[发明专利]基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法及其应用

说明书

本发明公开了一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法及其应用，其通过对结构光组成相机与投影仪的内、外参数与畸变模型进行预先标定；在对应点匹配过程中，针对任意一个去畸变后的相机像素点与其测量相位值，对因畸变发生变形的投影仪极线进行采样、拟合，得到其对应在投影仪成像面上的弯曲极线方程；再利用测量相位值在投影仪成像面上构造等相位线，并计算其与弯曲极线的交点，最终得到与相机像素点相对应的高精度投影仪畸变像素点。对畸变对应点进行去畸变计算，可用于结构光轮廓仪的高精度三维重建或系统标定。

技术领域

本发明属于相位测量轮廓技术领域，更具体地，涉及一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法及其应用。

背景技术

条纹投影结构光轮廓仪或相位测量轮廓仪主要由计算机、相机和投影仪构成。由于镜头的制造工艺与装配误差等因素，相机或投影仪在其成像平面上的实际像素点与其在小孔成像模型下的理想像素点往往不重合，实际像点与理想像点之差便是畸变误差。畸变误差使得基于光学三角法的三维表面重建出现系统误差。

由于投影器件相对光轴的非对称设置，投影仪的畸变一般比相机要大。并且由于投影仪无法像相机那样获取图像，所以投影仪像素点的畸变去除较相机像素点的畸变去除要复杂很多。目前，相机的畸变去除一般可以预先为每个像素点计算出对应的去畸变像素点，得到一个去畸变查找表；之后，各像素点去畸变计算只需查表即可。然而，针对每个去畸变相机像素点，准确地找到与之对应的投影仪像素点并去除其相应的畸变，目前尚没有较好的办法。为提高三维测量系统的测量精度，必需开发高精度的投影仪对应点匹配方法。

Meza等在2020年Proc.of SPIE(vol.11397,p.113970D)的论文“What is thebest triangulation approach for a structured light system？”中调研并比对了多种结构光三维重建算法以及相应的投影仪对应点去畸变方法。这包括以下几种方案。(1)投影双向条纹并结合相位映射搜索畸变对应点，再去除其畸变。该方法在理论上是严格准确的，但需要投影两组条纹，无法适用于高速测量。(2)投影单向条纹并结合极线约束找到畸变对应点，再去畸变。该方法使用线性极线约束进行对应点搜索，忽略了因为畸变造成极线弯曲的事实，精度较低。(3)投影单向条纹并结合极线约束找到畸变对应点，去畸变后但仅使用u维坐标进行重建。该方法在本质上是使用了两次极线约束，较前一种方法精度有所提升；但由于仍然使用了线性极线的近似，仍然存有一定的残余误差。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法及其应用，其目的在于解决高精度结构光轮廓仪或相位测量轮廓仪的系统标定或离线测量的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于极线采样的投影仪对应点高精度匹配方法，该方法包括如下步骤：

S1.对极线采样系统进行标定，包括获取相机内参数、外参数以及畸变模型，和投影仪内参数、外参数以及畸变模型；

S2.利用任意一个去除畸变后的相机像素点与对应的测量相位值，获取相机像素点对应在投影仪成像面上的若干畸变极线采样点，拟合畸变极线采样点得到畸变极线；

S3.利用测量相位值在投影仪成像面上构造等相位线，并计算等相位线与所述畸变极线的交点，以得到与相机像素点对应的高精度投影仪畸变像素点。

作为本发明的进一步改进，投影仪的畸变模型用于表征任一投影仪实际畸变像素点坐标m′与其理想无畸变坐标m之间的映射关系，投影仪的畸变模型具体为：

其中，F(m)为参数化畸变模型，f(m)为残余畸变模型。

作为本发明的进一步改进，参数化畸变模型利用如下参数方程得到：