一種光柵投影三維測量中的系統(tǒng)標定方法
【專利摘要】一種基于光柵條紋投影的三維測量中的系統(tǒng)標定方法，標定對象為由一臺投影儀和一臺攝像機組成的系統(tǒng)，其實現(xiàn)步驟為：(1)調(diào)整投影儀和攝像機的相對位置，使投影儀和攝像機的鏡頭縱軸平行。(2)采用正弦光柵相移算法和格雷碼相結(jié)合，計算參考面的絕對相位。(3)將至少兩個高度已知但不相同的標準塊置于參考面，并計算絕對相位分布。(4)三維測量系統(tǒng)的標定：建立投影和成像模型，推導待測物體上的物點高度-相位關(guān)系式；利用已知高度的標準塊及其絕對相位分布，通過最小二乘法擬合高度-相位關(guān)系式中的系數(shù)。(5)計算待測物體的絕對相位值，并由標定后的公式可以得到其高度分布，實現(xiàn)對物體的高度測量。本發(fā)明可操作性強，測量精度高。
【專利說明】 一種光柵投影三維測量中的系統(tǒng)標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明利用灰度正弦光柵相移算法求取主值相位，再采用格雷碼法求取條紋階次，分別得到參考面和物體的絕對相位分布。然后由投影儀和攝像機的位置約束條件，得到物點的高度-相位關(guān)系式，再利用已知高度的標定塊進行系統(tǒng)標定，擬合出高度-相位關(guān)系式的各項系數(shù)。最后將待測物體各點的像素坐標和絕對相位值代入關(guān)系式中，即可測量物體的三維輪廓，重構(gòu)物體的三維形狀。屬于三維信息重構(gòu)的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光學三維測量技術(shù)通過對物體圖像的分析，得到被測物體表面形狀的三維信息，可用于三維模型重建、工業(yè)環(huán)境中的尺寸和形位參數(shù)的檢測等，因此在虛擬現(xiàn)實、實物仿形、工業(yè)制造與檢測、質(zhì)量控制、醫(yī)學整形和美容、文物保護等諸多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]光柵投影法是一種重要的三維測量技術(shù)，通過向物體表面投射光柵條紋，獲得被物體高度調(diào)制而發(fā)生變形的光柵，變形光柵的絕對相位公布即包含了物體的高度信息。利用特定算法對變形條紋圖像進行處理，提取其中的相位，再通過對測量系統(tǒng)的標定，從而獲取物體的二維信息。
[0004]測量系統(tǒng)的標定是三維測量技術(shù)中至關(guān)重要的一步，它起著將我們能夠直接獲取的二維圖像信息轉(zhuǎn)化為待測物體的三維空間信息的作用。三維系統(tǒng)的標定通常分為兩方面:z標定，即高度方向的標定；(χ, y)標定，即橫向標定。橫向標定技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而高度方向的標定是近年來研究的熱點，如“Y.S.Xiao, Y.P.Cao, Y.C.Wu, “Improvedalgorithm for phase-to-height mapping in phase measuring profilometryAPPLIEDOPTICS, 51(8), 1149-1155, (2011) ”，但仍然沒有一種非常有效的標定方法。在高度的標定中，必須首先建立測量系統(tǒng)的模型，而模型又受到測量系統(tǒng)中投影儀和攝像機的位置關(guān)系的約束。傳統(tǒng)的測量模型要求投影儀和攝像機滿足如下條件:攝像機的光軸垂直于參考面，投影儀和攝像機的光軸相交于參考面，投影儀和攝像機的鏡頭光心連線平行于參考面，投影儀的鏡頭縱軸平行于攝像機的鏡頭縱軸等。但光軸和光心分別為假想的空間直線和點，在實際中無法準確定位，上述條件非常難以滿足，因此測量系統(tǒng)在實際應(yīng)用時受到較大限制，可操作性不強。同時由于位置校準過程復雜，難免會存在誤差，因此傳統(tǒng)的三維測量系統(tǒng)的精度并不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:針對光學三維測量系統(tǒng)中投影儀和攝像機的位置關(guān)系對測量系統(tǒng)的標定的限制，本發(fā)明在位置關(guān)系的約束條件上進行了研究，使投影儀和攝像機在僅滿足其鏡頭縱軸平行的條件下，仍能夠進行高精度的標定。本方法中，僅需投影儀和攝像機滿足其鏡頭縱軸平行的條件，然后建立系統(tǒng)的投影和成像模型，進而推導出了物體高度-相位關(guān)系式。由于關(guān)系式中的系數(shù)項與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)，如兩光心之間的距離、光心到參考面的距離等，而這些參數(shù)并不能夠直接測量得到，因此可以通過對已知高度的標準塊進行絕對相位的求解，再利用最小二乘法擬合公式中的系數(shù)，即可得到完整的高度-相位公式。最后只需求解被測物體的絕對相位分布，代入公式即可得到被測物體的高度信息。本方法只需投影儀和攝像機滿足一個位置約束條件，減少了約束條件個數(shù)，提高了系統(tǒng)的可操作性，有利于三維測量系統(tǒng)的實際應(yīng)用，同時提高了測量的精度。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明的一種基于光柵條紋投影的三維測量中的系統(tǒng)標定方法，具體步驟如下:
[0007]步驟1:調(diào)整投影儀和攝像機的相對位置:以直立墻面為參考面，將豎直方向的灰度條紋圖投影到參考面，并利用攝像機拍攝條紋圖，建立以像素點為單位的圖像坐標系(U，V)，坐標系的原點位于圖像的左下角，橫、縱像素軸分別為U軸和V軸，調(diào)整攝像機的位置，使拍攝到的光柵條紋在成像面上為豎直方向，即垂直于U軸；
[0008]步驟2:采用八步正弦光柵相移算法和格雷碼相結(jié)合的方法，計算參考面的絕對相位分布，具體步驟如下:
[0009]步驟2.1:利用計算機生成八幅數(shù)字正弦光柵圖，兩相鄰圖間的相移為2π/8，然后投影至參考平面并通過攝像機拍攝此條紋圖，設(shè)(U，V)為圖像上某一點的像素坐標，I’(U，ν)為條紋光強的背景值，I’’ (U，ν)為調(diào)制強度，Θ (u，ν)是待求的絕對相位，將八幅正弦光柵圖分別表示為:
[0010]In(U，V) = I，(U，V)+I，，(U，V) cos [ Θ (u, ν)+2 π η/8]，
[0011]其中η = 0，1，2...7, In(u, ν)為第η幅圖像(u, ν)處的灰度值,解得相位主值Φ (U，V)為:
【權(quán)利要求】
1.一種光柵投影三維測量中的系統(tǒng)標定方法，其特征在于該標定方法的具體步驟如下: 步驟1:調(diào)整投影儀和攝像機的相對位置:以直立墻面為參考面，將豎直方向的灰度條紋圖投影到參考面，并利用攝像機拍攝條紋圖，建立以像素點為單位的圖像坐標系(U，V)，坐標系的原點位于圖像的左下角，橫、縱像素軸分別為u軸和V軸，調(diào)整攝像機的位置，使拍攝到的光柵條紋在成像面上為豎直方向，即垂直于u軸； 步驟2:采用八步正弦光柵相移算法和格雷碼相結(jié)合的方法，計算參考面的絕對相位分布，具體步驟如下: 步驟2.1:利用計算機生成八幅數(shù)字正弦光柵圖，兩相鄰圖間的相移為2 π/8，然后投影至參考平面并通過攝像機拍攝此條紋圖，設(shè)(U，V)為圖像上某一點的像素坐標，I’(U，V)為條紋光強的背景值，I’’(U，V)為調(diào)制強度，Θ (u，V)是待求的絕對相位，將八幅正弦光柵圖分別表示為:
In (U，V) = I，(U，V) +I，’(U，V) cos [ Θ (u, V) +2 η η/8]， 其中η = O, 1，2...7, In(u, V)為第η幅圖像(u, v)處的灰度值,解得相位主值 Φ (U，V)為:
【文檔編號】G01B11/25GK103528543SQ201310542502
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】達飛鵬, 安冬, 蓋紹彥, 王辰星 申請人:東南大學