CN105091750A - 一种基于双四步相移的投影仪标定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双四步相移的投影仪标定方法，包括以下步骤：1)标定板的选择；2)搭建投影仪标定系统；3)使用相机拍摄标定板的图像；4)由DLP投影仪向标定板分别投射横向和纵向的正弦条纹并拍摄标定板上的形成的图像；5)重复步骤4)再得到横向和纵向各一组4幅拍摄图像；6)将步骤4)、5)得到横向和纵向的各两组拍摄图像分别运用四步相移进行相位提取得到横向和纵向的各两幅相位主值图，对相同方向的两幅相位主值图叠加得到叠加相位主值图；7)对相同方向获得的叠加相位主值图进行相位展开，得到相位展开图；8)利用相位展开图中获得的横向和纵向的绝对相位，得到投影仪像素坐标中对应点的像素坐标(μ，θ)并对投影仪进行标定。

Description

一种基于双四步相移的投影仪标定方法

技术领域

本发明属于机器视觉领域的相位测量轮廓术。

背景技术

在机器视觉领域，结构光测量法作为主要的三维立体视觉测量方法，具有非接触、精度高、速度快等优点。在工业检测、逆向工程、影视特技制作、医学、文物保护等方面得到了广泛的发展。单相机单投影仪组成的结构光三维测量系统使用前,需要对相机和投影仪进行标定。

相机的标定方法和技术已经相对成熟，而投影仪的标定尚不尽人意。现有的投影仪的标定方法总体上可分为两类：一类是先标定相机，再利用相机的标定参数进行投影仪标定，此方法对相机的标定精度依赖性较强；另一类是基于相位法进行投影仪的标定，不依赖相机的标定参数，将投影仪看做一个逆向“相机”，通过相位匹配获得投影仪图像和相机图像的对应关系，使投影仪具有“拍照功能”，从而可以利用相机的标定原理标定投影仪。Zhang和Huang提出了投影仪“拍摄”图像的理念，基于相位法建立相机像素和投影仪像素一一对应的关系，从而看上去是投影仪“拍摄”了图片，将三步相移条纹投射到标定板上并拍摄，经相位提取与展开获得相位进而求得二维图像坐标。使用三步相移提取的相位信息存在较大误差。戴小林等人提出了利用相位值实现投影仪与相机的匹配，通过向标定板投射设编码结构光图片并拍摄，经过图像处理获得投影仪图像与相机图像的对应关系，进行投影仪标定，提高了系统的标定精度，但未考虑投影仪伽马非线性带来的条纹非正弦化误差。李中伟等人针对上述问题提出了解决方案，首先向标定板投射水平方向和垂直方向的正弦光栅条纹并拍摄，再对图像进行相位提取，建立了相位补偿查找表，对提取的相位进行了相位误差补偿，解决了条纹非正弦化带来的相位误差，该方法很好的提高了标定精度，但建立误差查找表操作复杂耗时，不利于三维测量对快速性的要求。通过以上分析，寻找一种快速性且高精度的投影仪标定方法很有必要。

发明内容

针对现有技术的不足,本发明拟解决的技术问题是:提供一种双四步相移的方法进行相位提取,通过相位主值图的融合，去除投影仪伽马非线性对投影仪标定精度的影响，该方法具有设计简单、操作性强、标定精度高、快速性等特点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是提供一种基于双四步相移的投影仪标定方法，其特征是所述投影仪标定方法包括以下步骤：

1)标定板的选择

所述标定板为表面有p×q个相同黑色圆形标识组成的矩形阵列的白色平板，相邻圆形标识间的圆心距离均为Lmm；

2)搭建投影仪标定系统

摆放相机、投影仪和标定板，设定相机与投影仪的距离约为amm，相机与标定板的距离约为bmm，相机光轴与标定板垂直，投影仪倾斜摆放，并保证投影仪投射在标定板上的正弦条纹能够被相机拍摄，所述相机为CCD相机，所述投影仪为DLP投影仪；

3)使用相机拍摄标定板的图像；

4)由DLP投影仪向标定板分别投射横向和纵向的正弦条纹图像并拍摄标定板上的形成的图像；

横向及纵向的初始图像拍摄完成后，均改变各自正弦条纹的相位并再拍摄三幅图像，横向及纵向上相邻两幅图像的正弦条纹的相位差均为π/4，形成横向和纵向各一组4幅拍摄图像；

5)重复步骤4)再得到横向和纵向各一组4幅拍摄图像，步骤5)中的初始图像的正弦条纹与步骤4)中初始图像的正弦条纹的相位差也为π/4；

6)将步骤4)、5)得到横向和纵向的各两组拍摄图像分别运用四步相移进行相位提取得到横向和纵向的各两幅相位主值图，对相同方向的两幅相位主值图根据公式(1)进行叠加得到叠加相位主值图，

其中表示理想主值相位信息，分别表示相同方向得到的两幅相位主值图的实际相位主值信息，表示初始相位差，当采用四步相移时，取π/4；

7)对相同方向获得的叠加相位主值图进行相位展开，得到相位展开图；

8)利用相位展开图中获得的横向和纵向的绝对相位，结合公式(2)可得投影仪像素坐标中对应点的像素坐标(μ，θ)；

其中M和N表示投影仪水平方向和垂直方向的分辨率，和分别表示横向和纵向的绝对相位值，F表示投影条纹的数目。

利用投影仪像素坐标中对应点的像素坐标(μ，θ)生成的虚拟的投影仪图像对投影仪进行标定。

所述标定方法，其特征在于横向及纵向的正弦条纹的频率相同。

标定方法，其特征在于正弦条纹为双频或多频条纹。

本发明所述的基于双四步相移进行投影仪标定的设计方法由来如下：

基于相位法的投影仪标定虽然不依赖于CCD相机的标定精度但相位误差对投影仪标定精度有一定影响。由于投影仪的镜头存在畸变，使输入灰度与输出灰度程非线性对应关系，即投影仪的伽马(gamma)非线性。当将计算机生成的理想正弦条纹发送到投影仪，经CCD相机对应采集到的光栅条纹图不具有良好的正弦性，该非正弦性会给相移算法带来相位误差。所以当采用传统的四步相移提取投影仪标定所需的相位信息时会存在一定的误差，该非线性相位误差是投影仪镜头畸变带来的，不可避免，会直接影响生成投影仪图像坐标的精度，从而降低了投影仪的标定精度。为解决此问题，本发明提出利用双四步相移的方法提高投影仪的标定精度，采用两次四步相移对相位信息进行提取，并叠加两次获得的相位主值图，以削弱非线性相位误差，提高投影仪标定精度。尤其是当横向与纵向正弦条纹频率相同或者为相同的双频或多频条纹时，标定精度能够进一步提高。

本发明提供的投影仪标定方法相较于现有投影仪标定技术的优势是：

1.基于相位法进行投影仪的标定不受相机标定精度的影响，标定过程简单易操作，标定板制作简单且成本低，不需要过强的系统约束。

2.采用双四步相移，通过叠加相位主值图，抵消了相位误差，削弱了因投影仪(gamma)非线性造成的相位误差对投影仪生成图像精度的影响，仅需投射两倍数目的正弦光栅条纹图，不需要对存在误差的相位信息进行补偿或校正操作，即可解决投影仪非线性畸变对标定的影响，进而可获得较高的投影仪标定精度。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的基于双四步相移的投影仪标定方法的投影仪标定系统的硬件布局示意图；

图2是本发明具体实施方式中提供的基于双四步相移的投影仪标定方法选择的标定板的示意图；

图3是采用本发明具体实施方式中提供的基于双四步相移的投影仪标定方法进行投影仪标定的流程图；

图4是采用本发明具体实施方式中提供的基于双四步相移的投影仪标定方法进行投影仪标定时采用双四步相移法获得叠加相位主值图的效果示意图。

具体实施方式

本具体实施方式提供一种基于双四步相移的投影仪标定方法，该方法在建立DLP投影仪图像和CCD相机图像的对应关系时，采用双四步相移方法以削弱投影仪标定过程中由于投影和采集设备的非线性带来的图像非正弦化的相位误差。该方法在生成虚拟的投影仪像素坐标前，对非线性误差进行处理，提高生成的投影仪图像精度，进而提高投影仪的标定精度。

本发明提供的投影仪标定方法应用到的软件：计算机中包含与相机配套的拍照软件、与投影仪配套的投影软件、图像处理软件，这些软件为公知技术，可以商购获得。正弦条纹即正弦光栅条纹的生成也为公知技术，本具体实施方式中中采用MATLAB软件编程。

图中相机2和投影仪3的距离约为amm，相机与标定板4之间的距离约为bmm，相机、投影仪与标定板的位置关系保证投影仪投射在标定板上的正弦条纹图像能够被相机拍摄，相机光轴与标定板垂直，投影仪倾斜摆放，投影仪和相机分别通过导线与计算机1连接。

本发明提供一种基于双四步相移的投影仪标定方法具体实施步骤：

1).标定板的选择

所述标定板为表面有p×q个相同黑色圆形标识组成的矩形阵列的白色平板，相邻圆形标识间的圆心距离均为Lmm，圆形标识的直径为dmm，所述标定板的示意图如图2所示；

2).搭建投影仪标定系统

摆放相机2、投影仪3和标定板4，设定相机与投影仪的距离约为amm，相机与标定板的距离约为bmm，相机、投影仪与标定板的位置关系保证投影仪投射在标定板上的正弦条纹图像能够被相机拍摄，相机光轴与标定板垂直，所述相机为CCD相机，所述投影仪为DLP投影仪，投影仪和相机分别通过导线和与计算机1连接，所述投影仪标定系统的硬件布局示意图如图1所示；

3).使用相机拍摄标定板的图像；

4)由DLP投影仪向标定板分别投射横向和纵向的正弦条纹并拍摄标定板上的形成的图像；

横向及纵向的初始图像拍摄完成后，均改变各自正弦条纹的相位并再拍摄三幅图像，横向及纵向上相邻两幅图像的正弦条纹的相位差均为π/4，形成横向和纵向各一组4幅拍摄图像；

5)重复步骤4)再得到横向和纵向各一组4幅拍摄图像，步骤5)中的初始图像的正弦条纹与步骤4)中初始图像的正弦条纹的相位差也为π/4；

6)将步骤4)、5)得到横向和纵向的各两组拍摄图像分别运用四步相移进行相位提取得到横向和纵向的各两幅相位主值图，对相同方向的两幅相位主值图根据公式(1)进行叠加得到叠加相位主值图，即采用双四步相移法获得叠加相位主值图，对相同方向的2组各4幅图像采用双四步相移法获得叠加相位主值图的效果示意图如图4所示

其中表示理想主值相位信息，分别表示相同方向得到的两幅相位主值图的实际相位主值信息，表示初始相位差，当采用四步相移时，取π/4；

7).对相同方向获得的叠加相位主值图进行相位展开，得到相位展开图；

8).利用相位展开图中获得的横向和纵向的绝对相位，结合公式(2)可得投影仪像素坐标中对应点的像素坐标(μ，θ)；

利用投影仪像素坐标中对应点的像素坐标(μ，θ)生成的虚拟的投影仪图像对投影仪进行标定。

采用所述基于双四步相移的投影仪标定方法进行投影仪标定的流程图如图3所示。

基于双四步相移进行投影仪标定，采用两次四步相移对相位信息进行提取，并叠加两次获得的相位主值图，由图4可看出明显的效果，经叠加后的主值图比只经一次四步相移获得的主值图具有更好的正弦性，解决了相位法投影仪标定中非正弦化误差对投影仪标定的影响，提高了投影仪标定精度。

本发明未述及之处为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.一种基于双四步相移的投影仪标定方法，其特征是所述投影仪标定方法包括以下步骤：

1)标定板的选择

所述标定板为表面有p×q个相同黑色圆形标识组成的矩形阵列的白色平板，相邻圆形标识间的圆心距离均为Lmm；

2)搭建投影仪标定系统

摆放相机、投影仪和标定板，设定相机与投影仪的距离约为amm，相机与标定板的距离约为bmm，相机光轴与标定板垂直，投影仪倾斜摆放，并保证投影仪投射在标定板上的正弦条纹能够被相机拍摄，所述相机为CCD相机，所述投影仪为DLP投影仪；

3)使用相机拍摄标定板的图像；

4)由DLP投影仪向标定板分别投射横向和纵向的正弦条纹并拍摄标定板上的形成的图像；

横向和纵向的初始图像拍摄完成后，均改变各自正弦条纹的相位并再拍摄三幅图像，横向和纵向上相邻两幅图像的正弦条纹的相位差均为π/4，形成横向和纵向各一组4幅拍摄图像；

5)重复步骤4)再得到横向和纵向各一组4幅拍摄图像，步骤5)中的初始图像的正弦条纹与步骤4)中初始图像的正弦条纹的相位差也为π/4；

6)将步骤4)、5)得到横向和纵向的各两组拍摄图像分别运用四步相移进行相位提取得到横向和纵向的各两幅相位主值图，对相同方向的两幅相位主值图根据公式(1)进行叠加得到叠加相位主值图，

其中表示理想主值相位信息，分别表示相同方向得到的两幅相位主值图的实际相位主值信息，表示初始相位差，当采用四步相移时，取π/4；

7)对相同方向获得的叠加相位主值图进行相位展开，得到相位展开图；

8)利用相位展开图中获得的横向和纵向的绝对相位，结合公式(2)可得投影仪像素坐标中对应点的像素坐标(μ，θ)；

其中M和N表示投影仪水平方向和垂直方向的分辨率，和分别表示横向和纵向的绝对相位值，F表示投影条纹的数目；

利用投影仪像素坐标中对应点的像素坐标(μ，θ)生成的虚拟投影仪图像对投影仪进行标定。

2.如权利要求1所述的标定方法，其特征在于横向及纵向的正弦条纹的频率相同。

3.如权利要求1所述的标定方法，其特征在于正弦条纹为双频或多频条纹。