CN109003308A - 一种基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统及方法，系统包括由标定物、投影仪、对焦准确相机和至少一个以上的待标定特殊成像范围相机，投影仪正对标定物，包括投影仪依次投影横向和纵向正弦结构光到标定物，对焦准确相机依次拍摄被横向结构光和纵向结构光编码后的标定物，对标定物上特征点的正弦结构光利用相位法进行解码等步骤，本发明实现了特殊成像范围相机在离焦条件下的参数准确标定。正弦函数经低通滤波器滤波后仍然可以保持其相位信息，同理正弦结构光在离焦状态下仍然可以很好的保持其编码的相位信息。

Description

一种基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统及方法

技术领域

本发明属于先进制造与自动化领域，具体地说，是利用正弦结构光对标定物进行编码，从而实现基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统及方法。

背景介绍

在三维重建等很多计算机视觉的应用中，相机参数的准确标定是得到良好结果的前提条件。经过多年的发展，高精度、使用方便的相机的标定方法的研究取得了长足的进步。目前主流的相机标定方法分为三类：分别为传统相机标定方法、相机自标定方法以及主动视觉相机标定方法。传统相机的标定方法需要高精度的已知结构信息的标定目标，且由于对标定目标的要求较高，在很多情况下无法使用。主动视觉标定方法在使用中需要精确测量标定物或待标定相机的相对位置信息。此方法需要使用造价高昂的精密移动平台记录标定物的位移和角度变化信息，大大限制了使用范围。而相机的自标定方法由于其兼顾了标定精度和使用的简便性得到了最广泛的使用。其中最典型的是2000年Zhang提出的一种新型的利用二维平面标定物的相机标定方法，该方法在使用中可任意放置相机以及标定物。在标定过程中，待标定相机从不同位置和不同角度拍摄标定物上图案(一般为棋盘格)，利用图像处理算法精确提取出图像中标定物平面上特征点(棋盘格角点)的图像坐标。依据建立在标定物平面上的世界坐标系与相机坐标系间的角度变化信息，使用特征点的世界坐标和图像坐标建立方程组求得相机的内外参数。

在上文讨论的三类算法中，精确求得标定物上特征点在待标定相机拍摄所得的图像中的像素坐标是得到准确相机参数的基础。对大部分相机来说拍摄得到标定物的清晰图像，经算法处理得到亚像素精度的特征点像素坐标对十分简单。但某些成像范围特殊的相机拍摄一般的标定物一般只能得到离焦的模糊图像，从而无法得到准确的特征点像素坐标。比如微距相机，其一般具有视场与景深较小的特点。在应用常规方法时，要求标定物多次大幅度改变位姿，因此标定物常会位于微距相机的清晰成像范围之外。

目前对于小景深小视场情况下标定方法的研究很少。为解决特殊成像范围相机标定困难的问题，本文提出了一种利用正弦结构光对一般标定物进行编码的方法，该方法利用待标定相机在离焦状态下得到的标定物的模糊图像，就可以得到标定物特征点的精确像素坐标。使相机在对焦和离焦状态下都可以利用常规方法进行标定。为特殊成像范围相机的标定提供了一种有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有的标定方法在标定特殊成像范围相机中存在的不足，提出了一种基于正弦结构光编码标定物的相机标定方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明公开了一种基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统，系统包括由标定物、投影仪、对焦准确相机和至少一个以上的待标定特殊成像范围相机，投影仪正对标定物。

本发明还公开了一种基于权利要求1所述的基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统的标定方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)、投影仪依次投影横向和纵向正弦结构光到标定物；

2)、对焦准确相机依次拍摄被横向结构光和纵向结构光编码后的标定物，对标定物上特征点的正弦结构光利用相位法进行解码；

3)、编码后的标定物会位于待标定特殊成像范围相机的景深之外，因此待标定特殊成像范围相机能得到标定物的离焦模糊图像，因此待标定特殊成像范围相机即离焦相机，待标定特殊成像范围相机拍摄得到正弦结构光编码后标定物的离焦模糊照片；

4)、对离焦模糊照片进行解码，解码过程同步骤2)，根据步骤2)对焦准确相机得到的标定物上特征点的横向相位和纵向相位，对应得到离焦模糊照片中标定物上特征点的准确图像坐标；

5)、改变待标定特殊成像范围相机相对标定物的位置N次，重复步骤3)、4)。得到标定物上特征点的N组准确图像坐标；

6)、利用这标定物上特征点的N组准确图像坐标，使用常规方法计算得出待标定特殊成像范围相机的相机参数。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤2)的具体步骤如下：相移法即为利用多幅具有一定已知相位差的结构光图像，计算结构光的相位信息，假设正弦结构光共投影N次，则其相邻图片间结构光的相位差应为

用I_k表示第k幅结构光的光强分布，其表达式应为。

其中I′(x，y)为背景光强，I″(x，y)为结构光的调制光强，φ(x，y)为待求解的(x，y)点的相位。式中有I′、I″和φ三个未知数，至少需要三个方程。

将式(2)展开，得到

其中

a(x，y)＝I′(x，y)

b(x，y)＝I″(x，y)cos(φ(x，y)) (4)

c(x，y)＝-I″(x，y)sin(φ(x，y))

可以从式(3)的形式中看出其实际上是I_k(x，y)的傅里叶级数表示，

a(x，y)为直流分量的权重，b(x，y)和c(x，y)为一阶分量的权重。根据傅里叶级数的相关性质以及三角函数的正交性质，可得

由以上三式，可得

作为进一步地改进，本发明所述的N值为3或4，即使用三步相移法或四步相移法。

作为进一步地改进，本发明所述的N值为3时，相位求解公式如下(10)：

分别对3张横向结构光编码后的标定物图片和3张纵向结构光编码后的标定物图片利用公式(10)，可计算得出标定物上特征点的横向相位和纵向相位。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤5)、6)中的N为10至15次。

本发明的有益效果如下：

为解决常规标定方法无法标定具有特殊成像范围的相机的问题，本文提出了一种利用正弦结构光编码标定物的方法。使用该方法，实现了特殊成像范围相机在离焦条件下的参数准确标定。正弦函数经低通滤波器滤波后仍然可以保持其相位信息，同理正弦结构光在离焦状态下仍然可以很好的保持其编码的相位信息。利用以上性质，该方法对普通标定物进行了相位编码。该方法在使用过程中，首先使用结构光对标定物进行编码，使用对焦相机记录每一个标定物上特征点的相位信息。待标定的特殊成像范围相机根据拍摄到的离焦模糊结构光图像进行相位解码，进而得到标定物特征点的准确图像坐标。

本发明解决了常规标定方法无法标定具有特殊成像范围的相机的问题。利用特殊成像范围相机进行标定实验，标定后焦距长度与真实值最大偏差在0.5％以内，最大像素重投影误差为0.17像素。

附图说明

图1是本发明标定系统的结构示意图；

图2是本发明三步相移法横向结构光示意图；

图3是本发明三步相移法纵向结构光示意图。

图中1是标定物、2是对焦准确相机、3是投影仪、4是待标定特殊成像范围相机。

具体实施方法

本发明公开了一种基于正弦结构光编码标定物1的殊成像范围相机标定系统，包括由标定物1、投影仪3、对焦准确相机2和至少一个以上的待标定特殊成像范围相机4，图1是本发明标定系统的结构示意图，投影仪3正对标定物1。

一种基于正弦结构光编码标定物1的殊成像范围相机标定方法，以下通过具体实施例作进一步地说明，具体步骤如下：

1、投影仪3依次投影横向和纵向正弦结构光到标定物1，以三步相移法结构光为例，图2是本发明三步相移法横向结构光示意图；图3是本发明三步相移法纵向结构光示意图。

2、对焦准确相机2依次拍摄被横向结构光和纵向结构光编码后的标定物1，对标定物1上特征点的正弦结构光相位进行解码。以三步相移法为例，此步骤应得到标定物1的6张图片(3张横向结构光编码后的标定物1图片，3张纵向结构光编码后的标定物1图片)，解码过程如下：

标定物1编码后利用相移法进行解码。相移法即为利用多幅具有一定已知相位差的结构光图像，计算结构光的相位信息。假设正弦结构光共投影N次，则其相邻图片间结构光的相位差应为

用I_k表示第k幅结构光的光强分布，其表达式应为。

其中I′(x，y)为背景光强，I″(x，y)为结构光的调制光强，φ(x，y)为待求解的(x，y)点的相位。式中有I′、I″和φ三个未知数，至少需要三个方程。

将式(2)展开，得到

其中

a(x，y)＝I′(x，y)

b(x，y)＝I″(x，y)cos(φ(x，y)) (4)

c(x，y)＝-I″(x，y)sin(φ(x，y))

可以从式(3)的形式中看出其实际上是I_k(x，y)的傅里叶级数表示，

a(x，y)为直流分量的权重，b(x，y)和c(x，y)为一阶分量的权重。根据傅里叶级数的相关性质以及三角函数的正交性质，可得

由以上三式，可得

在三步相移法中，相位求解公式如(10)。

在实际的应用中，N的值一般为3或者4，即一般使用三步相移法或四步相移法已经可以满足大部分要求。

分别对3张横向结构光编码后的标定物1图片和3张纵向结构光编码后的标定物1图片利用公式(10)，可计算得出标定物1上特征点的横向相位和纵向相位。

3、编码后的标定物1一般会位于待标定特殊成像范围相机4的景深之外，因此待标定特殊成像范围相机4一般只能得到标定物1的离焦模糊图像，在该步骤中，待标定特殊成像范围相机4拍摄得到正弦结构光编码后标定物1的离焦模糊照片(3张横向结构光编码后的标定物1图片，3张纵向结构光编码后的标定物1图片)。

4、对离焦模糊照片进行解码，解码过程同步骤2。根据步骤2对焦准确相机2得到的标定物1上特征点的横向相位和纵向相位，对应得到离焦模糊照片中标定物1上特征点的准确图像坐标。

离焦模糊照片中标定物1上特征点的准确图像坐标计算过程举例如下。

设标定板上一点的世界坐标为M₀＝[X，Y，Z]^T，其经过离焦相机成像得到的像素坐标为m₀＝[x₀，y₀]^T，经过对焦相机成像得到m₁＝[x₁，y₁]^T。m₁的坐标可使用特征提取等手段获得，即m₁＝[x₁，y₁]^T为已知量，m₀＝[x₀，y₀]^T为待求未知量。

横向正弦结构光对标定物1进行纵向相位编码。设点M₀的纵向相位编码值为利用对焦准确相机2得到的清晰图像，解得m₁的纵向相位φ_v1。根据前文讨论，光学成像系统对正弦结构光相位无影响。令m₀的纵向相位为φ_v0，此时有

根据式(11)可得到φ_v0的值。下一步对特殊成像范围相机所得离焦模糊图像的每一个像素计算其纵向相位。在特殊成像范围相机所得模糊图像中，利用插值法确定纵向相位值为φ_v0水平相位为φ_h0的点，即为m₀的亚像素级别准确坐标。

5、改变待标定特殊成像范围相机4相对标定物1的位置，重复步骤3、4。次数在10至15次为宜。得到标定物1上特征点的10至15组准确图像坐标。

6、利用这标定物1上特征点的10至15组准确图像坐标，使用常规方法计算得出待标定特殊成像范围相机4的相机参数。

以上所述并非是对本发明的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统，其特征在于，所述的系统包括由标定物(1)、投影仪(3)、对焦准确相机(2)和至少一个以上的待标定特殊成像范围相机(4)，所述的投影仪(3)正对标定物(1)。

2.一种基于权利要求1所述的基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统的标定方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)、投影仪(3)依次投影横向和纵向正弦结构光到标定物(1)；

2)、对焦准确相机(2)依次拍摄被横向结构光和纵向结构光编码后的标定物(1)，对标定物(1)上特征点的正弦结构光利用相位法进行解码；

3)、编码后的标定物(1)会位于待标定特殊成像范围相机(4)的景深之外，因此待标定特殊成像范围相机(4)能得到标定物(1)的离焦模糊图像，因此待标定特殊成像范围相机(4)即离焦相机，待标定特殊成像范围相机(4)拍摄得到正弦结构光编码后标定物(1)的离焦模糊照片；

4)、对离焦模糊照片进行解码，解码过程同步骤2)，根据步骤2)对焦准确相机(2)得到的标定物(1)上特征点的横向相位和纵向相位，对应得到离焦模糊照片中标定物(1)上特征点的准确图像坐标；

5)、改变待标定特殊成像范围相机(4)相对标定物(1)的位置N次，重复步骤3)、4)。得到标定物(1)上特征点的N组准确图像坐标；

6)、利用这标定物(1)上特征点的N组准确图像坐标，使用常规方法计算得出待标定特殊成像范围相机(4)的相机参数。

3.根据权利要求2所述的基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统的标定方法，其特征在于，所述的步骤2)的具体步骤如下：相移法即为利用多幅具有一定已知相位差的结构光图像，计算结构光的相位信息，假设正弦结构光共投影N次，则其相邻图片间结构光的相位差应为

用I_k表示第k幅结构光的光强分布，其表达式应为。

其中I′(x，y)为背景光强，I′(x，y)为结构光的调制光强，φ(x，y)为待求解的(x，y)点的相位。式中有I′、I′和φ三个未知数，至少需要三个方程。

将式(2)展开，得到

其中

可以从式(3)的形式中看出其实际上是I_k(x，y)的傅里叶级数表示，a(x，y)为直流分量的权重，b(x，y)和c(x，y)为一阶分量的权重。根据傅里叶级数的相关性质以及三角函数的正交性质，可得

由以上三式，可得

4.根据权利要求3所述的基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统的标定方法，其特征在于，所述的N值为3或4，即使用三步相移法或四步相移法。

5.根据权利要求4所述的基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统的标定方法，其特征在于，当所述的N值为3时，相位求解公式如下(10)：

分别对3张横向结构光编码后的标定物(1)图片和3张纵向结构光编码后的标定物(1)图片利用公式(10)，可计算得出标定物(1)上特征点的横向相位和纵向相位。

6.根据权利要求2所述的基于相位编码的特殊成像范围相机标定系统的标定方法，其特征在于，所述的步骤5)、6)中的N为10至15次。