专利名称：：编码结构光三维视觉系统的标定方法
技术领域：
：本发明涉及计算机视觉、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。
背景技术：
：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。
发明内容为了克服己有的编码结构光三维视觉系统的标定方法的投影仪标定精度低、无法满足实际应用需要的不足，本发明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。本发明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[AKZ,]+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/ACW)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。本发明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。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发明作进一步描述。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241WnW|2/MnW14附21W22附23OT241(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—V1「K_(4)乂-乂附/14WnW12Wn附|41w2w24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'、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'B7A'C'(7)根据透视几何原理的交比不变性可以得到PR(A,B，C)=PR(A',B'，C')(8)在实验中，能找到空间直线上的三点A、B、C，那么对应在图像中点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(4-17)式可求出参考点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。在结构光视觉系统，分独立两步来标定，摄像机标定和投影仪标定，每个步骤的标定都相互独立，互不依赖，不会出现迭代误差，系统精度高。摄像机标定特征点的三维坐标精度要求高，采用二维标定模板，为了使系统统一操作，摄像机标定时投影仪投射单一白光，如图2所示的共面标靶，制作简标耙有21x21mm标准黑/白棋盘格组成，棋盘格由激光高精度打印，然后紧贴在铝板面上，特征点由棋盘格的点组成。摄像机拍摄不同位置的10幅图像，如图3所示。对10幅图像选择格子角点作为特征点，运用上述平面标定法对摄像机进行标定，摄像机内参数标定结果为3872.60692.203858.1443.3001畸变系数&=(-0.16762，-0.74282，0.00092,-0.01760,0)T，实验中所用CCD的物理尺寸为4^f广6.45jim，不考虑不垂直因子，对A，A求平均，可得均值焦距/厶3872.6+3858.1x6.45*10一3=24.9316醒与摄像机标准焦距/^25mm的相对误差为:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>对标靶特征点进行重投影，结果误差范围为0.49708-0.65712像素，各幅图像的重投影误差如图5所示，x，y分别表示以像素为单位的图像坐标系。投影仪标定投影仪作为结构光系统中的光源投射器，标定涉及到系统的精度，本文用以上提出的一维简化模型进行标定。投影仪的标定需要获取标定特征点的世界坐标和光条坐标值。将通过编程产生的光模板投影到共面标靶上，黑白方格角点作为定位点，如图6所示，分别在深度值Z-990mm、982mm、974mm、966mm处拍摄四幅图像。边缘点进行直线拟合，对所在一条直线上的角点也需要进行拟合。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，根据网格特性，世界坐标可自动生成。如图8所示，投射单一白色光模板时，可得到ApB,两点的图像坐标Ou^)，(他M)，以及世界坐标为(Ja&,Z》，(Z&^，ZS)。求直线Lj和L的交点，得到P，点的图像坐标，如P!点的图像坐标为("P,vp)，世界坐标定义为(J^，^,Zp)，因为A,，B,,P,三点共面，所以Z广ZfZs，由(7)式得到，=^"尸，K-4="广"尸(1)令4=Z^L，义,!k^(2)由(l)、(2)式得'&=^+^(^—(3)Z尸=Z^=ZB由此利用交比不变性的原理求解光条边缘特征点的世界坐标，再解码出光条的学号坐标，用投影仪模型进行标定。标定结果范围为0-0.2889，误差示意图如图所示。本实施例的结构光视觉系统的基线长为230mm，对深度值Z:990mm、982mm、974mm、966mm的四个标耙平面进行重构，重构误差如表l所示。从表l中可以看出，利用四幅等距平移的标靶进行标定，系统的平均绝对误差为1.38mm，平均相对误差为0.14%。Z/mm标准差绝对误差相对误差990.01.00741.32090.13982.21.03741.40860.14974.41.02931.39430.1410<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表l利用已标定的参数分别对四个平面标定点进行反投影，重构结果如图9所示。测量精度与硬件设备的精度密切相关，在系统标定实验中，误差产生的原因很多，主要归纳为以下几个方面1.高精度的棋盘格模板打印存在着一定的误差。2.在角点提取产生的过程中，摄像机标定时假设棋盘格上的点共面，这就要求模板平面绝对平整，但在实际实验中，模板平面不可能绝对的平整，护摄的图像与假设会有微小偏差，这一微小偏差引入计算就会造成误差。3.投影仪标定的过程中，应用交比不变性求世界坐标，对特征点进行直线拟合时引入了误差。4.标定系统造成的误差。首先视觉系统的分辨率以及采集精度都会影响整个系统的误差，其次标定方法的选取和整个标定系统各部分的结合都会造成系统的误差。本文的摄像机标定主要基于张正友的平面标定方法，从标定的结果看，基于非线性迭代的方法，使误差的最小，投影仪模型的分解也是基于误差最小化。以上四方面是引起标定误差的主要原因。由于实验条件所限，硬件的摄像机和投影仪分辨率和采集精度的限制，网格角点提取过程中，模板面不是绝对平整，引起角点提取误差。此外，上述的系统模型在理论上和计算过程中都会有缺陷，也会造成误差。权利要求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，<mathsid="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><mathsid="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<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>λ</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="icf0003"file="A2009101536120002C3.tif"wi="22"he="9"top="158"left="70"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths><mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>λ</mi><mi>y</mi></msub><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>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math>id="icf0004"file="A2009101536120002C4.tif"wi="77"he="9"top="158"left="96"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>由(1)、(2)式得<mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>X</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>X</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>λ</mi><mi>x</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>X</mi><mi>B</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>X</mi><mi>A</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Y</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Y</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>λ</mi><mi>y</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>Y</mi><mi>B</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>Y</mi><mi>A</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Z</mi><mi>P</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Z</mi><mi>A</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Z</mi><mi>B</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>]]></math></maths>λx，λy分别表示X和Y方向的交比系数，(Xp，YP，Zp)表示光条边缘特征点的世界坐标。2、如权利要求1所述的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在所述步骤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Xvv建立模型如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(4)y是任一尺度因子，消除y，变换(4)式得到zJ'+ffl"=x"(5)利用(5)式构造以mik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(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，开且位于同一点直线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。全文摘要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。本发明摄影机标定精度高、能满足实际应用需要。文档编号G06T7/00GK101673399SQ20091015361公开日2010年3月17日申请日期2009年9月29日优先权日2009年9月29日发明者盛刘,帅李,王万良,胡正周,陈胜勇申请人:浙江工业大学