CN106767528A - 一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法 - Google Patents

一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法 Download PDF

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2531—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object using several gratings, projected with variable angle of incidence on the object, and one detection device

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Abstract

本发明公开了一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法，涉及测量技术领域，包括相机的标定，标定板的设计，拍摄图像，计算标定板的平面方程，像素高度的获得，像素绝对相位的计算以及每个像素的横坐标和纵坐标的计算，本发明的方法不需要精密位移设备，也不需要考虑参考平面，高度表达式简单无除法运算，也不需要考虑投影也无需考虑三维测量系统投影仪及摄像机位置角度等，测量方法简单，方便，很好地实现了任意图像点在摄像机坐标系下的三维标定。

Description

一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法。
背景技术
向参考面投影一组具有位移的正弦/余弦光栅图像，然后由摄像机分别拍摄得到一组图像，由该组图像通过相移公式计算，得到参考面的包裹相位，解相位后即可得到参考面的绝对相位。系统标定就是建立绝对相位与物体三维尺寸对应关系的过程，也是精确测量得以进行的前提。
目前，已有的标定方法主要存在以下问题：
1、高度表达式含除法，在运算时极易造成超高点或是无穷高点，高度还原失真；
2、标定过程依赖精密的位移装置，用于测量参考平面的多次位移量；
3、标定板上的图案颜色，特别是深色如黑色，严重影响了投影光线，进一步影响了绝对相位，导致标定不准确；
4、参考平面是一个假想平面，实际中很难测量确定，而用相位差进行的标定都需要用到参考面，导致标定精度差。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种测量方便，精度高以及简单的的基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所提供的一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法，包括下述工艺步骤：
(1)利用传统的棋盘格标定板单独标定相机；
(2)设计专用标定板，标定板具体为一种平板，所述平板的上下左右分别等间距分布有彩色圆环；
(3)将设计好的专用标定板放置在三维测量视场内，首先拍摄单独标定板图像，然后再分别投影四步正弦光栅并拍摄，设四幅图像为PIC1，PIC2，PIC3，PIC4；
(4)根据标定板图像及第(1)步摄像机的标定结果，基于相机坐标系计算出标定板的平面方程，得到每个像素对应的高度；
(5)根据投影光栅后的图像，计算包裹相位Phase＝arctan((PIC1-PIC3)/(PIC4-PIC2))，然后沿绝对相位线，向包裹相位两边进行逐步积分，积分公式如下：A＝O+mod((A-O+π/2),π)–π/2，A是待解相位，O是已解相位，得到每个像素点的绝对相位；
(6)多次位移标定板，重复(3)-(5)步骤，会得到多组对应关系；
(7)通过多项式拟合，标定出每个像素点高度和绝对相位的关系，所述多项拟合公式为：Zc＝a*θ*θ+b*θ+c，其中，Zc为像素点高度，a，b，c为像素点标定参数，θ为绝对相位；
(8)根据像素点高度及第(1)步标定的相机参数，计算出每个像素的横坐标和纵坐标，利用如下公式得到Xc和Yc：[Xc,Yc,Zc]＝Zc*Ac-1*[m,n,1]，其中m，n是每个像素的图像坐标，Ac-1是Ac的逆矩阵。
优选的，所述彩色圆环的数量大于6个。
优选的，所述步骤(7)中还可采用三次、四次或更高阶的多项拟合公式。
优选的，所述步骤(6)中步骤(3)-(5)的重复次数大于等于3次。
优选的，所述步骤(3)中还可采用5步、6步或更多步正弦光栅图像。
本发明的有益效果：本发明的方法不需要精密位移设备，也不需要考虑参考平面，高度表达式简单无除法运算，也不需要考虑投影也无需考虑三维测量系统投影仪及摄像机位置角度等，测量方法简单，方便，很好地实现了任意图像点在摄像机坐标系下的三维标定。
附图说明：
图1为本发明中光栅投影相移装置图。
图2为本发明中标定板上彩色圆环的分布示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1和图2所示，一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法，包括下述工艺步骤：
(1)采用传统的等间距的黑白棋盘格，单独标定摄像机，求出摄像机的Ac及径向畸变参数，Ac为内参数矩阵；
(2)设计彩色圆环标定板，彩色圆环要求上下和左右分别等间距，彩色圆环大小自定义，圆环数量大于2*3，彩色颜色宜浅不宜深；
(3)放置标定板在测量视场内，不投影，拍摄标定板；
(4)标定板不动，投影仪分别投影一组多步位移正弦条纹，摄像机分别拍照，如分别投影四步正弦光栅并拍摄，设四幅图像为PIC1，PIC2，PIC3，PIC4，为了提高精度，还可采用5步、6步正弦光栅图像；
(5)根据步骤(3)中拍摄的图像及步骤1中标定的相机参数，基于摄像机坐标系，求出标定板的平面方程，根据平面方程，基于摄像机坐标系下的高度，计算每个像素点对应的Zc；
(6)根据投影光栅后的图像，计算包裹相位Phase＝arctan((PIC1-PIC3)/(PIC4-PIC2))，然后沿绝对相位线，向包裹相位两边进行逐步积分，积分公式如下：A＝O+mod((A-O+π/2),π)–π/2，A是待解相位，O是已解相位，得到每个像素点的绝对相位θ；
(7)重复步骤3—6，共放置不同位置标定板3次及以上，计算出多组Zc与绝对相位的对应关系；
(8)对每个像素点，设高度与相位的关系式如下：Zc＝a*θ*θ+b*θ+c，如果要求更高精度，可以用三次、四次等更高阶的多项式拟合公式，根据步骤7解出的Zc和θ的对应关系对，解出a，b，c的参数；
(9)对应每个像素，已知其绝对相位θ，利用步骤8标定的参数，就可以求出对应的Zc；。
(10)利用如下公式得到Xc和Yc：[Xc,Yc,Zc]＝Zc*Ac-1*[m,n,1],其中m，n是每个像素的图像坐标，Ac-1是Ac的逆矩阵。
基于上述，本发明的方法不需要精密位移设备，也不需要考虑参考平面，高度表达式简单无除法运算，也不需要考虑投影也无需考虑三维测量系统投影仪及摄像机位置角度等，测量方法简单，方便，很好地实现了任意图像点在摄像机坐标系下的三维标定。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法，包括下述工艺步骤：
(1)利用传统的棋盘格标定板单独标定相机；
(2)设计专用标定板，标定板具体为一种平板，所述平板的上下左右分别等间距分布有彩色圆环；
(3)将设计好的专用标定板放置在三维测量视场内，首先拍摄单独标定板图像，然后再分别投影四步正弦光栅并拍摄，设四幅图像为PIC1，PIC2，PIC3，PIC4；
(4)根据标定板图像及第(1)步摄像机的标定结果，基于相机坐标系计算出标定板的平面方程，得到每个像素对应的高度；
(5)根据投影光栅后的图像，计算包裹相位Phase＝arctan((PIC1-PIC3)/(PIC4-PIC2))，然后沿绝对相位线，向包裹相位两边进行逐步积分，积分公式如下：A＝O+mod((A-O+π/2),π)–π/2，A是待解相位，O是已解相位，得到每个像素点的绝对相位；
(6)多次位移标定板，重复(3)-(5)步骤，会得到多组对应关系；
(7)通过多项式拟合，标定出每个像素点高度和绝对相位的关系，所述多项拟合公式为：Zc＝a*θ*θ+b*θ+c，其中，Zc为像素点高度，a，b，c为像素点标定参数，θ为相位；
(8)根据像素点高度及第(1)步标定的相机参数，计算出每个像素的横坐标和纵坐标，利用如下公式得到Xc和Yc：[Xc,Yc,Zc]＝Zc*Ac-1*[m,n,1]，其中m，n是每个像素的图像坐标，Ac-1是Ac的逆矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法，其特征在于：所述彩色圆环的数量大于6个，所述彩色圆环为浅彩色圆环。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法，其特征在于：所述步骤(7)中还可采用三次、四次或更高阶的多项拟合公式。
4.根据权利要求3所述的一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法，其特征在于：所述步骤(6)中步骤(3)-(5)的重复次数大于等于3次。
5.根据权利要求1所述的一种基于彩色圆环标定板的光栅三维测量系统的标定方法，其特征在于：所述步骤(3)中还可采用5步、6步或更多步正弦光栅图像。
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