[发明专利]基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统及其标定方法

说明书

技术领域

本发明属于三维数字成像及造型领域，尤其涉及一种基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统及其标定方法。 

背景技术

条纹投影三维测量系统具有非接触、速度快、精度高、数据密度大等优点，在逆向工程、质量控制、缺陷检测等工业生产领域均有广泛的应用。条纹投影三维测量系统通常采用“单相机-单投影仪”的单目结构，其中投影仪可以视为反向相机，因此可以基于双目立体视觉原理对系统进行建模。系统模型确立后，还需要通过标定确定模型中的未知参数，尚可进行三维测量。三维测量的结果与标定得到的模型参数直接相关，因此系统的测量精度主要取决于标定精度。 

传统的条纹结构光三维测量系统的标定主要借鉴投影仪控制器视觉中的相机标定方法，使用立体或平面标靶对相机和投影仪进行分别标定，标定精度依赖于标靶上基准点的位置精度。因此，要实现较高精度的标定，首先要获得高精度的标靶。高精度标靶的制作往往对加工工艺有较高的要求，在加工精度无法达到要求时，还可能需要对标靶上的每个基准点进行独立测量，大大增加了标靶的加工制作成本。随着标靶尺度的增长，标靶的制作精度将变得越来越难以保证，从而直接影响到后续的标定以及最终的三维测量的精度。 

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统的标定方法，以解除标靶制作精度的制约，保证使用较低精 度的标靶亦可得到较高精度的标定结果。 

上述基于光束平差原理的条纹投影三维测量系统的标定方法包括下述步骤： 

步骤A，将表面印有已知三维坐标的基准点的平面标靶摆放为不同的方位，在每个方位下由投影仪先后对标靶进行均匀光照明和投射相移加变频的正弦条纹序列，并在每个方位下由相机采集相应的纹理图和变形条纹图； 

步骤B，对步骤A采集到的纹理图进行处理以获得基准点在相机中的像点，对步骤A采集到的变形条纹图进行相位解调，根据解调结果与所述基准点在相机中的像点确定与标靶中的每一个基准点所对应的两个同名点；所述两个同名点分别为所述基准点在待标定的相机中的像点和在待标定的投影仪中的像点； 

步骤C，根据已知的基准点的三维坐标和步骤B中得到的与该基准点所对应的两个同名点，分别对相机和投影仪进行初始标定，得到系统标定参数的初值； 

步骤D，利用三维测量系统的刚体不变性和光束平差原理构造新的误差函数，利用所述误差函数对步骤C中标定的初始系统参数进行全局优化实现精确标定。 

进一步地，所述步骤B具体通过如下方式确定与标靶中的每一个基准点所对应的两个同名点： 

步骤B1，对步骤A中相机采集到的变形条纹图进行相位解调，获得标靶在相机中的双方向绝对相位分布信息； 

步骤B2，根据步骤B1获得的相机双方向绝对相位分布信息确定相机坐标系中与所述基准点相对应的相机像点的相位信息，然后根据投影仪双方向绝对相位分布信息来查找在投影仪坐标系中具有相同相位的投影仪像点，相机像点和投影仪像点即互为同名点。 

进一步地，所述步骤C具体通过Zhang的标定方法对相机和投影仪进行初始标定。 

进一步地，述步骤D通过如下公式对步骤C标定的系统参数的初值进行全局优化：