[发明专利]三维主动视觉传感器的多视点姿态估计和自标定方法

摘要

本发明公开了一种三维主动视觉传感器的多视点姿态估计和自标定方法，属于三维数字成像及造型技术。所述的三维主动视觉传感器由位置相对固定的数字投影仪和摄像机组成。该方法的步骤为：采集物体纹理图像；向物体先后投射一组相互正交的条纹图，并采集相应的编码条纹图像；计算纹理图像的特征点二维坐标和编码条纹图像的相位值；利用相位到坐标的变换算法求取物体的特征点在数字投影仪的投射平面和摄像机的成像平面上的对应关系；变换视点，重复上述步骤，利用极线几何约束原理，建立优化方程，自动估计多视点位置姿态和自标定三维视觉传感器参数。该方法结果准确，且自动，特别适合于三维视觉传感器的现场多视点姿态估计和传感器参数自标定。

主权项

1.一种三维主动视觉传感器的多视点姿态估计和自标定方法，所述的视觉传感器是由数字投影仪和摄像机组成，它们位置相对固定，在测量范围内对放置物体进行测量，其特征在于包括以下步骤：1)在V1视点位置上，顺序进行如下投射和采集过程：(1)摄像机采集被测物体的纹理图像，并存储到计算机中；(2)由计算机生成一组竖直条纹图像，用数字投影仪向被测物体投射，由于物体的深度变化导致编码条纹图像的产生，由摄像机采集竖直编码条纹图像，并存储到计算机中，然后通过条纹自动分析技术，解码获得物体的相对相位图像；(3)由计算机生成一幅位于图像的横向中心处且只有一条竖直线的图像，用数字投影仪将该图像投射到被测物体表面，并用摄像机采集后存储到计算机中，通过这条辅助的竖直中心线，将相对相位图像转换为绝对相位图像；(4)将竖直条纹图像，旋转90度成水平条纹图像，再由数字投影仪向被测物体投射，摄像机采集该水平编码条纹图像，存储到计算机中；(5)同样，将竖直中心线图像，旋转90度成水平中心线图像，用数字投影仪将该图像投射到被测物体表面，并用摄像机采集后存储到计算机中；2)对步骤1)得到的物体的纹理图像、竖直编码条纹图像、竖直中心线图像、水平编码条纹图像以及水平中心线图像，进行如下处理：(1)对纹理图像进行特征分析：提取物体特征点的二维图像坐标，即特征点在摄像机成像平面上的坐标(u，v)；(2)对竖直编码条纹图像进行条纹自动分析：用FFT方法从变形条纹图中解调出主值范围内相位函数，然后用相位展开算法提取展开相位图Φu；(3)对竖直中心线图像进行特征分析：对图像二值化后，提取中心线所占的二维图像坐标；(4)利用相位到坐标的变换算法，得到特征点在投影仪投射平面上的横向坐标，该算法为：先将竖直条纹的展开相位图Φu结合竖直中心线，变换为绝对相位图Φa，${\Phi }_a(x,y)={\Phi }_u(x,y)-{\Phi }_u^k(i,j),$ 其中Φuk为中心线所在象素位置(i，j)的相位值；然后，得到任意特征点M在投影平面上的对应位置的横坐标u′，$u^{\prime }=\frac{{\Phi }_a^M(u,v)}{2\pi }p,$ 其中ΦaM 为特征点M的绝对相位，p是投射条纹的空间周期；(5)同理，重复本步骤的(2)、(3)、(4)过程，处理水平编码条纹图以及水平中心线图像，得到任意特征点M在投影平面上的对应位置的纵坐标v′，$v^{\prime }=\frac{{\Phi }_a^M(u,v)}{2\pi }p,$ 此处的ΦaM(u，v)通过处理水平编码条纹图以及水平中心线图像得到；(6)至此，得到物体上任意特征点M在成像平面和投影平面上的对应坐标，(u，v)和(u′，v′)，为利用极线几何约束，作好数据的初始化准备；3)在传感器测量范围内，且确保与前一个视点采集的图像有重合区域的前题下，自由移动传感器到新的视点V2，对物体进行投射和采集过程，重复步骤1)和步骤2)，在视点V2下，得到物体上任意特征点M在成像平面和投影平面上的对应坐标(u，v)和(u′，v′)；4)利用极线几何约束，即以极线方程：${\tilde{m}}_2^{T}F{\tilde{m}}_1=0,$ 其中和是成像平面和投影平面上的对应点的齐次坐标表示，F称为基本矩阵，$F=K_p^{-T}{\left[t\right]}_{\times }{\mathrm{RK}}_c^{-1},$ 建立优化方程：$\underset{\mathrm{Kc},\mathrm{Kp},R^{*},t^{*},R,t}{\min }\left[\underset{j=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\left({\tilde{m}}_{2j}^T{F}_{12}{\tilde{m}}_{1j}\right)}^2\right],$ 其中p表示特征点的个数，F12表示平面1和平面2之间的基本矩阵，得到该视点相对于物体坐标系的旋转矩阵R和平移矩阵t，传感器的内部参数(Kc，Kp)，以及传感器的结构参数(R*，t*)，其中求解Kc，Kp，R*，t*称为传感器参数的自标定，求解R，t称为视点姿态估计；5)将多视点位置姿态进行存储，用于后续的多视点深度图像匹配及合成使用。