CN109425292B - 基于一维线结构光的三维测量系统标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置及方法，包括遮光板台，投影仪台，底座，遮光板和投影光接收板。可以将一维线结构光图案变为二维阵列图案。使用步骤包括：使用一维线结构光投影仪投射编制好的结构光，并调整好角度和位置以保证垂直关系；选择合适的位置固定遮光板；使用遮光板对投射光进行遮挡，使遮挡后的投影图案符合使用要求；获得举行阵列图案后介绍了后续的标定过程。该发明很好的降低了一维线结构光投影设备的标定难度，提高了标定效率。

Description

基于一维线结构光的三维测量系统标定装置及方法

技术领域

本发明属于光学三维测量领域，具体涉及一种基于一维线结构光的的三维测量系统标定装置。

背景技术

一维线结构光的三维测量系统具有测量精度高，测量速度快，信息量大等优点，在逆向工程，人脸识别，工业测量等领域具有广泛的应用。一般的测量过程包括：用投影设备向目标物体投射结构光编码图案，再用摄像机同步拍摄，通过解码建立三角测距模型，进而获得目标物体的三维坐标。

标定摄像机和投影设备各自的内部参数以及投影设备和摄像机之间的位置关系是结构光测量系统的首要步骤；目前结构光三维测量系统的传统标定技术一般先标定摄像机，随后使用投影设备投影出特殊的二维图案，提前获得投影图案的各特征点的二维像素坐标，通过已经获知的摄像机的标定参数计算获得投影图案各特征点的空间坐标，建立二维像素坐标和空间坐标的对应关系，再使用摄像机标定技术对投影设备进行标定。传统的摄像机标定方法主要包括两步法，张正友法等，这些方法也可以应用到投影设备的标定中。

张正友法：1998年由张正友提出，使用一张标定靶标，靶标上均匀分布N xN个正方形阵列，提取角点坐标(u，v)，设置空间坐标系，计算单应性矩阵，进而获得摄像机的内外部参数。应用张正友法标定投影设备时，将投影设备假想为逆向的摄像机，使用投影设备投影N x N均匀分布的矩形阵列，矩形阵列各角点的像素坐标(u’，v’)便已知，投影到靶标上后，通过摄像机的标定参数可以计算获得矩形阵列各角点的空间坐标(X’，Y’，Z’)，由此计算单应性矩阵，获得投影设备的内外部参数。张正友法不需要提前获知部分内部参数，操作简单，精度较好。

两步法：Tsai在1982年提出，使用一张标定靶标，靶标上均匀分布N x N个正方形阵列，提取正方形阵列的角点坐标(u，v)，设置空间坐标系，在已经获知部分焦距等内部参数的前提下，通过线性方法获得摄像机剩余内部参数，使用非线性方法求解摄像机的畸变因子。使用两步法标定投影设备时，处理方式与张正友法标定投影设备类似，将投影设备假想为逆向的摄像机，根据实际情况，给出投影设备的部分内部参数，使用投影设备投影N xN均匀分布的矩形阵列，矩形阵列各角点的像素坐标(u’，v’)便已知，投影到靶标上后，通过摄像机的标定参数可以计算获得矩形阵列各角点的空间坐标(X’，Y’，Z’)，随后使用标定摄像机时的方法对投影设备进行标定。此方法需要提前获知部分内部参数，效率不高。

以上方法发展较早，在相关领域的应用已非常普遍，达到了良好的效果，但必须使投影设备产生均匀分布的矩形阵列或棋盘格图案来作为标定图案。一维线结构光投影设备无法投影二维图案，只能投影一维线结构光，直接导致以上成熟的标定方法均不能够应用在具有此类投影设备的三维测量系统的标定中。

发明内容

为了能够采用成熟的标定方法标定具有一维线结构光投影设备的三维测量系统，本发明提供一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置及方法，使基于线光源的一维线结构光投影设备能够产生二维标定图案。

一维线结构光投影设备只能在一个方向(如Y轴)投影等高的线，这条线在在另一个方向(如X轴方向)快速移动，从而产生不同形式的投影图案，但这些图案在Y轴方向都只能是连续的直线，不能产生间断，因此不能产生二维图案，如类似矩形阵列或者棋盘格的图案。由于需要一种二维图案才能够完成标定，如果在标定时，使用特殊方法使一维线结构光的投影设备能够在Y轴方向产生间断，生成一个二维图案，如矩形阵列，就可以使用张正友标定法等方法完成标定，方便地对该测量系统进行标定。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特殊之处在于：包括遮光板，一维线结构光投影设备与遮光板的角度、位置均可调；

上述遮光板与一维线结构光投影设备中心光轴线垂直；

上述遮光板包括遮光区域与透光区域；

调整一维线结构光投影设备投影出N条条纹光至遮光板，出射光通过遮光板，获得二维图案，上述N为大于等于1的正整数。

使用一块遮光区域已知的极薄遮光板，将遮光板和投影仪放置于可以调整角度和位置的标定装置上，通过投影设备和极薄遮光板联合工作，遮光板对投影出的N条等宽条纹光的纵向结构进行遮挡，使其在纵轴产生合适的间断，从而产生适于标定使用的二维明暗图案，标定完成后开始使用时，再移除遮光板。

优选地，该标定装置还包括用于固定遮光板的遮光板台、用于固定一维线结构光投影设备的投影设备台及用于固定遮光板台与投影设备台的底座；

上述遮光板台能够沿底座平移；

底座上设置有与底座垂直的Y向转轴，上述投影设备台能够自转并同时能够绕Y向转轴转动。

优选地，上述底座上设有转向块，转向块上设置有与底座垂直的Y向转轴及与遮光板平行的Z向转轴，上述Y向转轴一端与转向块固连，另一端位于底座内且能够在底座内自由转动，Y向转轴转动带动投影设备台绕Y向转轴转动；所述Z向转轴穿过转向块，Z向转轴的两端与投影设备台固连，Z向转轴转动带动投影设备台实现自转。

优选地，该标定装置还包括设置于底座上表面延伸至一维线结构光投影设备台的第一标记线，上述第一标记线过底座表面中心且与遮光板所在平面垂直；还包括投影光接收板，用于接收投影光，上述投影光接收板与一维线结构光投影设备相对的表面有第二标记线，上述第二标记线过投影光接收板表面中心且与第一标记线的延伸线垂直相交。

优选的，上述遮光板为厚度小于0.2mm的有特定图形镂空的金属、陶瓷等其他材质的薄板，或分布有特定图形、且特定图形为不透光薄膜形成的透明玻璃板或透明有机复合板，如菲林片等。

优选地，为了操作计算方便，上述遮光板包括边框与M个遮光条，上述遮光条分布在边框内，且每个遮光条的两端分别与边框的两个相对边固连；遮光条的分布方向与一维线结构光投影设备的投影光线在遮光板所在平面内相互垂直，上述M为大于1的正整数。

优选地，为了更进一步的简化计算，上述遮光条均匀分布。

优选地，上述遮光板台上还设置有矩形框，所述遮光板粘接于矩形框内。

本发明还提供一种利用上述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置的标定方法，包括以下步骤：

步骤一、控制一维线结构光投影设备产生明暗相间的条纹光；

步骤二、调整一维线结构光投影设备的角度，使一维线结构光投影设备的中心光轴线沿着第一标记线出射；

步骤三、放置标定靶标；

步骤四、安装遮光板，调整遮光板的位置，确保投影图案的边界通过遮光板，一维线结构光投影设备的出射光经遮光板投影至标定靶标的平面上，获得二维图案；

步骤五、根据投影图案和遮光区域的尺寸，获得投影出的二维图案的各角点在投影图案中对应的二维像素坐标，及二维图案的各角点对应的三维空间坐标，建立二维像素坐标和空间坐标的对应关系；

步骤六、利用张正友法计算出一维线结构光投影设备内外部参数，完成整个系统的标定。

优选地，步骤一中首先将一维线结构光投影设备放置于投影设备台的中心位置，通过投影设备台控制一维线结构光投影设备沿一维方向产生明暗相间的条纹；将一维线结构光投影设备产生明暗相间的条纹投影至投影光接收板上；

步骤二中使得一维线结构光投影设备的中心光轴线最终打在投影光接收板的第二标记线上，用标定靶标代替投影光接收板；步骤四中将遮光板安装在遮光板台上。

本发明的有益效果是：

使不能够直接进行二维投影的线结构光投影设备，例如一维MEMS振镜，能够产生适用于传统标定方法的二维图案，如张正友法所使用的矩形阵列，极大地降低了该类设备的标定难度，提高标定效率。

附图说明

图1a为实施例标定装置主体结构示意图；

图1b为实施例投影设备台的三维剖视图；

图1c为实施例投影设备台的二维剖视图；

图2为实施例遮光板结构示意图；

图3为实施例投影光接收板与标定装置主体的位置关系图；

图4为线结构光三维测量系统工作原理；

图5为MEMS振镜投影原理；

图6为矩形阵列图案；

图7为MEMS振镜投影的结构光图案；

图8为矩形阵列的产生原理；

图9为实施例遮光板的遮光光路图。

图中附图标记为：1-遮光板台，11-矩形框，12-支柱，2-投影设备台，3-底座，31-凹槽，32-转向块，321-Y向转轴，322-Z向转轴，33-第一标记线，4-投影光接收板，41-第二标记线，5-遮光板，51-边框，52-遮光条，6-摄像机，7-投影设备，8-MEMS振镜，9-线光源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细阐述。

需要说明的是，本实施例中坐标系为世界坐标系，底座所在平面为XZ平面。

本实施例所要标定的一维线结构光三维测量系统由一个固定位置的摄像头和一个固定位置的MEMS振镜构成。工作原理如图4所示：以一点P为例，MEMS振镜随时间投影不同的线结构光图案到被测物体上，摄像机随时间依次拍摄被测物体，经过图像处理，可以建立一个由MEMS振镜发射的经过被测点P的光平面，和一个由摄像机发射的经过被测点P的射线，通过线面交点可以获得被测点P的空间三维坐标。

可投影一维线结构光的MEMS振镜，分辨率为1024个像素，工作原理如图5所示：将一束线光源打在可以以一定角度旋转振动的MEMS振镜上，通过MEMS振镜快速转动，光线条可以沿着X轴方向快速左右移动，控制线光源在光线移动到每个位置时的亮暗状态，就能使MEMS振镜投影出特定的线结构光图案，由于其工作原理，MEMS振镜产生的结构光图案在竖直方向不能产生间断。

标定该测量系统就是为了获得摄像机和MEMS振镜的性能参数和在世界坐标系下的空间位置关系，从而在世界坐标系下建立投影光平面方程和射线方程，通过联立计算获得P点的三维坐标。

从图1a及图2可以看出，本实施例标定装置主要由四部分构成，包括遮光板5、用于固定遮光板5的遮光板台1、用于固定投影设备的投影设备台2及用于固定遮光板台1和投影设备台2的底座3；底座3上表面开设有沿X方向与Z方向的凹槽31，遮光板台1底部设置有多根支柱12，支柱12位于凹槽31，能够带动遮光板台1沿凹槽31平移；底座3上设有转向块32，转向块32包括底部设置的与底座垂直的Y向转轴321及与底座平行的Z向转轴322，投影设备台2能够通过Z向转轴322自转并能够绕Y向转轴321转动，从图1b与图1c可以看出，转向块32上端为半圆柱状，Z向转轴322穿过半圆柱状中心，两端与投影设备台固连，Z向转轴322转动带动投影设备台2实现自转；转向块32下端为长方体，Y向转轴321一端固连在长方体底部，另一端设置于底座3内，且能够在底座3内自由转动，Y向转轴321转动带动投影设备台2绕Y向转轴321转动。

底座3的上表面设有一直延伸至投影设备台的第一标记线33，该第一标记线33与遮光板所在平面垂直，在标定时，用于保证投影设备与遮光板的垂直关系。遮光板台上还可以设置有矩形框11，遮光板5可粘接在矩形框内(在其他实施例中还可以通过如焊接等其他的连接方式固定)，固定时遮光板5下边缘与底面对齐，以保证垂直关系。

从图2可以看出，本实施例的遮光板5包括边框51及多条遮光条52，遮光条52在边框内以条纹状分布，本实施例中为均匀分布，在其他实施例中也可以是非均匀分布，在其他实施例中遮光条也可以任意分布构成已知图案，分为透光区域与遮光区域，透光区域宽3mm，长48mm，透光区域间隔为3mm，即遮光条52的宽度为3mm，在实际使用中可根据情况选择遮光板材料和尺寸，可选用极薄金属片，菲林片等遮光性好且有效遮光部分的厚度小于0.05mm的材料，保证其厚度不会改变投影图案的形状，本实施例中使用菲林片作为遮光板材料。投影设备投影出N条等宽条纹光至遮光板，出射光通过遮光板呈矩形阵列分布。

本实施例标定装置还包括投影光接收板4，投影光接收板4用于接收投影设备的投影光，其与投影设备相对的表面中线处设置有第二标记线41，第二标记线41与第一标记线33的延伸线垂直相交，用于保证投影设备中心光轴线与遮光板5的垂直关系，投影光接收板4与标定装置主体的位置关系如图3所示。

具体标定过程如下：

一、获得矩形阵列；

1)：将MEMS振镜放置于投影设备台的中心位置，控制MEMS振镜在横轴(YZ面内)产生4组明暗相间的等宽条纹，将其投影到投影光接收板上，图案如图7所示。调整投影设备台的角度，使MEMS振镜的出光口处于绕Y轴旋转的轴线处，并使出光口与底座上的第一标记线对齐，同时使投影图案的中心点N(图7)处于第二标记线上，如此便可保证投影设备中心光轴线可以沿着第一标记线出射，最终打在第二标记线上，与遮光板垂直，随后用标定靶标代替投影光接收板。

2)：将菲林片固定在遮光板台的矩形框内，投影设备由于菲林片的遮挡，出射光呈均匀分布的4x4长方形阵列，具体工作原理如图8所示，菲林片尺寸应足够长，确保投影图案的左右边界不会被遮挡；遮光板台的位置应以保证长方形阵列能够完整投射在标定靶标平面上，可以按实际情况做出调整，不会对最终结果产生影响，因为如图9所示，在确保菲林片垂直于MEMS振镜中心光轴线的前提下，由于相似三角形原理，遮光片的位置不会改变出射光的形状。至此便能够使投影图案成为一个类似图6的矩形阵列。

二、获得投影出的矩形阵列的各角点在投影图案中对应的像素坐标；

3)：获得矩形阵列后需要获知进行张正友法计算所需的两组数据：每个矩形的角点所对应的投影图案像素坐标(u’，v’)和其对应的空间三维坐标(X’,Y’,Z’)。

由于MEMS振镜在X轴的像素为1024，因此每个矩形单元的X轴像素长度为128个像素，记为u’。矩形单元的Y轴像素坐标长度可任意指定，便于计算即可，遂指定其长度为80个像素，记为v’，因为在实际测量中，结构光的Y轴坐标并不参与三维坐标的计算，计算过程中的关键参数是MEMS振镜中心光轴线ON(图8)的方向，也就是外部参数，中心光轴线ON(图8)永远处于Y轴的中间位置，不会随着Y轴像素数量的改变而改变，因此外部参数不会随着Y轴像素数量的改变而改变。至此便获得了64个矩形角点所对应的投影图案像素坐标。

三、利用张正友法实现标定；

将获得的矩形阵列图案投影在标定靶标上，摄像机拍摄照片，提取每个矩形角点的照片像素坐标，通过摄像机标定参数可以获得64个矩形角点的空间三维坐标(X’,Y’,Z’)，由此建立与投影图案像素坐标的对应关系，随后，就可以使用张正友所提出的计算方法，计算出MEMS振镜的内外部参数，完成整个系统的标定。

应说明的是，投影图案和菲林片图案不限于图7和图2所示，实施例中的投影条纹图案和遮光板图案是针对张正友标定法所设计的，在实际使用中，应根据所选取标定方法的不同，调整投影条纹图案和菲林片图案。

Claims (9)

1.一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：包括遮光板，一维线结构光投影设备与遮光板的角度、位置均可调；

所述遮光板与一维线结构光投影设备中心光轴线垂直；

所述遮光板包括边框与M个遮光条，所述遮光条分布在边框内，且每个遮光条的两端分别与边框的两个相对边固连；遮光条的分布方向与一维线结构光投影设备的投影光线在遮光板所在平面内相互垂直，所述M为大于1的正整数；

调整一维线结构光投影设备投影出N条条纹光至遮光板，出射光通过遮光板，获得二维图案，所述N为大于等于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：还包括用于固定遮光板的遮光板台、用于固定一维线结构光投影设备的投影设备台及用于固定遮光板台与投影设备台的底座；

所述遮光板台能够沿底座平移；

底座上设置有与底座垂直的Y向转轴，所述投影设备台能够自转并同时能够绕Y向转轴转动。

3.根据权利要求2所述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：所述底座上设有转向块，转向块上设置有与底座垂直的Y向转轴及与遮光板平行的Z向转轴，所述Y向转轴一端与转向块固连，另一端位于底座内且能够在底座内自由转动，Y向转轴转动带动投影设备台绕Y向转轴转动；所述Z向转轴穿过转向块，Z向转轴的两端与投影设备台固连，Z向转轴转动带动投影设备台实现自转。

4.根据权利要求3所述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：还包括设置于底座上表面延伸至一维线结构光投影设备台的第一标记线，所述第一标记线过底座表面中心且与遮光板所在平面垂直；还包括投影光接收板，用于接收投影光，所述投影光接收板与一维线结构光投影设备相对的表面有第二标记线，所述第二标记线过投影光接收板表面中心且与第一标记线的延伸线垂直相交。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：所述遮光板为厚度小于0.2mm的金属板、陶瓷板或其他材质的板。

6.根据权利要求5所述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：所述遮光条均匀分布。

7.根据权利要求6所述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置，其特征在于：所述遮光板台上还设置有矩形框，所述遮光板粘接于矩形框内。

8.一种利用权利要求4-7任一所述的一种基于一维线结构光的三维测量系统标定装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、控制一维线结构光投影设备产生明暗相间的条纹光；

步骤二、调整一维线结构光投影设备的角度，使一维线结构光投影设备的中心光轴线沿着第一标记线出射；

步骤三、放置标定靶标；

步骤四、安装遮光板，调整遮光板的位置，确保投影图案的边界通过遮光板，一维线结构光投影设备的出射光经遮光板投影至标定靶标的平面上，获得二维图案；

步骤五、根据投影图案和遮光区域的尺寸，获得投影出的二维图案的各角点在投影图案中对应的二维像素坐标，及二维图案的各角点对应的三维空间坐标，建立二维像素坐标和空间坐标的对应关系；

步骤六、利用张正友法计算出一维线结构光投影设备内外部参数，完成整个系统的标定。

9.根据权利要求8所述的基于一维线结构光的的三维测量系统标定装置的标定方法，其特征在于：

步骤一中首先将一维线结构光投影设备放置于投影设备台的中心位置，通过投影设备台控制一维线结构光投影设备沿一维方向产生明暗相间的条纹；将一维线结构光投影设备产生明暗相间的条纹投影至投影光接收板上；

步骤二中使得一维线结构光投影设备的中心光轴线最终打在投影光接收板的第二标记线上，用标定靶标代替投影光接收板；步骤四中将遮光板安装在遮光板台上。

Images