāo)識的空間坐標(biāo)；變換所有空間坐標(biāo)到同一相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)中，求得標(biāo)定平板在各個放置位置時標(biāo)識的相對深度；(4)建立一個高階多項式(A)，用于表達(dá)所述絕對相位和相對深度之間的關(guān)系Δz＝anΔφn+an 1Δφn 1+...+a1Δφ1+a0 (A)式中，Δz是相對參考平面的深度；Δφ是絕對相位值；an，an 1，…，a1，a0是待求解的多項式系數(shù)；n是多項式的級次；利用所得到的標(biāo)識中心點的絕對相位和深度，求解多項式的系數(shù)；(5)利用所標(biāo)定的多項式系數(shù)，轉(zhuǎn)換絕對相位到實際的深度數(shù)據(jù)，完成三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法，其特征在于所述的標(biāo)定平板上設(shè) 計有9X9個的黑色圓環(huán)標(biāo)識，且相鄰標(biāo)識之間的中心距均為150mm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法，該方法包括1設(shè)計標(biāo)定平板為白色，并具有漫反射表面，同時在標(biāo)定平板上設(shè)計有正方形矩陣式排布的黑色圓環(huán)標(biāo)識，且相鄰標(biāo)識之間的中心距相等；2放置標(biāo)定平板于測量場中的任意不同位置，并在每個放置位置投影具有最佳條紋個數(shù)的非均勻正弦光柵條紋到標(biāo)定平板的表面，然后采集和計算出黑色圓環(huán)標(biāo)識內(nèi)部每個白色像素點的絕對相位；3從相應(yīng)絕對相位圖中提取出各個標(biāo)識的中心點位置，求得標(biāo)定平板在各個放置位置時標(biāo)識的相對深度；4建立一個高階多項式(A)，表達(dá)絕對相位和相對深度之間的關(guān)系5利用所標(biāo)定的多項式系數(shù)，轉(zhuǎn)換絕對相位到實際的深度數(shù)據(jù)，完成三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定。
文檔編號G01B11/25GK101949693SQ201010243889
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者張宗華 申請人:河北工業(yè)大學(xué)