[发明专利]单目散斑结构光系统的散斑投射器标定参数确定方法

说明书

本发明实施例提供一种单目散斑结构光系统的散斑投射器标定参数确定方法，该方法包括：确定相机的内部参数；在参考平面内确定q个标记点，用相机分别处于两个不同位置时采集参考平面在开启和关闭散斑投射器的图像；基于关闭散斑投射器时在相机处于两个不同位置采集的图像中的标记点在相机坐标系中的三维坐标确定相机处于两个不同位置采集的图像中参考平面的平面方程；基于平面方程和在开启散斑投射器时在图像中选取的s个散斑点和s个同名点的像素坐标确定散斑点和同名点在相机坐标系下的三维坐标；基于散斑点和同名点的三维坐标确定散斑投射器的横轴坐标和竖轴坐标。本发明实施例提供的方法，实现了散斑投射器的位置参数的精确标定。

技术领域

本发明涉及单目散斑结构光系统技术领域，尤其涉及一种单目散斑结构光系统的散斑投射器标定参数确定方法。

背景技术

在三维测量技术中，基于单目的散斑结构光技术是一个重要分支，以其精度高、价格低廉的优势而备受青睐，并已经在消费电子、游戏、工业等领域得到了广泛应用。如微软的Kinect一代产品、Iphonex的FaceID技术等，都是基于单目散斑机构光方案。一般使用一个主动式红外散斑发生器，赋予场景物体表面丰富的图像特征信息，再使用相机记录该场景的散斑图像，计算场景的深度信息，最终得到深度图像或三维数据。在实际使用前，该技术需要对系统进行标定，一般是将散斑结构光投射到一幅已知位置的参考平面上，并使用相机记录此时的参考平面散斑图像。在实际使用时，任意场景的散斑图像，都将与该参考平面散斑图像进行匹配，从而获得视差，再通过系统参数进行深度恢复。

当前主流的基于单目散斑结构光的标定及深度计算方案中，往往都采用如下计算方式。图1为现有技术提供的单目结构光简化原理图，如图1所示，标定时的参考平面位置与相机的距离为d₀，且参考平面位置一般与相机光轴垂直。标定完成后，对于场景中任意物点Q，其场景的深度为d₁，在相机传感器上成像为q点，随后使用匹配算法寻找该点在参考图像上的同名点P(即投射器所发射同一散斑特征点在不同影像上的像点)在相机传感器上成像为p点，从而获得视差e。再根据系统参数，即相机焦距F、系统基线Tx，进行物点Q场景的深度d₁解算。公式如下：

但实际上，上述计算方式并没有考虑散斑投射器等效光心对于相机光心的相对位置关系，即默认为散斑投射器的等效光心位于相机坐标系的X轴上，距离坐标系原点相距L。如考虑该相对位置关系，则精确完备的数学模型表达如下。图2为现有技术提供的单目结构光完整原理图，如图2所示，P点在参考平面上(该平面垂直于光轴)，令P点在相机坐标系中的坐标为：

P:(x,y,d₀)

散斑投射器的同名点在不同场景，都在同一直线上，则同名点Q点三维坐标为：

Q:k(P-T)+T

Q:(k(x-Tx)+Tx,k(y-Ty)+Ty,k(d₀-Tz)+Tz)

其中，k为T、Q两点间的空间距离除以T，P两点间的空间距离，T＝(Tx,Ty,Tz)，图2中标明的光心坐标即投射器等效光心的坐标T(Tx,Ty,Tz)。

同一散斑点P、Q两点在参考图时、场景图时，在相机靶面上的投影为p、q两点。设相机内参矩阵K(一般由相机标定得到)如下，其中fx、fy分别为相机系统标定后的x方向、y方向的焦距，单位像素，c_x、c_y为相机系统标定后的主点坐标(c_x，c_y)。

根据相机中常用的针孔模型，由P、Q的三维空间位置，可推算出这两点在相机靶面成像后的像素位置p，q为：

p：

q：