[发明专利]结构光三维扫描系统的标定方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及三维扫描系统标定技术领域，特别涉及一种结构光三维扫描系统的标定方法及装置。

背景技术

目前，基于投影仪和相机架构的结构光三维扫描系统是最为广泛的非接触式三维测量手段，该技术基于立体视觉中的三角测量原理，通过投影仪投射特定编码光学图案，由相机获取投射图像，通过图像解码方法获取投射特征，进而建立起投影仪与相机的匹配关系，实现三维重建过程。

基于投影仪和相机架构的结构光三维扫描系统进行三维重建，涉及到的首个关键问题就是立体视觉系统的标定问题，即如何获取投影仪、相机的内部参数及外部参数，进而，由该参数建立三角测量函数，实现三维坐标的计算。目前常用的标定策略大概有两种：第一种是利用三维标定物进行标定，该标定物具有精确的已知三维信息，但该方法的缺点是三维标定物需要特殊制作，且精度要求很高，因此应用较少；第二种方法是用标定棋盘格，以棋盘格的角点为标定特征，该方法包括：首先，对相机进行标定，然后，根据相机标定结果，由投影仪投射出若干特征点到棋盘格平面上，计算出投射的特征点的三维信息，再对投影仪进行标定，因为这种方法比较易于实现，通过打印的棋盘格贴在平面物体上即可操作，因而为业内广泛使用。

基于棋盘格的结构光三维扫描系统标定方法的基本策略是：使用精确打印的棋盘格图像，将其粘贴在一个标准平面物体表面，首先，将棋盘格放在某个位置，由相机拍摄棋盘格图像，通过角点检测算法提取出角点信息，进而由投影仪投射出一个棋盘格图像，再通过角点检测算法检测出投射的棋盘格的角点信息；然后改变棋盘格标定物的姿态或距离，如此重复多次，获取足够多的标定图像信息(常用需15个不同姿态或位置的图像对)。在标定过程中，首先基于打印棋盘格图像对相机完成标定过程，之后就可以估算出棋盘格的空间平面三维信息，进而通过对投射棋盘格角点在空间平面上的三维信息进行计算，利用投射棋盘格在投影仪平面上的已知角点信息，即可完成对投影仪的标定，以及相机与投影仪的外部参数的估计。

中国专利申请号为CN201410164584的申请即公开了一种高精度的投影仪-摄像机标定系统及标定方法，该发明主要的方法是：用摄像机标定方法标定摄像机，得到摄像机内参数；向标定板投影纯白图案并与标定板的图案叠加，捕获标定区域图像；利用摄像机内参数对图像畸变校正后提取标定区域图像中的角点坐标；根据角点的对应关系估计摄像机像平面和标定板平面之间的单应性矩阵；依序向标定板投影不同特定棋盘图案并分别与标定板的图案叠加，分别捕获标定区域图像；对标定区域图像差分、滤波处理后提取标定板平面上的角点坐标；取角点坐标平均值后应用单应性矩阵映射角点至标定板平面；按角点的获取情况重复上述步骤，利用摄像机标定方法标定投影仪。这种标定方法已为业内广泛使用和研究，在此不再赘述。

然而，基于棋盘格的结构光三维扫描系统标定方法存在的主要问题包括：1)棋盘格需要精确的打印和制作，保证精确的尺寸，且棋盘格角点检测过程本身存在的检测误差也会对最终的标定结果产生影响；2)粘贴棋盘格的平面需要较高的平面度，因为这种标定方法是建立在平面假设基础之上的；3)棋盘格所包含的角点数量是有限的，其覆盖范围很难囊括整个投影范围和相机拍摄范围，没有角点存在的图像区域，其畸变参数等是难以估计的；4)现有标定方法是以角点在平面上的重映射误差最小为最终优化准则的，在实际测量中，这种误差准则与三角测量的结果存在不一致性，即使重投影误差很小也难以保证最终测量结果达到最优误差；5)标定过程和操作过程存在的人为操作误差导致结果的不确定性增加。

综上所述，现有标定方法存在的问题主要包括：1)标定过程有诸多些问题需要注意，如标定板的制作，标定过程摆放的位置，标定图像的数量等等，如果经验不足，很容易得到较差的标定参数；2)标定参数优化是基于检测到角点到标定平面的映射2D图像坐标误差最小为准则的，而实际测量中是以三维坐标距离等三维尺度为标准的，因此标定优化误差很难反映出实际的标定参数优劣。因此，利用现有标定方法对结构光三维扫描系统标定，标定结果不准确。

发明内容

本发明实施例提供了一种结构光三维扫描系统的标定方法，用以提高标定结果的准确性，该方法包括：

根据初始标定参数，对标定平面扫描，得到标定平面的三维点云数据；所述标定平面上设置有多个均匀分布的标记点；