[发明专利]双单目白光三维测量系统标定方法

摘要

双单目白光三维测量系统参数的标定方法，属于光学测量和机械工程领域。本发明使用平面标定板作为已知标定物置于系统测量范围内，通过处理左摄像机拍摄的左幻灯投影仪投射至标定板的结构光条纹图像，获得标定点在左摄像机中对应投影像素点及其绝对相位值；通过处理右摄像机拍摄的右幻灯投影仪投射至标定板的结构光条纹图像，获得标定点在右摄像机中对应投影像素点及绝对相位值。根据这些系统标定基础数据，分别对测量系统左单目测量头和右单目测量头进行线性标定，获得尽可能多的测量系统参数初始值。在线性标定的基础上对测量系统进行全局非线性优化标定，获得测量系统所有参数的优化值，从而实现双单目白光三维测量系统参数的精确标定。

主权项

1.一种双单目白光三维测量系统参数的标定方法，其特征在于本发明的标定方法包括如下步骤：1)制作标定板(11)：以黑色为底色制作平面标定板(11)，标定板(11)上均匀分布已知间隔的白色标志圆(12)阵列图案，其圆心阵列用作标定测量系统的标定点，标定板(11)中心有两个直径较小的白色标识圆(13)，用来标识标定板(11)中心位置标定点；2)获取测量系统标定所需图像：将标定板(11)置于双单目白光三维测量系统的测量空间中，并处于左摄像机(8)和右摄像机(10)拍摄场景内，分别开启左幻灯投影仪(7)和右幻灯投影仪(9)，投射一组结构光条纹图案至标定板(11)上，左摄像机(8)和右摄像机(10)分别采集每幅结构光条纹图案；3)测量系统标定基础数据的获取：测量系统的标定基础数据包括标定点在世界坐标系的三维坐标，标定点在左摄像机(8)成像平面上对应的二维成像点位置及其一维绝对相位值，标定点在右摄像机(10)成像平面上对应的二维成像点位置及其一维绝对相位值；3.1)标定点在世界坐标系中三维坐标的获取：定义测量系统世界坐标系：以标识圆(13)标识的标定点为原点，以标志圆(12)阵列水平扩展方向为X轴，以标志圆(12)阵列竖直扩展方向为Y轴，Z轴垂直于标定板(11)往外，根据已知的标志圆(12)间隔距离，确定标志点在测量系统世界坐标系中的三维坐标，其中，因为标定点均处于标定板(11)平面内，所以标定点的Z坐标均为0；3.2)左单目测量头(1)标定基础数据获取：计算所有左摄像机(8)拍摄图像对应像素点的灰度最大值，获得左摄像机(8)拍摄场景下标定板(11)的全白图像，标定板(11)全白图像经二值化、连通域提取图像处理算法后，获得标志圆(12)和标识圆(13)在左摄像机(8)成像平面中的投影区域，计算标志圆(12)投影区域的质心，获得标定点在左摄像机(8)成像平面中的二维成像点位置，标识圆(13)投影区域确定世界坐标系原点在左摄像机(8)成像平面中的二维成像点位置，根据标定点的成像点和原点成像点的相对位置关系，确定各标定点的成像点所对应世界坐标系标定点，从而建立左摄像机(8)成像平面中各标定点的二维成像点位置与世界坐标系下标定点三维坐标的一一对应关系；左摄像机(8)拍摄的结构光条纹图像按照格雷码和相移编码规则进行解码，得到左摄像机(8)图像的绝对相位图，根据左摄像机(8)图像中提取的标定点的二维成像点位置，按线性插值原理，获得左摄像机(8)成像平面中标定点二维成像点的绝对相位值；3.3)右单目测量头(2)标定基础数据获取：右单目测量头(2)标定基础数据的获取与左单目测量头(1)完全一致，右摄像机(10)拍摄的结构光条纹图像进行处理后，建立右摄像机(10)成像平面中各标定点的二维成像点位置与世界坐标系下标定点三维坐标的一一对应关系，并获取右摄像机(10)成像平面中标定点二维成像点的绝对相位值；4)测量系统参数的线性标定：4.1)左单目测量头(1)参数的线性标定：左单目测量头(1)标定基础数据中世界坐标系下标定点三维坐标表示为[X_L Y_L 0]^T，左摄像机(8)成像平面中标定点的二维成像点表示为[x_L y_L]^T，左摄像机(8)成像平面中标定点二维成像点的绝对相位值表示为φ_L，则左单目测量头(1)成像转换关系由如下基本关系式表述：(f_p)_L□(x_p)_L/(z_p)_L＝(φ_L-(φ_p)_L)□P_L/2π式中，[(x_c)_L(y_c)_L(z_c)_L]^T为标定点在左摄像机(8)坐标系中的三维坐标，其中，左摄像机(8)坐标系定义如下：以左摄像机(8)镜头投影中心为原点，左摄像机(8)镜头光轴为Z轴，像素行方向为X轴，像素列方向为Y轴，[(x_p)_L(y_p)_L(z_p)_L]^T为标定点在左幻灯投影仪(7)坐标系中的三维坐标，其中，左幻灯投影仪(7)坐标系定义如下：以左幻灯投影仪(7)镜头投影中心为原点，左幻灯投影仪(7)镜头光轴为Z轴，垂直于结构光条纹方向为X轴，平行于结构光条纹方向为Y轴，(R_c)_L和(T_c)_L分别为世界坐标系到左摄像机(8)坐标系的旋转和平移位姿转换矩阵，(R_p)_L和(T_p)_L分别为世界坐标系到左幻灯投影仪(7)坐标系的旋转和平移位姿转换矩阵，(f_c)_L和(f_p)_L分别为左摄像机(8)和左幻灯投影仪(7)的等效焦距，[(u_c)_L(v_c)_L]^T为左摄像机(8)主点，(φ_p)_L为左幻灯投影仪(7)主相位，P_L为左幻灯投影仪(7)所用物理编码光栅的周期，根据以上基本转换关系，采用线性最小二乘估计法标定出(R_c)_L、(T_c)_L、(f_c)_L、(R_p)_L、(T_p)_L、(f_p)_L；4.2)右单目测量头(2)参数的线性标定：右单目测量头(2)参数的成像转换关系与左单目测量头(1)完全一致，最后采用线性最小二乘估计法获得世界坐标系到右摄像机(10)坐标系的旋转和平移位姿转换矩阵(R_c)_R和(T_c)_R、世界坐标系到右幻灯投影仪(9)坐标系的旋转和平移位姿转换矩阵(R_p)_R和(T_p)_R、右摄像机(10)和右幻灯投影仪(9)的等效焦距(f_c)_R和(f_p)_R；5)测量系统参数的全局非线性优化标定：在测量系统标定基础数据和测量系统线性标定结果的基础上，采用Levenberg-Marquardt非线性优化方法，全局优化左摄像机(8)和左幻灯投影仪(7)以及右摄像机(10)和右幻灯投影仪(9)的参数，优化目标函数是使标定点在左摄像机(8)和左幻灯投影仪(7)及右摄像机(10)和右幻灯投影仪(9)的投影误差的平方和最小，该目标函数可表示如下：Σi=1NL((xL)i-(xL′)i)2+Σi=1NL((yL)i-(yL′)i)2+Σi=1NL((φL)i-(φL′)i)2]]>+Σj=1NR((xR)j-(xR′)j)2+Σj=1NR((yR)j-(yR′)j)2+Σj=1NR((φR)j-(φR′)j)2]]>式中x_R、y_R为标定点在右摄像机(10)成像平面中二维成像点，x′_L、y′_L、φ′_L为由左单目测量头(1)成像转换关系计算得到的标定点在左摄像机(8)成像平面的二维成像点坐标以及在左幻灯投影仪(7)的投影点绝对相位值，x′_R、y′_R、φ′_R为由右单目测量头(2)成像转换关系计算得到的标定点在右摄像机(10)成像平面的二维成像点坐标以及在右幻灯投影仪(9)的投影点绝对相位值，N_L，N_R分别为左单目测量头(1)和右单目测量头(2)标定基础数据中所用标定点的数目，测量系统参数全局非线性优化标定后，获得所有标定参数为：左摄像机(8)的焦距(f_c)_L和主点[(u_c)_L(v_c)_L]^T，左幻灯投影仪(7)的焦距(f_p)_L和主相位(φ_p)_L，右摄像机(10)的焦距(f_c)_R和主点[(u_c)_R(v_c)_R]^T，右幻灯投影仪(9)的焦距(f_p)_R和主相位(φ_p)_R，世界坐标系相对于左摄像机(8)坐标系的旋转和平移位姿转换矩阵(R_c)_L、(T_c)_L，世界坐标系相对于左幻灯投影仪(7)坐标系的旋转和平移位姿转换矩阵(R_p)_L、(T_p)_L，世界坐标系相对于右摄像机(10)坐标系的旋转和平移位姿转换矩阵(R_c)_R、(T_c)_R，世界坐标系相对于右幻灯投影仪(9)坐标系的旋转和平移位姿转换矩阵(R_p)_R、(T_p)_R；6)求取左单目测量头(1)和右单目测量头(2)测量坐标系间位姿转换矩阵：左单目测量头(1)和右单目测量头(2)参数标定后，对左单目测量头(1)和右单目测量头(2)标定基础数据中共同的标定点进行三维重建，分别获得这些标定点在左单目测量头(1)测量坐标系中坐标[X′_L Y′_L Z′_L]^T和在右单目测量头(2)测量坐标系中坐标[X′_R Y′_R Z′_R]^T，其相互转换关系可表示为：[X′_L Y′_L Z′_L]^T＝R_RL□[X′_R Y′_R Z′_R]^T+T_RL[X′_R Y′_R Z′_R]^T＝R_LR□[X′_L Y′_L Z′_L]^T+T_LR式中，R_RL和T_RL分别为右单目测量头(1)测量坐标系到左单目测重头(2)测量坐标系的旋转和平移位姿转换矩阵，R_LR和T_LR分别为左单目测量头(1)测量坐标系到右单目测量头(2)测量坐标系的旋转和平移矩阵，根据上述转换关系，采用线性最小二乘估计法确定R_RL、T_RL、R_LR和T_LR。