[发明专利]一种结构光三维测量系统的参数重标定方法及其设备

摘要

一种结构光三维测量系统的参数重标定方法及其设备，在具有一台相机与一台投影仪的系统中增加辅助相机对投影仪内参数进行重标定。放置高精度的白色平板，投影仪投射结构光图案，原系统相机和辅助相机采集白色平板图案。首先对双相机进行标定，获得辅助相机参数；其次采用拍摄的照片依据立体视觉原理重建白色平板，再次将重建的点云反投影到投影仪发射相面上，计算出对应的投影相位，并与其实际相位做差得到相位残差值，最后利用最小二乘原理计算得到投影仪横向等效焦距和横向光心的误差值，完成投影仪内参数的重标定，提高结构光三维测量系统的标定精度。

主权项

1.一种结构光三维测量系统的参数重标定方法，结构光三维测量系统包括一台相机和一台投影仪，其特征在于：首先对结构光三维测量系统中的投影仪参数进行初次标定，然后在结构光三维测量系统中增设一台辅助相机，基于对投影仪参数初次标定过程中内参数误差的分析，将参数误差归结为投影仪内参数中横向主点和横向等效焦距的误差，而后分析出横向主点和横向等效焦距这两种内参数误差对于系统的具体影响，借助辅助相机重标定投影仪的内参数，以提高结构光三维测量系统的标定精度；包括以下步骤：1)将一台相机和投影仪构建成结构光三维测量系统，对投影仪的参数进行初次标定，投影仪向被测白色标定板投射一组光栅，利用相位测量轮廓术方法，得到经被测白色标定板表面深度调制的相位，据此直接反求得到世界坐标：其中，fcx,fcy,fpx分别代表相机的横向等效焦距、纵向等效焦距及投影仪的横向等效焦距；cccx,cccy,ccpx分别代表相机的横向主点、纵向主点及投影仪的横向主点；Xw,Yw,Zw代表空间中某一点在世界坐标系下的坐标值；由于fpx与ccpx均分别包含误差Δf和Δcc，Δf＝fT‑fpx,fT为fpx的真值，Δcc＝ccT‑ccpx，ccT为ccpx的真值，因此由公式(1)～(3)得到的重建点云也包含误差；公式(1)～(3)中的ri,mj,tk由Rc,Tc,Rp,Tp得到，其中ri＝r1～r9，mj＝m1～m9，tk＝t1～t6，Rc,Tc代表相机的旋转矩阵和平移向量，Rp,Tp代表投影仪的旋转矩阵和平移向量，具体形式如下所示：2)在一台相机和投影仪构成的结构光三维测量系统中增设辅助相机，设置的位置基本要求为辅助相机与原有相机能够同时拍摄到白色标定板，将白色标定板置于辅助相机与原有相机的被测区域中，对由辅助相机与原相机构成的双相机系统进行联合标定，获得辅助相机的内参数矩阵以及两台相机间的外参数矩阵；3)对白色标定板进行测量和重建，启动投影仪投射光栅图案，两台相机分别采集标定板图像，基于立体视觉原理，利用两台相机采集的图像对白色标定板进行重建获得三维点云数据PA；4)将获得的三维点云数据PA根据投影方程计算投影到投影仪的投射平面上，得到uF和Xn，其中uF为三维点云数据PA经包含误差的投影仪参数投影到投射平面后的列坐标，Xn表示归一化投影仪坐标，定义为Xn＝(Xp/Zp)；另外根据投影仪投射图案相位与投射平面的一一对应关系直接得到up，up为由相位直接计算的投影仪投射平面的列坐标，考虑在世界坐标系下给定空间中一任意点Cw，记Cw＝[Xw Yw Zw]表示该点在世界坐标系下的坐标，则其在投影仪坐标系中对应的点Cp的坐标便记作Cp＝[Xp Yp Zp]；投影方程如下：Cp＝RpCw+Tp                       (4)由此可以得到：uF＝fpxXn+ccpx                     (6)up＝(fpx+Δf)Xn+ccpx+Δcc            (7)由于投影仪内参数包含误差，因此所得的投影列坐标uF也带有误差，而up通过相位直接计算得到，不包含投影仪内参数误差，计算得到重投影列坐标uF与真实列坐标up，对重投影列坐标uF与真实列坐标up做差，得到相位残差；5)将获得的三维点云数据PA中的所有点依据步骤4)所述进行处理，得到由列坐标uF与up构成的残差集合，从相位可直接得到up，再根据点云PA的重投影得到uF和Xn后，利用最小二乘原理得到横向等效焦距的误差值Δf和横向主点的误差值Δcc，根据步骤4)中的推导，获得下式up‑uF＝(Δf)Xn+(Δcc)                (8)6)根据误差值Δf和Δcc对投影仪内参数直接校正，即得到投影仪内参数的重标定值。