[发明专利]双单目白光三维测量系统标定方法

说明书

所属技术领域：

本发明涉及一种三维测量系统的标定方法，特别是一种使用幻灯投影仪的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技术领域。

背景技术：

传统的摄像机标定方法是通过拍摄已知尺寸的标定参照物，并对拍摄图像进行处理来获得标定基础数据，从而实现摄像机参数的标定。摄像机的标定基础数据建立了已知标定点的测量坐标系坐标与摄像机图像处理获取的标定点投影像素点坐标间的对应关系；传统的投影仪标定方法是通过投射已知尺寸的标定图案，并获得标定图案中标定点对应测量坐标系三维空间点坐标，实现对投影仪参数的标定。

现有的技术中，对单目测量头的标定技术通常采用先标定摄像机再标定投影仪的方法，其投影仪的标定基础数据是根据摄像机的标定结果计算获取，因此摄像机参数的标定误差常常影响到投影仪的标定精度。F.Sadlo在论文A practicalstructured light acquisition system for point-based geometry and texture(Symposiumon point-based graphics，2005)提到这种误差影响使得投影仪标定误差是摄像机标定误差的一个数量级以上。此外，该方法需要投影仪投射额外的标定图案，对幻灯投影仪来说，会增加其外形体积及制作成本。Xiaobo Chen在论文Accuratecalibration for a camera-projector measurement system based on structured lightprojection(Optics and Lasers in Engineering，2008，doi：10.1016/j.optlaseng.2007.12.001)提出一种使用数字式投影仪的单目测量头的参数标定方法，但该方法不适用于使用幻灯投影仪的双单目三维测量系统，且该方法对参考标定物要求较高，带来标定的不便。

发明内容：

为克服已有技术的不足和缺陷，本发明根据双单目三维测量的特点，提出了一种全新的双单目白光三维测量系统参数的标定方法。双单目白光三维测量系统包括左单目测量头和右单目测量头，从两个视角对被测表面进行三维测量，并将测量结果自动拼合，以实现被测表面数据的完整采集。其中左单目测量头包括左幻灯投影仪和左摄像机；右单目测量头包括右幻灯投影仪和右摄像机。左单目测量头的测量精度由左摄像机参数、左幻灯投影仪参数以及左摄像机与左幻灯投影仪位姿转换关系决定；右单目测量头的测量精度由右摄像机参数、右幻灯投影仪参数以及右摄像机与右幻灯投影仪位姿转换关系决定；左单目测量头测量结果与右单目测量头测量结果之间的拼合精度由左单目测量头测量坐标系和右单目测量头测量坐标系位姿转换关系决定。为保证双单目白光测量系统测量和数据拼合的精度和可靠性，需要对这些测量系统部件参数以及相互位姿转换关系进行精确标定。

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，并计算左单目测量头和右单目测量头测量坐标系相互转换关系，从而实现双单目白光三维测量系统参数的标定。具体标定步骤如下：

1)制作标定板。以黑色为底色制作平面标定板。标定板上均匀分布已知间隔的白色标志圆阵列图案，其圆心阵列用作标定测量系统的标定点。标定板中心有两个直径较小的白色标识圆，用来标识标定板中心位置标定点。

2)获取测量系统标定所需图像。将标定板置于双单目白光三维测量系统的测量空间中，并处于左摄像机和右摄像机拍摄场景内。分别开启左幻灯投影仪和右幻灯投影仪，投射一组结构光条纹图案至标定板上，左摄像机和右摄像机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。