CN106767933B - 深度相机误差的测量系统、测量方法、评价方法及补偿方法 - Google Patents

深度相机误差的测量系统、测量方法、评价方法及补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种深度相机误差的测量系统、测量方法、评价方法及补偿方法。所述深度相机误差测量系统包括：校验装置；深度相机，用于测量并获取所述测量平面的深度图像；距离测量装置，所述距离测量装置具有比所述深度相机更高的测量精度；支架，所述支架用于固定所述深度相机以及所述距离测量装置，使得所述深度相机以及所述距离测量装置的测量起始点/面位于同一条基线上，并正对所述测量平面。采用这个系统可以实现对深度相机误差的测量，并计算误差和偏差，通过误差和偏差可以评价深度相机以及对误差进行补偿。

Description

深度相机误差的测量系统、测量方法、评价方法及补偿方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种深度相机误差测量系统及评价方法。
背景技术
深度相机可以获取目标的深度信息借此实现3D扫描、场景建模、手势交互，与目前被广泛使用的RGB相机相比，深度相机正逐步受到各行各业的重视。在利用深度相机对目标进行深度图像测量时，清晰、准确的深度信息是衡量深度相机性能的重要指标，然而由于受到温度、光照、场景等影响，往往会使得深度相机获取的深度信息有较大的误差。另一方面，在深度相机元器件制造以及组装过程中不可避免地会产生误差，这也会给测量直接带来系统性的误差。
发明内容
本发明的目的是为了解决深度相机误差测量及评价的问题，提供一种用于深度相机的误差测量的系统、测量方法及评价方法，并在此基础上提供了一种误差补偿方案。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种深度相机误差测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：
校验装置,所述校验装置包括测量平面；
深度相机，用于测量并获取所述测量平面的深度图像数据；
距离测量装置，所述距离测量装置具有比所述深度相机更高的测量精度；
支架，所述支架用于固定所述深度相机以及所述距离测量装置，使得所述深度相机以及所述距离测量装置的测量起始点/面位于同一条基线上，并正对所述测量平面。
优选地，还包括：
计算设备，所述计算设备与所述深度相机以及所述距离测量装置连接，用于分别获取所述深度相机以及所述距离测量装置的测量数据，并根据所述测量数据对所述深度相机进行精度计算。
优选地，所述距离测量装置为至少两个激光测距仪，所述至少两个激光测距仪分别位于深度相机两侧的所述基线上。
优选地，所述测量平面平整度不超过1mm。
优选地，所述测量系统还包括温度控制器，所述温度控制器用于控制所述深度相机的温度为恒温。
优选地，所述支架是可驱动平移支架，且与所述计算设备连接，在所述计算设备的驱动下进行平移。
优选地，所述精度计算是指将所述距离测量装置的测量数据作为真实值以及将所述深度相机的测量数据作为测量值，利用所述真实值以及所述测量值分别计算误差及偏差。
采用如上测量系统测量深度相机误差的方法，包括以下步骤：
S1：所述深度相机获取所述测量平面的深度图像数据；
S2：所述距离测量装置获取所述测量平面的距离值；
S3：根据所测数据计算所得测量误差和测量偏差，或所述计算设备计算对所述深度相机进行精度计算，得到测量误差和测量偏差。
优选地，所述测量误差为误差，所述测量误差中所述测量值是一点的深度值以及以该点为中心的子区域深度值的平均值。
优选地，所述测量偏差的计算包括以下步骤：
S31：获取S1中所述深度图像数据中的有效像素值，所述有效像素值指的是所述深度图像中除了噪声、坏点之外的像素；
S32：计算所述有效像素值的平均值；
S33：根据所述有效像素值以及所述平均值计算所述测量偏差。
一种评价深度相机误差的方法，包括如下步骤：
T1：在不同的测量距离下测量并计算出反映深度相机随测量距离变化的测量误差及偏差；
T2:所述不同的测量距离以及对应的所述测量误差进行线性拟合，所述测量偏差进行指数拟合；
T3:将所述线性拟合以及所述指数拟合后的函数中的参数作为评价所述深度相机的性能指标。
一种补偿深度相机误差的方法，根据T3中所述线性拟合函数对深度相机所获取的深度图像中各像素进行补偿。
本发明的有益效果为：提供了深度相机误差测量系统、方法以及误差评价方法以及补偿方法，通过深度相机测量并获取测量平面的深度图像数据，即测量值；通过比深度相机更高测量精度的距离测量装置获取测量平面的真实值，由测量值和真实值可以计算得到深度相机的误差和偏差，实现对深度相机的精度的准确测量及评估，同时利用补偿方法能够降低误差以提高深度相机的测量精度。对每台深度相机进行误差测量及评价将有利于深入了解该深度相机的性能，将有助于用户在实际使用中借此解释一些具体的问题，另一方面也可以给制定误差补偿方案提供合理的依据。
附图说明
图1是本发明实施例的测量系统示意图。
图2是本发明实施例的结构光深度相机的误差随测量距离的变化曲线。
图3是本发明实施例的结构光深度相机的标准偏差随测量距离的变化曲线
图4是本发明实施例的深度相机误差的测量、评价及补偿方法的流程图。
图5是本发明实施例的计算偏差方法的流程图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例1
深度相机的深度测量精度主要通过误差(error)及偏差(deviation)两个指标衡量，其中用误差来衡量深度相机的准确度(accuracy)，用标准偏差来衡量深度相机的精密度(precision)。在其他实施例中也可以用其他精度表示方法。
(1)误差测量方法
误差e(x*)用测量值x*与真值x之间的差值来表示，即：e(x*)＝x-x*。真值的获取利用精度更高的测量设备得到，比如激光测距仪。在测量时，将深度相机对准一平面，并在深度相机两边分别放置激光测距仪，三者处于同一条基线上，如图1所示。在实际测量时，将深度相机以及激光测距仪固定在一个可移动的基座上，以便于同步移动。
真值的获取也可以利用其他方式，比如利用带有精密刻度的轨道，将深度相机通过基座在轨道上移动，将刻度的示数作为当前深度相机的真实测量距离。
被测平面的平整度应不超过1mm；被测点O处的测量值应取深度相机获取的深度图像中以该点为中心的子区域深度值的平均值，即其中M、N表示子区的大小，/>指子区中各个像素对应的深度值；真值的计算公式为：x＝(ax2+bx1)/(a+b)。
(2)标准偏差测量方法
如图5所示,当深度相机对一平面进行测量时，不同像素的深度值会有差异，这里用标准偏差来反映这种差异情况。因而，标准偏差表示单幅深度图像中各像素深度值与其平均值之间偏差平方的统计平均值，衡量的是单幅深度图像的波动情况，标准偏差越小，表示所有像素的值越接近，测量结果越可靠。
标准偏差用下式进行表示：
式中，表示单幅深度图像中第i个像素对应的深度值，/>表示单幅深度图像中各深度值的平均值(深度图像往往边缘没有数值或数值较差，因此在计算平均值时应予以去除)。
实施例2
如图1所示的是根据本发明的一种实施例的测量系统示意图。误差测量系统101包括深度相机102、激光测距仪103与104、测量平面105以及计算机106。深度相机可以是基于结构光、TOF或者双目视觉原理的深度相机。一般地深度相机的测量精度(误差)不超过其测量距离的1％，因此要求所选的激光测距仪拥有的测量精度要高于1％，最好高出至少一个数量级，即为0.1％，这样激光测距仪所测得的数据被用来当做真实值才具有说服力。
如图4所示,理论上计算误差时，需要将深度相机以及激光测距仪对相同的一点或几个点测量出测量值以及真实值。然而由于深度相机测量出的是平面，而激光测距仪测量的则是点。一种可行的方案是对空间中的激光测距仪的点进行标记，然后在深度相机的深度图像中读取该点的深度值，最后将该深度值做为测量值进行误差计算。考虑到深度相机数据的波动性，在本实施例中采取的是对一平面进行测量，理论上这个平面的平整度越高越好，一般地要求不能超过1mm，由此将深度相机获取的整个深度图像的平均值做为深度相机正对着的平面上的一点O的测量值，将两个激光测距仪的测量值进行换算后得到O点的真实值。这种处理方式可以有效地避免由深度相机在不同环境或温度等因素引起的波动影响。
在一些实施例中，测量系统还包括支架以及温度控制器。支架可被计算机驱动做平移，由此可以实现在不同距离时对深度相机的误差进行测量；温度控制器可以将深度相机所处的温度进行控制，由此可以实现恒温控制或者温度变化控制，由于可以实现在某一温度下对误差进行测量或者测量由温度变化对误差的影响。
实施例3
本实施例中主要说明由测量距离变化引起的深度测量误差，并给出评价方法。测量距离变化是深度相机在正常使用中误差产生的最大原因。一般定性地说，测量误差随测量距离的增大而增大。为了对误差变化进行定量的评价，本实施例中将结合前面所述的误差测量系统及测量方法对深度相机在不同测量距离时的测量误差进行测量，并进行定量分析。
在一个实施例中深度相机102的测量范围为0.6～6m,分别隔0.6m对深度相机进行一次误差测量。为了消除温度带来的影响，可以将温度控制器如半导体制冷器(TEC)将深度相机控制在恒温下。
从0.6～6m且每隔0.6m的各个深度值的确定是根据两侧激光侧距仪的示数，比如要在真实深度值为0.6m处进行测量时，将固定深度相机以及激光测距仪的基座移动到两个激光测距仪的示数均为0.6m时即可，这个值亦看成是被测点的真实值。测量时，将深度相机在真实距离0.6m～6m的区间内每隔0.6m测量出一幅深度图像，总共采集10幅。然后根据前面所述的公式分别计算每幅深度图像的测量值、误差以及标准偏差，最后分别绘制出随测量距离的变化曲线。
图2所示的是在温度为25℃时对一个结构光深度相机进行测量所得到的误差随测量距离的变化曲线；图3所示的是标准偏差随测量距离的变化曲线。为了定量地对变化曲线进行分析，分别对误差曲线用线性函数(e(x*)＝a1x*+b1)进行拟合、对标准偏差曲线用指数函数进行拟合。在本实施例中所拟合出线性函数为：e(x*)＝0.0338x*-34.78；指数函数为：σ＝2.9e0.00082x。两个函数中的参数a1、b1、a2、b2则可以用来定量地衡量该深度相机的误差以及标准误差。
实施例4
在误差评价方法中最终获得了在恒温下得到的测量误差与测量距离变化的线性拟合函数。
在深度相机实际使用中，一般为了获取稳定的深度图像会利用TEC将深度相机的激光投影控制在常温状态下，比如25℃。此时获取的深度图像就可以利用评价方法得到的线性拟合函数进行深度值补偿以减小误差。具体地，若误差曲线拟合的线性函数为e(x*)＝a1x*+b1，深度相机获取的当前目标区域的深度图像为I，图像中各像素值分别为I(x,y)。补偿后的深度图像各像素值可用下式表示：
I′(x,y)＝(a1+1)I(x,y)+b1
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种深度相机误差测量系统，其特征在于，用于获取所述深度相机的误差及标准偏差对所述深度相机的精度进行测量及评估，所述误差用测量值与真实值之间的差值表示，所述标准偏差是当所述深度相机对测量平面进行测量时，深度相机获取的所述测量平面的单幅深度图像中各像素深度值与其平均值之间偏差平方的统计平均值；所述测量系统包括：
校验装置,所述校验装置包括测量平面；所述测量平面的平整度不超过1mm；
深度相机，用于测量并获取所述测量平面的深度图像数据；被测点处的测量值是以该点为中心的子区域深度值的平均值；
距离测量装置，所述距离测量装置具有比所述深度相机更高的测量精度，其中，所述距离测量装置包括设置在所述深度相机两边的两个激光测距仪，所述两个激光测距仪与所述深度相机的距离分别记为a，b，所述两个激光测距仪的测量值分别为x1、x2，所述真实值的计算公式为(ax2+bx1)/(a+b)；
可驱动平移支架，所述可驱动平移支架用于固定所述深度相机以及所述距离测量装置，使得所述深度相机以及所述距离测量装置的测量起始点/面相对于所述测量平面位于同一条基线上，并正对所述测量平面；并同步移动所述深度相机和所述距离测量装置在相同环境和温度下同时获取同一距离的测量值和真实值，以获得不同距离下的测量数据；
计算设备，所述计算设备与所述深度相机以及所述距离测量装置连接，用于分别获取所述深度相机以及所述距离测量装置的测量数据，并根据在不同的测量距离下的测量数据进行精度计算，得到相对应的测量误差及标准偏差，分别绘制出测量误差及标准偏差随距离变化的误差曲线和标准偏差曲线，对所述测量误差曲线用线性函数e(x*)＝a1x*+b1进行拟合，对所述标准偏差用指数函数σ＝a2eb2x进行拟合，以将参数a1、b1、a2、b2作为评价所述深度相机的性能指标。
2.如权利要求1所述的深度相机误差测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括温度控制器，所述温度控制器用于控制所述深度相机的温度为恒温。
3.如权利要求1所述的深度相机误差测量系统，其特征在于，所述可驱动平移支架与所述计算设备连接，在所述计算设备的驱动下进行平移。
4.如权利要求1所述的深度相机误差测量系统，其特征在于，所述精度计算是指将所述距离测量装置的测量数据作为真实值以及将所述深度相机的测量数据作为测量值，利用所述真实值以及所述测量值分别计算所述误差及所述偏差。
5.利用如权利要求1-4任一所述的系统测量和评价深度相机误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：所述深度相机获取所述测量平面的深度图像数据；
S2：所述距离测量装置获取所述测量平面的距离值；
S3：根据所测数据计算所得测量误差和标准偏差，或所述计算设备计算对所述深度相机进行精度计算，得到测量误差和标准偏差；
T1：在不同的测量距离下按照步骤S1-S3测量并计算出反映深度相机随测量距离变化的测量误差及标准偏差；
T2:所述不同的测量距离以及对应的所述测量误差用线性函数e(x*)＝a1x*+b1进行线性拟合，所述标准偏差用指数函数σ＝a2eb2x进行指数拟合；
T3:将所述线性拟合以及所述指数拟合后的函数中的参数a1、b1、a2、b2作为评价所述深度相机的性能指标。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述测量误差为误差，所述测量误差中所述测量值是一点的深度值以及以该点为中心的子区域深度值的平均值，所述点为所述距离测量装置测量的点。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述测量误差的计算包括以下步骤：
S31：获取S1中所述深度图像数据中的有效像素值，所述有效像素值指的是所述深度图像中除了噪声、坏点之外的像素；
S32：计算所述有效像素值的平均值；
S33：根据所述有效像素值以及所述平均值计算所述测量误差。
8.一种补偿深度相机误差的方法，其特征在于，根据如权利要求5-7任一项所述的方法的T3中线性拟合函数对深度相机所获取的深度图像中各像素进行补偿。
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