CN103559710B - 一种用于三维重建系统的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种标定方法，获取标定图像在光投射设备底片上的位置坐标；记录光投射设备在第一焦距和第二焦距下投射的投影图像，形成第一记录图像及第二记录图像，分析第一记录图像及第二记录图像，并计算光投射设备的光心坐标及标定图像的坐标；基于光投射设备在第一位置及第二位置时不同的投影图像大小及光投射设备与投影屏的相对距离，计算所述光投射设备的焦距；将光投射设备固定在第二位置，基于投影图像及记录图像计算所述光感应设备的焦距。采用上述技术方案后，可以以简单的方式精确地标定光投影设备及光感应设备的参数值。

Description

一种用于三维重建系统的标定方法

技术领域

本发明涉及光学三维测量领域，尤其涉及一种用于三维重建系统的标定方法。

背景技术

随着三维打印技术的发展，快速并且精确地获取物体的三维数据并进行三维建模具有重要的现实意义和研究价值。通常，人们获取物体三维模型的方式有三种：第一种方式是利用建模软件，例如AutoCAD等软件构造出接近真实物体的三维模型；第二种方式是利用对场景实拍的一系列图像或者视频来重建三维模型；而第三种方式则是通过三维扫描设备对物体表面进行三维扫描以获取物体的三维信息从而重建三维模型。

其中，第三种方式即三维扫描的方式，相比前两种方式，能够获得比较精确的三维数据，适用于有一定精度要求的建模应用中，如复杂机械零件，文物等。而且三维扫描的方式除了精度高的优点外，另一个优点是使用比较简单方便，并且建模所需时间很少。而三维扫描的方式按照测距探头不同，基本上可以分为两个大类:接触式扫描和非接触式扫描。接触式扫描利用接触式探头，在测量时探头需要和被测物体接触，虽然测量精度非常高，而且测量时完全不受物体表面反光、色彩等属性的影响，但是由于测距探头要接触被测物体表面且要产生一定的压力，所以会对被测物体造成一定程度的损伤，而且扫描时需要逐点测量，速度较慢，获取效率难以忍受；且由于测距探头需要接触被测物体并产生压力，因此对被测物体的材质有一定的要求，只能测量表面材质比较硬的物体。

而非接触式扫描采用光投射装置将激光或者可见光投射到被测物体表面，然后利用光感应设备对发射的光进行感光，再利用各种理论和技术计算出被测物体表面的深度信息，从而无需与被测物体直接接触，所以不会直接对被测物体产生物理损伤。这种非接触式扫描方式也称为光学三维测量，其在工业自动检测、产品质量控制、逆向设计、生物医学、三维文物数字信息记录、人体测量等众多领域中具有广泛应用。

以上非接触式扫描方式实现时，为了精确测量物体表面各点的位置并在后续的三维重建中建模，需要对光投射设备和光感应设备的内部和外部参数进行标定，并将标定后的各参数引用至后续三维重建方法中。因此，标定结果的准确性直接影响到三维重建模型与目标物体的一致性。故，需要一种具有高精度、且快速有效的标定方法，以测量准确的外部及内部参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于三维重建系统的标定方法，以简单的方式精确地标定光投影设备及光感应设备的参数值。

本发明公开了一种用于三维重建系统的标定方法，所述三维重建系统包括光感应设备、光投射设备及一产生标定图像的控制设备，所述光投射设备投影所述标定图像形成投影图像，所述光感应设备记录所述投影图像以形成记录图像；所述标定方法包括以下步骤：S1：获取所述标定图像在所述光投射设备的底片上的位置坐标；S2：光感应设备分别记录光投射设备在第一焦距F1和第二焦距F2下投射的投影图像，形成第一投影图像及第二投影图像，所述光感应设备分别记录所述第一投影图像及第二投影图像形成第一记录图像及第二记录图像；S3：所述控制设备分析所述第一记录图像及第二记录图像，并计算所述光投射设备的光心的坐标。

优选地，所述标定方法还包括以下步骤：S4：移动所述光投射设备，使所述光投射设备处于第一位置及第二位置；S5：基于所述光投射设备在所述第一位置及第二位置时不同的投影图像大小及所述光投射设备与投影屏的相对距离，计算所述光投射设备的焦距；S6：将所述光投射设备固定在所述第二位置，基于所述投影图像及所述记录图像计算所述光感应设备的焦距。

优选地，步骤S3中，还包括步骤S3-1：所述控制设备基于所述标志图像上的同一点在所述第一记录图像及第二记录图像的连线通过所述光投射设备的光心和等比原理，计算所述光投射设备的光心在光投射底片平面的坐标。

优选地，步骤S3中，还包括步骤S3-2：以所述光投射设备的光心为原点，以所述光投射设备的底片平面为XY平面形成第一坐标系，计算所述标定图像在所述第一坐标系下的坐标。

优选地，步骤S3中，还包括步骤S3-3：调整所述光感应设备的焦距并保持所述投影图像不变，所述控制设备计算所述光感应设备的光心在光投射底片平面的坐标。

优选地，步骤S3中，还包括步骤S3-4：以所述光感应设备的光心为原点，以所述光感应设备的底片平面为XY平面形成第二坐标系，计算所述标定图像所对应的记录图像在所述第二坐标系下的坐标。

优选地，步骤S6中，基于所述光感应设备的焦点、所述投影图像的两投影点构成的三角形及所述光感应设备的焦点、所述记录图像上对应所述两投影点的两记录点构成的三角形相似，计算所述光感应设备的焦距。

优选地，还包括如下步骤：步骤S1’：将所述光投射设备的焦点及光感应设备的焦点相连，形成一Z轴，并以距离所述光投射设备的焦点的距离为N并垂直于所述Z轴的平面形成为一X轴及Y轴构成的XY平面，所述X轴、Y轴、Z轴形成一第三坐标系；步骤S2’：基于所述标定图像的每两点在所述第三坐标系下的投影连线经过所述第三坐标系的原点，标定所述光感应设备及所述光投射设备在第三坐标系下的外部参数；步骤S3’：根据计算出的外部参数计算所述光投射设备的焦点及光感应设备的焦点间的距离L。

优选地，所述外部参数包括：以所述光投射设备的底片平面为XY平面形成的第一坐标系的X轴与所述第三坐标系的X轴及Z轴形成的XZ平面的夹角A；所述第一坐标系的Y轴与所述XZ平面的夹角B；所述第一坐标系的Z轴与所述第三坐标系的Z轴的夹角C；

以所述光感应设备的底片平面为XY平面形成的第二坐标系的X轴与所述XZ平面的夹角A’；所述第二坐标系的Y轴与所述XZ平面的夹角B’；所述第二坐标系的Z轴与所述第三坐标系的Z轴的夹角C’。

优选地，步骤S2’中，还包括：步骤S2’-1：设定一组外部参数值，调节其中的第一参数，计算所述第一参数的最优参数；步骤S2’-2：调节所述第一参数及所述外部参数的第二参数，计算所述第二参数的最优参数；步骤S2’-3：通过依次递归循环，计算每一所述外部参数的最优参数。

采用上述技术方案后，对三维重建系统内的光投射设备及光感应设备的内部参数及外部参数的标定过程及及结果更加精确，并具有以下有益效果：1）定标过程简单，避免使用高价的定标板；2）精度高，误差小；3）操作简单，避免复杂的数学计算；4）系统操作简单方便，计算速度快，并且成本低。

附图说明

图1为一优选实施例中标定图像示意图；

图2为一优选实施例中光投射设备在第一焦距F1下，光感应设备记录下的记录图像；

图3为一优选实施例中光投射设备在第一焦距F2下，光感应设备记录下的记录图像；

图4为光投射设备焦距的计算原理图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

一般而言,三维重建系统包括光投射设备及光感应设备。工作时，由光投射设备产生一光栅图案，并将该图案投影至目标物体。由于目标物体表面并不平整，投影在目标物体上的图案与原图案不相同，由此，在目标物体上形成了一投影图案。例如，当物体表面具有突起部分时，投影在突起部分的图案由于光的反射原理将会比投影在平整表面的图案亮度更高，同理，当物体表面具有凹陷部分时，投影在凹陷部分的图案将会比投影在平整表面的图案亮度更低。利用上述亮度差异，光感应设备记录投影图案，所记录的投影图案包含了目标物体的三维信息。如果光投射设备和光感应设备的内部参数和外部参数确定的话，利用光投射设备所产生的光栅图案上每一点的坐标值和光感应设备所记录的投影图案的每一点的坐标值可以计算目标物体上的每一点的坐标值。因此，为了进行三维重建，需要精确标定光投射设备和光感应设备的内部参数和外部参数。

其中，内部参数是指光投射设备和光感应设备各自本身的光学参数，例如焦距、光心位置等，而外部参数则代表光投射设备和光感应设备的三维位置关系，例如光投射设备的底片成像坐标系和光感应设备的底片成像坐标系和之间的关系。

根据本发明的一种具体实施方式，由和光投射设备相连的控制设备可产生一标定图像，一优选实施例中，标定图像由多个标志点组成，采用“点”状的标定图像，可方便使用者在确定标定图像在测量过程中的参数变化。一般来说，标志点的个数至少为六个，目的在于后续建立方程计算时，六个标志点的参数信息是必要的。最优选的实施例中，选用了9个标志点，使成形的标定图像中心点明确，使用者标定时更容易对应找到特征标定点的位置改变。

其中，图1为最优选实施例中控制设备产生的初始标定图像。该最优选实施例中，上述9个标志点在光投射设备的底片平面的位置由使用者设定。开始执行标定操作后，调整光投射设备的焦距为第一焦距F1及第二焦距F2，光感应设备记录下光投射设备分别在这两个焦距下投射到投影屏的投影图像，上述第一焦距F1及第二焦距F2要求投影图像成像清晰，且在投影屏的占面大。

光感应设备记录下的分别为第一记录图像（如图2所示）及第二记录图像（如图3所示），上述两份记录图像传送至控制设备后，交由控制设备分析，基于第一记录图像及第二记录图像上相应的两点相连线经过光心的原理，来计算光投射设备的光心在光感应设备的底片平面的位置，并基于等比原理获得光投射设备的光心在光投射底片平面的位置，进一步地，以光投射设备的光心为原点，以所述光投射设备的底片平面为XY平面，以光投射设备（光心和焦点的连线）的光轴为Z轴，形成一第一坐标系，可计算得标定图像在第一坐标系下的坐标。

同理，保持投影图像不变，调整光感应设备的焦距以在光感应设备的不同焦距下获得两张记录图像，同样，可基于光感应设备的不同焦距下获得的两张记录图像上的相应两点相连线经过光心的原理，可计算得光感应设备的光心的位置。同样地，以光感应设备的光心为原点，以所述光感应设备的底片平面为XY平面，以光感应设备（光心和焦点的连线）的光轴为Z轴，形成一第二坐标系，可计算得标定图像所对应的记录图像在第二坐标系下的坐标。

通过以上方法，可以精确标定光投射设备和光感应设备的光心位置，并可以计算标定图像的在基于光投射设备的底片平面形成的第一坐标系下的坐标，以及相应的投影图像在基于光感应设备的底片平面形成的第二坐标系下的坐标。

接下来，标定光投射设备和光感应设备的焦距。但应该注意的是，本发明的标定光投射设备和光感应设备的焦距的步骤也可以在上述标定光投射设备和光感应设备的光心位置之前进行。

将光投射设备移动至一第一位置，该第一位置没有具体位置限定，只需成像清晰即可。参阅图4，在该第一位置下，测量光投射设备上任一点A至投影屏的距离，并定义该距离为S1，同时，测量矩形投影图像的边框长度a。同理，将光投射设备移动至一第二位置，此时第二位置与投影屏间的距离较第一位置与投影屏间的距离小。测量下此时光投射设备上A点至投影屏的距离，并定义该距离为S2，同时，测量矩形投影图像的边框长度b。

由于光投射设备前后移动等价于投影底片不动时投影屏后移，根据相似三角形原理，可以知道光投射设备的焦距F_投=(S1-S2)*H/(a-b)，其中H为底片物理长度，可以直接从光投射设备的数据手册获取。S1-S2为光投射设备的移动距离，即相对距离，因为只需要选择任一点A后就可以测量了，而a和b可以精确地从投影屏上的长度测量到，因此可以得到光投射设备的焦距F_投或光感应设备。以上利用相似三角形的标定方法无需获取光投射设备底片的精确位置，因此大大减小了标定误差。

而为了标定光感应设备的焦距，将光投射设备固定在第二位置，测量此时标志点中任意两点在墙面的投影距离S，并测量投影屏到光感应设备的底片的直线距离D。由于标志点在光感应设备的底片平面形成的第二坐标系下的坐标前述已作计算，因此可以获取到投影屏上的两点在光感应设备的底片上的对应距离camera_a。可以通过简单的相似三角关系（以光感应设备的焦点、投影屏上的两投影点为顶点的三角形，和以光感应设备焦点、光感应设备的底片所拍摄的两投影点为顶点的三角形构成相似三角形）计算得到：

光感应设备的焦距F_感=D*camera_a/(camera_a+S)。

因此，根据上述标定方法，可将光感应设备及光投射设备的内部参数（光感应设备及光投射设备的焦距和光心位置）计算得出，且无需定标板，标定方法快速简单。

基于上述标定方法，可进一步标定光感应设备及光投射设备的外部参数。首先，为了标定光感应设备及光投射设备的外部参数，利用了第一坐标系和第二坐标系的概念。首先光投射设备的底片平面形成一第一坐标系，其中该第一坐标系的Z轴为该光投射设备产生的光路所在的直线，光投射设备的底片所在的平面形成了第一坐标系的X轴及Y轴所在的XY平面，该第一坐标系的坐标原点O₁’为光投射设备的底片的成像中心，即光投射设备的光心。因此，根据上文中所测定的光投射设备的光心位置，可得到标定图像上的每一个点B’在第一坐标系的第一坐标为（X₁，Y₁,0）。

同样地，光感应设备的底片平面形成一第二坐标系，其中该第二坐标系的Z轴为该光感应设备接收光的光路所在的直线，光感应设备的底片所在的平面形成了第二坐标系的X及Y轴所在的XY平面，该第二坐标系的坐标原点O₂’为光感应设备的底片的成像中心，即光感应设备的光心。因此，根据上文中所测定的光感应设备的光心位置，可得到标定图像所对应的记录图像中的每一个点B’’在第二坐标系的第二坐标为（X₂，Y₂,0）。

此标定外部参数的标定方法中，除了光投射设备的底片成像坐标系和光感应设备的底片成像坐标系之外，引入了第三坐标系的概念，将光投射设备的焦点及光感应设备的焦点相连，形成一Z轴，并以距离光投射设备的焦点的距离为N并垂直于Z轴的平面形成为一X轴及Y轴构成的XY平面，其中X轴、Y轴、Z轴形成一第三坐标系，该第三坐标系的原点即为上述Z轴与XY平面相交的点O₃。

该标定方法可计算的外部参数包括：第一坐标系的X轴与第三坐标系的X轴及Z轴形成的XZ平面的夹角A；第一坐标系的Y轴与XZ平面的夹角B；第一坐标系的Z轴与第三坐标系的Z轴的夹角C；第二坐标系的X轴与XZ平面的夹角A’；第二坐标系的Y轴与XZ平面的夹角B’；第二坐标系的Z轴与第三坐标系的Z轴的夹角C’。

根据第三坐标系的定义，XY平面距离光投射设备的焦点距离N为任意设定值，因此，参数N不需要定标。

执行标定外部参数的方法时，首先需要对上述夹角的值进行标定，可基于标定图像和记录图像的对应两点在第三坐标系下的投影连线经过第三坐标系的原点的原理进行标定，并采用遍历算法或二分算法标定各角的参数值。优选地，设定上述六个角度的初始化值后，仅对其中的第一参数进行调节，保持其他五个角的参数值不变，利用遍历算法或二分算法对6个角度参数中每一组可能值逐个试探，最终找到第一参数的最优参数。同样地，通过依次递归循环，计算每一个参数的最优参数，从而确定6个角度参数及其他外部参数的最优参数。

其中，在一个优选实施方式中，设定一组上述六个角度的初始化值后，利用标定图像中的9个点的第一坐标系和第二坐标系下的坐标，基于投影原理计算其在第三坐标系下的坐标，即在第三坐标系中计算得到2*9个点，其中每一组点（标定图像和记录图像的对应两点在第三坐标系下的投影点）和圆心O₃形成1个角，总共得到9个角。理论上，如果该初始化参数为三维重建系统的实际参数的话，每一组点和圆心O₃所构成的角度应该为零。

利用遍历算法寻找最优参数组合。具体地，在第一步中，设定一组初始化的参数值,然后对于设定的初始值，先调节其中的第一参数，使其按照设定的精度范围（例如按照1度间隔）进行变化，并且维持其他5个参数不变，计算9个角度的和，从而确定使得9个角度的和到达最小值的第一个参数的值。在第二步，对于设定的初始值，先调节其中的第一和第二参数，并且维持其他4个参数不变，使得9个角度的和到达最小值…依次递归循环，最终确定使得9个角的总和为最小的值的最优参数组合。

最后，标定光感应设备及光投射设备的焦点间的距离L。具体来说，同上述步骤相同，设定一个初始化的焦点距离L值。基于上述步骤中计算得出的其他外部参数，计算两点在第三坐标系下的坐标，从而计算出该两点的三维距离。同时，实际测量该两点的三维距离，理论上，计算得到的该两点的三维距离应该等于该两点的物理实测距离。利用遍历算法，调节初始化的焦点距离值，使得计算得到的两点的三维距离最接近该两点的物理实测距离，此时的焦点距离值，即所标定的三维系统的光感应设备和光投射设备的焦点距离值L。

采用上述技术方案后，对三维重建系统内的光投射设备及光感应设备的内部参数及外部参数的标定过程及结果更加精确，并具有以下有益效果：1）定标过程简单，避免使用高价的定标板；2）精度高，误差小；3）操作简单，避免复杂的数学计算；4）系统操作简单方便，计算速度快，并且成本低。

根据本发明，控制设备为和光投射设备相连接的一计算机，该计算机可产生不同的标定图像并发送至光投射设备，光投射设备接收到该标定图像后，将该标定图像投影至投影屏上。

一优选实施例中，光投射设备为投影仪，不仅移动方便，且调整焦距时不影响其他设备工作。又一优选实施例中，所用投影屏为白塑幕，白塑幕相比于现有使用的定标板具有价格便宜，可视角度大，适用范围最广等优点。同样地，投影屏的选择并不限定于白塑幕，本领域技术人员可使用珠光屏或金属屏等作为投影屏，但相对于白塑幕，以上两种选择价格较为昂贵，由于投影屏仅作为成像用，对成像亮度要求不高，最优选地仍是采用白塑幕为佳。

另一优选实施例中，光感应设备可采用照相机或摄像机等可精确记录不同成像的设备，使用者可精确识别通过照相或拍摄记录下的成像中的定标图案即可。光感应设备的选择并不仅限于上述提到的照相机或摄像机的使用，本领域技术人员可根据上述表达的技术效果变换光感应设备的选择，其余选择则均未脱离本发明关于光感应设备的技术内容。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于三维重建系统的标定方法，所述三维重建系统包括光感应设备、光投射设备及一产生标定图像的控制设备，所述光投射设备投影所述标定图像形成投影图像，所述光感应设备记录所述投影图像以形成记录图像；其特征在于：

所述标定方法包括以下步骤：

S1：获取所述标定图像在所述光投射设备的底片上的位置坐标；

S2：光感应设备分别记录光投射设备在第一焦距F1和第二焦距F2下投射的投影图像，形成第一投影图像及第二投影图像，所述光感应设备分别记录所述第一投影图像及第二投影图像形成第一记录图像及第二记录图像；

S3：所述控制设备分析所述第一记录图像及第二记录图像，并计算所述光投射设备的光心的坐标。

2.如权利要求1所述的标定方法，其特征在于：

所述标定方法还包括以下步骤：

S4：移动所述光投射设备，使所述光投射设备处于第一位置及第二位置；

S5：基于所述光投射设备在所述第一位置及第二位置时不同的投影图像大小及所述光投射设备与投影屏的相对距离，计算所述光投射设备的焦距；

S6：将所述光投射设备固定在所述第二位置，基于所述投影图像及所述记录图像计算所述光感应设备的焦距。

3.如权利要求1或2所述的标定方法，其特征在于：

步骤S3中，还包括步骤S3-1：

所述控制设备基于所述标定图像上的同一点在所述第一记录图像及第二记录图像的连线通过所述光投射设备的光心和等比原理，计算所述光投射设备的光心在光投射底片平面的坐标。

4.如权利要求3所述的标定方法，其特征在于：

步骤S3中，还包括步骤S3-2：

以所述光投射设备的光心为原点，以所述光投射设备的底片平面为XY平面形成第一坐标系，计算所述标定图像在所述第一坐标系下的坐标。

5.如权利要求1或2所述的标定方法，其特征在于：

步骤S3中，还包括步骤S3-3：

调整所述光感应设备的焦距并保持所述投影图像不变，所述控制设备计算所述光感应设备的光心在光投射底片平面的坐标。

6.如权利要求5所述的标定方法，其特征在于：

步骤S3中，还包括步骤S3-4：

以所述光感应设备的光心为原点，以所述光感应设备的底片平面为XY平面形成第二坐标系，计算所述标定图像所对应的记录图像在所述第二坐标系下的坐标。

7.如权利要求2所述的标定方法，其特征在于：

步骤S6中，基于所述光感应设备的焦点、所述投影图像的两投影点构成的三角形及所述光感应设备的焦点、所述记录图像上对应所述两投影点的两记录点构成的三角形相似，计算所述光感应设备的焦距。

8.如权利要求1或2所述的标定方法，其特征在于：

还包括如下步骤：

步骤S1’：将所述光投射设备的焦点及光感应设备的焦点相连，形成一Z轴，并以距离所述光投射设备的焦点的距离为N并垂直于所述Z轴的平面形成为一X轴及Y轴构成的XY平面，所述X轴、Y轴、Z轴形成一第三坐标系；

步骤S2’：基于所述标定图像的每两点在所述第三坐标系下的投影连线经过所述第三坐标系的原点，标定所述光感应设备及所述光投射设备在第三坐标系下的外部参数；

步骤S3’：根据计算出的外部参数计算所述光投射设备的焦点及光感应设备的焦点间的距离L。

9.如权利要求8所述的标定方法，其特征在于：

所述外部参数包括：

(1)以所述光投射设备的底片平面为XY平面形成的第一坐标系的X轴与所述第三坐标系的X轴及Z轴形成的XZ平面的夹角A；

(2)所述第一坐标系的Y轴与所述XZ平面的夹角B；

(3)所述第一坐标系的Z轴与所述第三坐标系的Z轴的夹角C；

(4)以所述光感应设备的底片平面为XY平面形成的第二坐标系的X轴与所述XZ平面的夹角A’；

(5)所述第二坐标系的Y轴与所述XZ平面的夹角B’；

(6)所述第二坐标系的Z轴与所述第三坐标系的Z轴的夹角C’。

10.如权利要求9所述的标定方法，其特征在于：

步骤S2’中，还包括：

步骤S2’-1：设定一组外部参数值，调节其中的第一参数，计算所述第一参数的最优参数；

步骤S2’-2：调节所述第一参数及所述外部参数的第二参数，计算所述第二参数的最优参数；

步骤S2’-3：通过依次递归循环，计算每一所述外部参数的最优参数。