[发明专利]一种虚拟多球体球心定位的TOF深度相机三维坐标标定装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于光学计量及标定技术领域，特别涉及一种虚拟多球体球心定位的无扫描激光三维TOF(Time-of-Flight)深度相机的标定装置和方法。

背景技术

随着光学测量和计算机视觉技术的日益改进和提升，先进制造技术的发展和产品需求的多样化对复杂物体表面的三维形貌信息的测量需求不断增长。作为新一代的光学三维测量技术，TOF深度相机能够实时获取空间目标的灰度信息及每个像素点对应的深度信息，具有实时性好、测量精度适中、体积小、重量轻等优势，被迅速应用于移动机器人的导航和地图创建、空间探测机器人、工业加工制造等领域。

为了消除由于空间坐标系和测量坐标系之间的不一致性引起的系统误差，三维坐标标定是TOF深度相机进行高精度光学三维测量中至关重要的一步，主要是通过获取标准物体目标的三维空间特征参数，进而求得TOF深度相机三维测量坐标到空间坐标的坐标变换关系完成三维坐标的标定。因而，选取的标准物体的空间位置及形状参数的高精度提取和识别是TOF深度相机进行高精度三维测量的重要保证，并且TOF深度相机标定使用的目标应当充满整个视场，才能得到TOF深度相机视场中心和边缘的三维坐标标定结果，由此产生了各种对三维成像相机的标定方法，主要有以下两类：

(1)基于平面标志物的三维坐标标定方式，如采用棋盘格的标定方式(1.Zhengyou,Zhang.A flexible new technique for camera calibration.Technical Report MSR-TR-98-71,Microsoft Research.1998.2.李兴东，陈超，李满天，孙立宁.飞行时间法三维摄像机标定与误差补偿.机械与电子.2013(11):37-40；3.潘华东.飞行时间法无扫描三维成像摄像机的机理和特性研究.浙江大学博士学位论文.2010.04；4.专利201210021469.4“基于TOF深度相机的三维注册方法”；5.Young Min Kim,Derek Chan,Christian Theobalt,Sebastian Thrun.Design and Calibration of a Multi-view TOF Sensor Fusion System.Computer Vision and Pattern Recognition Workshops,2008.CVPRW’08.IEEE Computer Society Conference.June 23-28,2008.Anchorage,AK；6.Stefan Fuchs,Gerd Hirzinger.Extrinsic and Depth Calibration of TOF-cameras.Computer Vision and Pattern Recognition,2008.CVPR 2008.IEEE Conference.June 23-28,2008.Anchorage,AK；7.Sung-Yeol Kim,Woon Cho,Andreas Koschan,and Mongi A.Abidi.Depth Data Calibration and Enhancement of Time-of-flight Video-plus-Depth Camera.Future of Instrumentation International Workshop(FIIW).November 7-8,2011.Oak Ridge,TN；8.Marvin Lindner,Ingo Schiller,Andreas Kolb,Reinhard Koch.Time-of-Flight Sensor Calibration for Accurate Range Sensing.Computer Vision and Image Understanding.2010(114):1318-1328；9.Miles Hansard,Radu Horaud,Michel Amat,Georgios Evangelidis.Automatic Detection of Calibration Grids in Time-of-flight Images.Computer Vision and Image Understanding.2014(121):108-118)，或采用圆点阵列的标定方式(1.蔡珲.视觉测量中的摄像机标定与三维重建方法研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2013.07；2.Jiyoung Jung,Yekeun Jeong,Jaesik Park,Hyowon Ha,James Dokyoon Kim,and In-So Kweon.A Novel 2.5D Pattern for Extrinsic Calibration of ToF and Camera Fusion System.2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.September 25-30,2011.San Francisco,CA,USA；3.Frederic Garcia,Djamila Aouada,Bruno Mirbach,andOttersten.Real-Time Distance-Dependent Mapping for a Hybrid ToF Multi-Camera Rig.IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN SIGNAL PROCESSING,2012.6(5):425-436)，这些方法对多个角度放置的黑白相间平面棋盘格图形(或圆点阵列图形)进行多次拍摄，然后计算棋盘格的不同角度位置处的各个角点位置(或圆点阵列各个圆点中心位置)，再根据空间坐标变换关系实现对TOF深度相机的标定，该方法标定精度较高，应用较为广泛，但该方法采集次数多，每次数据处理过程较复杂，并且对多个角点的提取误差将直接累积到最终的标定结果中，标定精度难以进一步提高，进而直接影响TOF深度相机的三维测量精度；