[发明专利]一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定装置和方法

说明书

本发明涉及三维形貌测量领域，具体公开了一种用于3D显微形貌测量系统中摄像机标定的方法和装置，方法为，生成相位标靶，摄像机进行抓拍，抓拍标定图片进行相位解析后生成相位图，在相位图上提取整像素圆心特征点，以整像圆心特征点为中心在其D×D例如35×35像素大小的邻域内进行等相位线提取，再通过椭圆拟合，得到亚像素精度圆心特征点，由亚像素精度圆心特征点的像素坐标及其对应的世界坐标，再根据远心相机标定算法计算摄像机参数初值，用重复迭代的方法获取高精度的摄像机参数。本发明对图像模糊和噪声具很高的鲁棒性，标靶更加精确，圆心特征点的提取不受镜头畸变和透视畸变的影响。

技术领域

本发明涉及三维显微形貌测量领域，特别涉及一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定装置和方法。

背景技术

随着工业4.0的到来，外观尺寸在毫米及微米级的微器件在国防工业、信息技术、航空航天、微电子、生物医学等领域有着广泛应用和巨大的市场需求。精密制造技术也得到了快速发展，复杂零件表面及其微小结构特征的精密三维检测已经成为工业界的共性需求。尤其是高精度的三维形貌检测技术将是微器件加工与制造的重要品控工具，是高精度器件加工的依据和保证。这些零件表面结构特征复杂，制造精度高，对其进行高效的三维形貌测量是当前面临的重大挑战。基于条纹投影的显微测量系统具有测量时间短、重建点云密度高等优点，适用于复杂工件几何形状的测量。为了进行准确三维形貌测量，必须对摄像机进行标定。

在显微测量系统中的摄像机标定方面，现有标定方法存在的问题主要归结于三个方面。首先，显微测量系统的景深较小，标定过程中基于各种几何图形边界信息提取特征点的方法易受图像模糊、对比度和成像视角的影响，导致可操作性不强，标定结果重复性差，影响最终测量精度。其次，现有的显微测量系统标定方法是假设标定靶是一个理想平面，事实上，标定靶的制作过程中的不完美，尤其是低成本的硬件系统，这使得特征点在标靶中的定位不准确，进而导致不精确的标定结果。第三，由于镜头畸变和透视失真导致直接从图像中提取到的特征点并不准确，这将更进一步累积标定误差影响三维显微测量精度。由于高精度的系统标定方法对显微测量和精密制造都有着重要的意义，目前亟待一种高精度的三维显微测量系统标定方法，来满足工业界的精密三维检测需求。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术中提取特征点的方法易受图片质量影响导致损失测量精度、标定靶的定位不准确、镜头畸变和透视失真导致提取到的特征点不准确的问题，提供一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定装置和方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于显微三维形貌测量系统的摄像机标定方法，包括如下步骤：

S1，用摄像机对主动标靶进行拍摄，对拍摄的图像进行相位解析，生成相位图；所述主动标靶上显示圆心特征点；

S2，在所述相位图上提取亚像素精度的圆心特征点的像素坐标；

S3，根据所述主动标靶圆心的世界坐标和所述亚像素精度的圆心特征点的像素坐标，采用远心相机标定算法，计算摄像机参数和重投影误差；

S4，根据所述摄像机参数和所述亚像素精度的圆心特征点的像素坐标，计算出圆心特征点矫正后的像素坐标；

S5，由所述主动标靶圆心的世界坐标和圆心特征点矫正后的像素坐标，根据远心相机标定算法计算新的摄像机参数和新的重投影误差；

S6，将所述重投影误差和所述新的重投影误差作差，当差值小于预设的阈值时，输出此时的摄像机参数并结束迭代，否则，则重复执行步骤S4～S6。

进一步的，步骤S2具体包括如下步骤：

S21，用基于灰度的椭圆拟合法对相位图提取圆心特征点的像素坐标；

S22，在每个圆心特征点的像素坐标附近使用约束条件提取相位值最接近零的整像素圆心特征点的像素坐标；