CN110207622B - 一种三维扫描仪标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维扫描仪标定方法及系统，其中，所述方法包括：为三维扫描仪外挂一第二影像接收装置；通过第一影像接收装置和第二影像接收装置同时拍摄平面标定板在不同位姿下的多帧影像，对第一影像接收装置和第二影像接收装置的内参数和外参数进行标定；通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，第一影像接收装置和第二影像接收装置同时拍摄白板在不同位姿下的多帧编码影像，对第一影像接收装置和所述影像投射装置的内参数和外参数进行标定。本发明借助于高分辨率的第二影像接收装置，采用高分辨率的第二影像接收装置和扫描仪中的第一影像接收装置进行配合拍摄，弥补了第一影像接收装置的分辨率问题，提高了扫描仪标定的精度。

Description

一种三维扫描仪标定方法及系统

技术领域

本发明涉及相机标定技术领域，更具体地，涉及一种三维扫描仪标定方法及系统。

背景技术

在图像测量过程以及机器视觉应用中，为确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定(或摄像机标定)。

三维扫描仪包括一影像接收装置和一影像投射装置，比如，包括一相机和投影仪，三维扫描仪的标定即为求解影像接收装置和影像投射装置的内参数和外参数。传统对三维扫描仪的标定方法为，使用棋盘格标定板，影像投射装置向棋盘格标定板投射横向格雷码和纵向格雷码，影像接收装置对棋盘格标定板在不同位姿下拍摄多帧影像。对每一帧影像中的每一个像素进行解码，得到其在影像投射装置底片上的二维像素坐标，然后通过对每一个像素在棋盘格标定板上的三维坐标进行插值得到每一个点在世界坐标系中的坐标。根据每一个像素在影像投射装置底片上的二维像素坐标和在世界坐标系中的坐标，三维扫描仪中的影像接收装置和影像投射装置的内参数和参数进行标定。

采用上述标定方法由于使用棋盘格标定板投射格雷码，棋盘格标定板上具有棋盘格背景，扫描仪中的影像接收装置在拍摄棋盘格标定板的影像时，其精度容易受到光线的影响；使用棋盘格标定板，标定板的材质也会对标定的精度有很大的影响。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的三维扫描仪标定方法及系统，克服了人为标定的不精确性。

根据本发明的一个方面，提供了一种三维扫描仪标定方法，所述三维扫描仪包括一第一影像接收装置和一影像投射装置，包括：

S1，为所述三维扫描仪外挂一第二影像接收装置，所述第二影像接收装置的分辨率高于所述第一影像接收装置的分辨率；

S2，通过所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄平面标定板在不同位姿下的多帧影像，基于平板标定方式对所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数进行标定；

S3，通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄所述白板在不同位姿下的多帧编码影像，基于所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，对所述第一影像接收装置和所述影像投射装置的内参数和外参数进行标定。

本发明的有益效果为：借助于外挂的第二影像接收装置，其中，第二影像接收装置的分辨率要高于第一影像接收装置的分辨率，采用高分辨率的第二影像接收装置和扫描仪中的第一影像接收装置进行配合拍摄，弥补了第一影像接收装置的分辨率问题，提高了扫描仪标定的精度；先通过棋盘格标定板对第一影像接收装置和第二影像接收装置进行标定，然后采用白板对第一影像接收装置和影像投射装置进行标定，即在对第一影像接收装置和影像投射装置进行标定时，采用白板，由于白板无背景，因此，第一影像接收装置和第二影像接收装置在拍摄的过程中，不易受到光线的影响，而且由高分辨率的第二影像接收装置和第一影像接收装置同时拍摄，相比现有技术的只采用第一影像接收装置进行拍摄，拍摄得到的影像的精度会更高，从而最终对扫描仪的标定结果也会更精确；影像投射装置向白板上投射单帧编码结构光，标定精度不受白板材质的影响。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述平面标定板上设有标定图案。

进一步的，所述平面标定板和所述白板固定于所述机械臂上，通过控制机械臂的运动使得所述平面标定板或所述白板按照间隔固定距离匀速移动。

进一步的，所述步骤S2中通过所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄平面标定板在不同位姿下的多帧影像具体包括：

针对所述平面标定板的每一个位姿，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄该位姿下的平面标定板的一帧影像；

对于多个位姿下的平面标定板，所述第一影像接收装置拍摄的平面标定板的多帧影像组成第一影像序列，所述第二影像接收装置拍摄的平面标定板的多帧影像组成第二影像序列；

其中，所述第一影像序列中多帧第一影像和所述第二影像序列中的多帧第二影像对应组成多帧影像对，每一帧所述影像对包括第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的平面标定板在相同位姿下的第一影像和第二影像。

进一步的，所述步骤S2中基于平板标定方式对所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数进行标定具体包括：

对于每一帧所述影像对，提取所述影像对中的同名控制点对，其中，所述同名控制点对包括所述影像对中第一影像中的第一控制点和第二影像中的第二控制点；

获取每一个所述同名控制点对中的第一控制点在第一影像中的像素坐标、第二控制点在第二影像中的像素坐标和所述同名控制点对在世界坐标系中的三维坐标，形成所述同名控制点对的坐标组；

遍历每一帧影像对中的每一个同名控制点对，得到所述第一影像序列和所述第二影像序列中所有同名控制点对对应的坐标组；

根据所述所有同名控制点对对应的坐标组，计算出所述第一影像接收装置的内参数K1、所述第二影像接收装置的内参数K2以及所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的外参数[R T]，其中，所述R和T分别为所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置之间的旋转矩阵和平移向量。

进一步的，所述步骤S3中通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄所述白板在不同位姿下的多帧影像具体包括：

通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，针对所述白板的每一个位姿，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置拍摄该位姿下的白板的一帧编码影像；

对于多个不同位姿下的白板，所述第一影像接收装置拍摄的所述白板的多帧编码影像组成第一编码影像序列，所述第二影像接收装置拍摄的所述白板的多帧编码影像组成第二编码影像序列；

其中，所述第一编码影像序列中多帧第一编码影像和所述第二编码影像序列中的多帧第二编码影像对应组成多帧编码影像对，每一帧所述编码影像对包括第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的白板在相同位姿下的第一编码影像和第二编码影像。

进一步的，所述步骤S3中所述基于所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，对所述第一影像接收装置和所述影像投射装置的内参数和外参数进行标定具体包括：

对于每一帧所述编码影像对，提取所述编码影像对中的多个同名码元对，组成同名码元对集合，其中，每一个所述同名码元对包括所述编码影像对中第一编码影像中的第一码元和第二影像中的第二码元；

基于已标定的所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，使用三角测量方法得到所述同名码元对集合中的每一个同名码元对在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标；

计算每一个所述同名码元对在影像投射装置底片上的像素坐标；

根据每一个同名码元对在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标和每一个所述同名码元对在影像投射装置底片上的像素坐标，利用直接线性变换DLT算法和光束平差法，计算得到影像投射装置的内参数以及第一影像接收装置和影像投射装置之间的外参数。

进一步的，所述对于每一个所述编码影像对，获取所述编码影像对中的多个同名码元对，组成同名码元对集合具体包括：

通过解码得到每一帧所述编码影像对中的第一编码影像中的每一个码元在影像投射装置像平面中的行列绝对位置和每一个码元在所述第一编码影像中的像素位置以及解码得到第二编码影像中的每一个码元影像投射装置像平面中的行列绝对位置和每一个码元在所述第二编码影像中的像素位置；

基于同名码元在影像投射装置像平面中的行列绝对位置相同，提取每一帧所述编码影像对中的同名码元对，组成同名码元对集合；

其中，所述同名码元对集合中包括每一个同名码元对在影像投射装置像平面中的行列绝对位置、第一码元在第一编码影像中的像素位置和第二码元在第二编码影像中的像素位置。

进一步的，通过优化如下能量函数的方式，计算得到影像投射装置的内参数以及第一影像接收装置和影像投射装置之间的相对位姿：

I(K projector,R projector,T projector,X ik)＝K projector[R projector|T projector]X ik；

其中，E为能量函数，I ik是第i帧编码影像对的第k个同名码元在影像投射装置底片的像素坐标，K projector是影像投射装置的内参矩阵，R projector，T projector分别是影像投射装置和第一影像接收装置之间的旋转矩阵和平移向量，用以表征第一影像接收装置和影像投射装置之间的相对位姿，X ik是第i帧编码影像对的第k个同名码元在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标。

根据本发明的第二方面，提供了一种三维扫描仪标定系统，包括三维扫描仪、第二影像接收装置和计算处理模块，所述三维扫描仪包括第一影像接收装置和影像投射装置，所述第二影像接收装置的分辨率高于所述第一影像接收装置的分辨率；

所述影像投射装置，用于向白板投射单帧编码结构光；

所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置，用于同时拍摄平面标定板在不同位姿下多帧影像；还用于同时拍摄所述白板在不同位姿下的多帧编码影像；

所述计算处理模块，用于根据所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置拍摄的平面标定板在不同位姿下多帧影像，基于平板标定方式对所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数进行标定；还用于根据所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置拍摄的白板在不同位姿下的多帧编码影像，基于所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，对所述第一影像接收装置和所述影像投射装置的内参数和外参数进行标定。

附图说明

图1为本发明一个实施例的三维扫描仪标定方法流程图；

图2为本发明一个实施例的三维扫描仪标标定装置连接框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，提供了一种三维扫描仪标定方法，其中，三维扫描仪包括第一影像接收装置和影像投射装置，该三维扫描仪标定方法包括：S1，为三维扫描仪外挂一第二影像接收装置，其中，第二影像接收装置的分辨率高于第一影像接收装置的分辨率；S2，通过第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄平面标定板在不同位姿下的多帧影像，基于平板标定方式对所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数进行标定；S3，通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄所述白板在不同位姿下的多帧编码影像，基于所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，对所述第一影像接收装置和所述影像投射装置的内参数和外参数进行标定。

具体的，三维扫描仪包括一第一影像接收装置和影像投射装置，通常第一影像接收装置为相机，影像投射装置为投影仪，对三维扫描仪的标定即为对第一影像接收装置和影像投射装置进行标定，即求取第一影像接收装置的内参数、影像投射装置的内参数以及第一影像接收装置和影像投射装置之间的内参数。

本发明实施例提供的三维扫描仪的标定方法为，借助于外挂的高分辨率的第二影像接收装置，其中，第二影像接收装置通常为相机，通常外挂的第二影像接收装置的分辨率为三维扫描仪本身的第一影像接收装置的分辨率的5～10倍。首先通过平面标定板的标定方式对三维扫描仪的第一影像接收装置和外挂的第二影像接收装置进行标定，即得到第一影像接收装置和第二影像接收装置之间的内参数和外参数。对第一影像接收装置和第二影像接收装置标定后，通过影像投射装置向白板上投射单帧编码结构光，第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄白板在不同位姿下的多帧编码影像，基于已经标定的第一影像接收装置和第二影像接收装置的内外参数，对影像投射装置的内参数以及第一影像接收装置和影像投射装置之间的外参数进行标定。

本发明实施例借助于外挂的高分辨率的第二影像接收装置和扫描仪中的第一影像接收装置进行配合拍摄，弥补了第一影像接收装置的分辨率问题，拍摄的影像的清晰度和精度更高，最终提高了扫描仪标定的精度；先通过平面标定板对第一影像接收装置和第二影像接收装置进行标定，然后采用白板对第一影像接收装置和影像投射装置进行标定，即在对第一影像接收装置和影像投射装置进行标定时，采用白板，由于白板无背景，因此，第一影像接收装置和第二影像接收装置在拍摄的过程中，不易受到光线的影响，而且由高分辨率的第二影像接收装置和第一影像接收装置同时拍摄，相比现有技术的只采用第一影像接收装置进行拍摄，拍摄得到的影像的精度会更高，从而最终对扫描仪的标定结果也会更精确；相比于现有技术中影像投射装置向棋盘格标定板投射格雷码，本实施例影像投射装置向白板上投射单帧编码结构光，标定精度不受白板材质的影响。

其中，在本发明的一个实施例中，平面标定板上设有标定图案，标定图案可以为多种图案，通常采用棋盘格阵列、圆形标记点阵列或三角格网阵列作为平面标定板的标定图案。平面标定板和白板固定于机械臂上，通过控制机械臂的运动使得平面标定板或白板按照间隔固定距离匀速移动。

具体的，在对三维扫描仪自带的第一影像接收装置和外挂的第二影像接收装置进行标定的过程中，平面标定板上设有标定图案，比如棋盘格阵列、圆形标记点阵列或三角格网阵列，棋盘格阵列中的每一个棋盘格、圆形标记点阵列中的每一个圆形标记点或三角格网阵列中的每一个三角格网均标记有编号，可以理解为每一个棋盘格或者每一个圆形标记点或每一个三角格网为一个控制点。在第一影像接收装置和第二影像接收装置对不同位姿下的平面标定板进行拍摄过程中，将平面标定板固定于机械臂上，通过控制机械臂按照固定间隔距离匀速移动，进而使得固定在其上的平面标定板也按照固定间隔距离匀速移动，那么第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的平面标定板的影像在空间上为均匀分布，现有方式是基于人工将平面标定板或白板摆放在不同位置，通过人工摆放的位置无法保证这些位置是能够精确对相机进行标定的位置，而且通过人工摆放位置的方式也称无法保证平面标定板和白板在空间上均匀移动，采用机械臂能够自动地控制平面标定板和白板均匀移动，对第一影像接收装置和第二影像接收装置的标定的精确性更高。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S2中通过第一影像接收装置和第二影像接收装置同时拍摄平面标定板在不同位姿下的多帧影像具体包括：针对平面标定板的每一个位姿，第一影像接收装置和第二影像接收装置同时拍摄该位姿下的平面标定板的一帧影像；对于多个位姿下的平面标定板，第一影像接收装置拍摄的平面标定板的多帧影像组成第一影像序列，第二影像接收装置拍摄的平面标定板的多帧影像组成第二影像序列；其中，第一影像序列中多帧第一影像和第二影像序列中的多帧第二影像对应组成多帧影像对，每一帧影像对包括第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的平面标定板在相同位姿下的第一影像和第二影像。

具体的，在第一影像接收装置和第二影像接收装置同时拍摄平面标定板在不同位姿下的多帧影像时，机械臂每调整一次平面标定板的位姿时，第一影像接收装置和第二影像接收装置便同时拍摄一次平面标定板的一帧影像。对于平面标定板的不同位姿，第一影像接收装置拍摄平面标定板的多帧影像，一帧影像对应平面标定板的一个位姿，第一影像接收装置拍摄平面标定板的多帧影像组成第一影像序列P1；同理，对于平面标定板的不同位姿，第二影像接收装置拍摄平面标定板的多帧影像，一帧影像对应平面标定板的一个位姿，第二影像接收装置拍摄平面标定板的多帧影像组成第一影像序列P2。

其中，第一影像序列中的多帧第一影像和第二影像序列中的多帧第二影像对应组成多帧影像对，每一帧影像对包括第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的平面标定板在相同位姿下的第一影像和第二影像。

在本发明的另一个实施例中，所述步骤S2中基于平板标定方式对第一影像接收装置和第二影像接收装置的内参数和外参数进行标定具体包括：对于每一帧影像对，获取影像对中的同名控制点对，其中，同名控制点对包括影像对中第一影像中的第一控制点和第二影像中的第二控制点；获取每一个同名控制点对中的第一控制点在第一影像中的像素坐标、第二控制点在第二影像中的像素坐标和同名控制点对在世界坐标系中的三维坐标，形成同名控制点对的坐标组；遍历每一帧影像对中的每一个同名控制点对，得到第一影像序列和第二影像序列中所有同名控制点对对应的坐标组；根据所有同名控制点对对应的坐标组，计算出第一影像接收装置的内参数K1、第二影像接收装置的内参数K2以及第一影像接收装置和第二影像接收装置的外参数[R T]，其中，R和T分别为第一影像接收装置和第二影像接收装置之间的旋转矩阵和平移向量。

具体的，对第一影像接收装置和第二影像接收装置进行标定的具体过程为，对于第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的平面标定板在不同位姿下的多帧影像对，提取每一帧影像对中的同名控制点对。同名控制点对包括影像对中第一影像中的第一控制点和第二影像中的第二控制点，其中，第一控制点和第二控制点为平面标定板上的同一个标定图案，比如，同一个棋盘格或者同一个圆形标记点或者同一个三角网格。

需要说明的是，以平面标定板上的标定图案为棋盘格阵列或圆形标记点阵列或三角格网阵列为例，平面标定板上的棋盘格阵列中的每一个棋盘格或者圆形标记点阵列中的每一个圆形标记点或者三角格网阵列中的每一个三角格网均有编号，每一个棋盘格或圆形标记点或三角格网为一个控制点。因此，在提取影像对中的第一影像和第二影像中的同名控制点时，可根据第一影像和第二影像中的棋盘格或圆形标记点或三角格网的编号来提取同名控制点，即第一影像和第二影像中编号相同的棋盘格或者编号相同的圆形标记点或者编号相同的三角格网为第一影像和第二影像的同名控制点。

提取了每一帧影像对中的多个同名控制点对，获取每一个同名控制点对中的第一控制点在第一影像中的像素坐标(x i,y i)、第二控制点在第二影像中的像素坐标(x′i,y′i)和该同名控制点对在世界坐标系中的三维坐标(X i,Y i,Z i)，其中，根据同名控制点对在棋盘格阵列或者圆形标记点阵列中的编号以及棋盘格阵列或者圆形标记点阵列的单位长度，即可得到该同名控制点对在世界坐标系中的三维坐标。这三个坐标组成同名控制点的坐标组(x i,y i,x′i,y′i,X i,Y i,Z i)(i＝0,1,...N)，其中，N表第一影像序列和第二影像序列中提取的同名控制点的总数。

根据第一影像序列P1和第二影像序列P2中所有同名控制点的坐标组，计算出第一影像接收装置的内参数K1、第二影像接收装置的内参数K2以及第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的外参数[RT]，其中，R和T分别为第一影像接收装置和所述第二影像接收装置之间的旋转矩阵和平移向量。

需要说明的是，对第一影像接收装置和第二影像接收装置的内参数和外参数进行标定的具体算法采用现有的成熟算法，有关第一影像接收装置和第二影像接收装置标定的具体算法可以参见【A Flexible New Technique fro Camera Calibration】这篇文献。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S3中通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄所述白板在不同位姿下的多帧影像具体包括：通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，针对所述白板的每一个位姿，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置拍摄该位姿下的白板的一帧编码影像；对于多个不同位姿下的白板，所述第一影像接收装置拍摄的所述白板的多帧编码影像组成第一编码影像序列，所述第二影像接收装置拍摄的所述白板的多帧编码影像组成第二编码影像序列；其中，所述第一编码影像序列中多帧第一编码影像和所述第二编码影像序列中的多帧第二编码影像对应组成多帧编码影像对，每一帧所述编码影像对包括第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的平面标定板在相同位姿下的第一编码影像和第二编码影像。

具体的，在对三维扫描仪中的第一影像接收装置和影像投射装置进行标定时，可通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，通过机械臂控制白板等间距匀速移动，第一影像接收装置和第二影像接收装置同时拍摄白板在不同位姿时的多帧编码影像。第一影像接收装置拍摄的不同位姿下的白板的多帧编码影像组成第一编码影像序列，同理，第二影像接收装置拍摄的白板在不同位姿下的多帧编码影像组成第二编码影像序列。

其中，第一编码影像序列中多帧第一编码影像和第二编码影像序列中的多帧第二编码影像对应组成多帧编码影像对，每一帧编码影像对包括第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的白板在相同位姿下的第一编码影像和第二编码影像。

在本发明的另一个实施例中，所述步骤S3中基于第一影像接收装置和第二影像接收装置的内参数和外参数，对第一影像接收装置和影像投射装置的内参数和外参数进行标定具体包括：对于每一帧编码影像对，提取编码影像对中的多个同名码元对，组成同名码元对集合，其中，每一个同名码元对包括编码影像对中第一编码影像中的第一码元和第二影像中的第二码元；基于已标定的第一影像接收装置和第二影像接收装置的内参数和外参数，使用三角测量方法得到同名码元对集合中的每一个同名码元对在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标；计算每一个同名码元对在影像投射装置底片上的像素坐标；根据每一个同名码元对在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标和每一个同名码元对在影像投射装置底片上的像素坐标，利用直接线性变换DLT(Direct Linear Transformation)解法和光束平差法计算得到影像投射装置的内参数以及第一影像接收装置和影像投射装置之间的外参数。其中，直接线性变换DLT(Direct Linear Transformation)解法和光束平差法对影像投射装置和第一影像接收装置标定可参见【Multiple View Geometry inComputerVision】这篇文献，其中，直接线性变换DLT解法请参考该文献中第88-93页，光束平差法请参考该文献中第434-436页。

在本发明的一个实施例中，对于每一帧编码影像对，提取编码影像对中的多个同名码元对，组成同名码元对集合具体包括：通过解码得到每一帧编码影像对中的第一编码影像中的每一个码元在影像投射装置像平面中的行列绝对位置和每一个码元在第一编码影像中的像素位置以及解码得到第二编码影像中的每一个码元影像投射装置像平面中的行列绝对位置和每一个码元在所述第二编码影像中的像素位置；基于同名码元在影像投射装置像平面中的行列绝对位置相同，提取每一帧编码影像对中的同名码元对，组成同名码元对集合；其中，同名码元对集合中包括每一个同名码元对在影像投射装置像平面中的行列绝对位置、第一码元在第一编码影像中的像素位置和第二码元在第二编码影像中的像素位置。

在本发明的一个实施例中，对三维扫描仪中的第一影像接收装置和影像投射装置标定的具体过程为，对第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的不同位姿下的白板的第一影像编码序列和第二编码影像序列，对于其中的每一帧编码影像，通过解码可以得到每一帧编码影像中的每一个码元在影像投射装置像平面中的行列绝对位置。

以其中的一帧编码影像对为例，对于编码影像对中的第一编码影像，通过解码得到该第一编码影像中的每一个码元m i在影像投射装置像平面中的行列绝对位置其中，为第一编码影像中的第i个码元在影像投射装置像平面中的行列绝对位置，为第一编码影像中的第i个码元在影像投射装置像平面中的行绝对位置，为第一编码影像中的第i个码元在影像投射装置像平面中的列绝对位置，m为第一编码影像中的码元个数，以及获取到第一编码影像中的每一个码元m i在第一编码影像中的像素位置其中，为第一编码影像中的第i个码元在第一编码影像中的像素位置，为第一编码影像中的第i个码元在第一编码影像中的像素x坐标，第一编码影像中的第i个码元在第一编码影像中的像素y坐标。

同理，对于编码影像对中的第二编码影像，通过解码得到该第二编码影像中的每一个码元m j在影像投射装置像平面中的行列绝对位置其中，为第二编码影像中的第j个码元在影像投射装置像平面中的行列绝对位置，为第二编码影像中的第j个码元在影像投射装置像平面中的行绝对位置，为第二编码影像中的第j个码元在影像投射装置像平面中的列绝对位置，n为第二编码影像中的码元个数，以及获取到第二编码影像中的每一个码元mj在第二编码影像中的像素位置其中，为第二编码影像中的第j个码元在第二编码影像中的像素位置，为第二编码影像中的第j个码元在第二编码影像中的像素x坐标，第二编码影像中的第j个码元在第二编码影像中的像素y坐标。

获取到每一编码影像对中第一编码影像中的每一个码元在影像投射装置像平面的行列绝对位置和第二编码影像中的每一个码元在影像投射装置像平面的行列绝对位置后，基于同名码元在影像投射装置像平面的行列绝对位置相同，即若为同名码元，则可以提取出第一编码影像和第二编码影像中的同名码元对，该同名码元对包括第一编码影像中的第一码元和第二编码影像中的第二码元，得到每一帧编码影像对中的同名码元对集合其中C k是同名码元对在影像投射装置像平面的行列绝对位置，是第k个同名码元在第一编码影像中的像素坐标，是第k个同名码元在第二编码影像中的像素坐标，当前帧的编码影像总共有p个同名码元。遍历每一帧编码影像对，提取每一帧编码影像对中的同名码元对集合，即可得到第一编码影像序列和第二编码影像序列的所有同名码元对集合。

基于前述已经标定的第一影像接收装置和第二影像接收装置的内参数K1、K2和外参数[R T]，以及提取的第一编码影像序列和第二编码影像序列的所有同名码元对集合，使用三角测量方法得到每一个同名码元对在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标X k，X k为第k个同名码元对在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标。其中，三角测量方法可以参见【Multiple View Geometry in Computer Vision】这篇文献的第312-320页，在此不再赘述。

由上面已知同名码元对的行列位置C k，又已知影像投射装置底片行列的单位长度是lx,ly可得到同名码元对在影像投射装置底片上x方向和y方向的像素坐标：

其中，为第k个同名码元对在影像投射装置底片上的像素坐标，为第k个同名码元对在影像投射装置底片上x方向的像素坐标，为第k个同名码元对在影像投射装置底片上y方向的像素坐标，k为同名码元对的个数。

进而将每一个同名码元对在影像投射装置底片上的像素坐标和影像投射装置底片上的三维坐标对应：

其中，为第k个同名码元对在影像投射装置底片上的像素坐标，X k为第k个同名码元对在影像投射装置底片上的三维坐标。

通过优化如下能量函数的方式，计算得到影像投射装置的内参数以及第一影像接收装置和影像投射装置之间的相对位姿：

I(T projector,T projector,T projector,X ik)＝K projector[R projector|T projector]X ik；

其中，E为能量函数，I ik是第i帧编码影像对的第k个同名码元在影像投射装置底片的像素坐标，K projector是影像投射装置的内参矩阵，R projector，T projector分别是影像投射装置和第一影像接收装置之间的旋转矩阵和平移向量，用以表征第一影像接收装置和影像投射装置之间的相对位姿，X ik是第i帧编码影像对的第k个同名码元在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标。

根据上述公式求解一组参数，即影像投射装置的内参数K projector，及第一影像接收装置与影像投射装置之间的外参关系R projector，T projector，使得能量函数E尽量小。

参见图2，提供了一种三维扫描仪标定系统，包括三维扫描仪、第二影像接收装置和计算处理模块，所述三维扫描仪包括第一影像接收装置和影像投射装置。

所述影像投射装置，用于向白板投射单帧编码结构光。

所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置，用于同时拍摄平面标定板在不同位姿下多帧影像；还用于同时拍摄所述白板在不同位姿下的多帧编码影像。

所述计算处理模块，用于根据所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置拍摄的平面标定板在不同位姿下多帧影像，基于平板标定方式对所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数进行标定；还用于根据所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置拍摄的白板在不同位姿下的多帧编码影像，基于所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，对所述第一影像接收装置和所述影像投射装置的内参数和外参数进行标定。

其中，该三维扫描仪标定系统还包括机械臂，用于固定平面标定板和白板，并控制平面标定板和白色按照固定间隔距离匀速移动。

本发明实施例提供的一种三维扫描仪标定系统与前述实施例提供的一种三维扫描仪标定方法相对应，采用该三维扫描仪标定系统对三维扫描仪进行标定的技术特征可参照前述实施例提供的三维扫描仪标定方法中对三维扫描仪进行标定的技术特征，在此不再赘述。

本发明提供的一种三维扫描仪标定方法及系统，借助于外挂的高分辨率的第二影像接收装置和扫描仪中的第一影像接收装置进行配合拍摄，弥补了第一影像接收装置的分辨率问题，拍摄的影像的清晰度和精度更高，最终提高了扫描仪标定的精度；先通过平面标定板对第一影像接收装置和第二影像接收装置进行标定，然后采用白板对第一影像接收装置和影像投射装置进行标定，即在对第一影像接收装置和影像投射装置进行标定时，采用白板，由于白板无背景，因此，第一影像接收装置和第二影像接收装置在拍摄的过程中，不易受到光线的影响，而且由高分辨率的第二影像接收装置和第一影像接收装置同时拍摄，相比现有技术的只采用第一影像接收装置进行拍摄，拍摄得到的影像的精度会更高，从而最终对扫描仪的标定结果也会更精确；相比于现有技术中影像投射装置向棋盘格标定板投射格雷码，本实施例影像投射装置向白板上投射单帧编码结构光，标定精度不受白板材质的影响，为扫描仪的视觉跟踪和三维重建提供基础参数；在通过第一影像接收装置和第二影像接收装置对平面标定板以及白板在不同位姿下的拍摄，是通过机械臂控制平面标定板和白板均匀移动，可实现标定控制点在像平面上均匀分布，且在空间纵深上分布均匀，这一点对标定精度的控制非常重要，可大大的增加标定的精确性。

另外，本发明实施例通过全自动化完成三维扫描仪的标定，相比现有的人工标定，避免人工的交互，减少人为主观干扰，人工采集的主观性较强，标定板摆放过于主观，无法对每次标定精度进行有效控制，大大提升标定的成功率，稳定性和精度，同时也减少人工成本，在生产线的大规模生产模式下，人工的采集标定无法满足大规模生产的效率要求。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三维扫描仪标定方法，所述三维扫描仪包括第一影像接收装置和影像投射装置，其特征在于，包括：

S1，为所述三维扫描仪外挂一第二影像接收装置，所述第二影像接收装置的分辨率高于所述第一影像接收装置的分辨率；

S2，通过所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄平面标定板在不同位姿下的多帧影像，基于平板标定方式对所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数进行标定；

S3，通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄所述白板在不同位姿下的多帧编码影像，基于所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，对所述第一影像接收装置和所述影像投射装置的内参数和外参数进行标定；

所述步骤S3中通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄所述白板在不同位姿下的多帧影像具体包括：

通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，针对所述白板的每一个位姿，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置拍摄该位姿下的白板的一帧编码影像；

对于多个不同位姿下的白板，所述第一影像接收装置拍摄的所述白板的多帧编码影像组成第一编码影像序列，所述第二影像接收装置拍摄的所述白板的多帧编码影像组成第二编码影像序列；

其中，所述第一编码影像序列中多帧第一编码影像和所述第二编码影像序列中的多帧第二编码影像对应组成多帧编码影像对，每一帧所述编码影像对包括第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的白板在相同位姿下的第一编码影像和第二编码影像；

所述步骤S3中所述基于所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，对所述第一影像接收装置和所述影像投射装置的内参数和外参数进行标定具体包括：

对于每一帧所述编码影像对，提取所述编码影像对中的多个同名码元对，组成同名码元对集合，其中，每一个所述同名码元对包括所述编码影像对中第一编码影像中的第一码元和第二影像中的第二码元；

基于已标定的所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，使用三角测量方法得到所述同名码元对集合中的每一个同名码元对在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标；

计算每一个所述同名码元对在影像投射装置底片上的像素坐标；

根据每一个同名码元对在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标和每一个所述同名码元对在影像投射装置底片上的像素坐标，利用直接线性变换DLT算法和光束平差法，计算得到影像投射装置的内参数以及第一影像接收装置和影像投射装置之间的外参数。

2.根据权利要求1所述的三维扫描仪标定方法，其特征在于，所述平面标定板上设有标定图案。

3.根据权利要求1所述的三维扫描仪标定方法，其特征在于，所述平面标定板和所述白板固定于机械臂上，通过控制机械臂的运动使得所述平面标定板或所述白板按照间隔固定距离匀速移动。

4.根据权利要求1或3所述的三维扫描仪标定方法，其特征在于，所述步骤S2中通过所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄平面标定板在不同位姿下的多帧影像具体包括：

针对所述平面标定板的每一个位姿，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置同时拍摄该位姿下的平面标定板的一帧影像；

对于多个位姿下的平面标定板，所述第一影像接收装置拍摄的平面标定板的多帧影像组成第一影像序列，所述第二影像接收装置拍摄的平面标定板的多帧影像组成第二影像序列；

其中，所述第一影像序列中多帧第一影像和所述第二影像序列中的多帧第二影像对应组成多帧影像对，每一帧所述影像对包括第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的平面标定板在相同位姿下的第一影像和第二影像。

5.根据权利要求4所述的三维扫描仪标定方法，其特征在于，所述步骤S2中基于平板标定方式对所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数进行标定具体包括：

对于每一帧所述影像对，提取所述影像对中的同名控制点对，其中，所述同名控制点对包括所述影像对中第一影像中的第一控制点和第二影像中的第二控制点；

获取每一个所述同名控制点对中的第一控制点在第一影像中的像素坐标、第二控制点在第二影像中的像素坐标和所述同名控制点对在世界坐标系中的三维坐标，形成所述同名控制点对的坐标组；

遍历每一帧所述影像对中的每一个同名控制点对，得到所述第一影像序列和所述第二影像序列中所有同名控制点对对应的坐标组；

根据所述所有同名控制点对对应的坐标组，计算出所述第一影像接收装置的内参数K1、所述第二影像接收装置的内参数K2以及所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的外参数[R T]，其中，所述R和T分别为所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置之间的旋转矩阵和平移向量。

6.根据权利要求1所述的三维扫描仪标定方法，其特征在于，所述对于每一个所述编码影像对，获取所述编码影像对中的多个同名码元对，组成同名码元对集合具体包括：

通过解码得到每一帧所述编码影像对中的第一编码影像中的每一个码元在影像投射装置像平面中的行列绝对位置和每一个码元在所述第一编码影像中的像素位置以及解码得到第二编码影像中的每一个码元影像投射装置像平面中的行列绝对位置和每一个码元在所述第二编码影像中的像素位置；

基于同名码元在影像投射装置像平面中的行列绝对位置相同，提取每一帧所述编码影像对中的同名码元对，组成同名码元对集合；

其中，所述同名码元对集合中包括每一个同名码元对在影像投射装置像平面中的行列绝对位置、第一码元在第一编码影像中的像素位置和第二码元在第二编码影像中的像素位置。

7.根据权利要求6所述的三维扫描仪标定方法，其特征在于，通过优化如下能量函数的方式，计算得到影像投射装置的内参数以及第一影像接收装置和影像投射装置之间的相对位姿：

I(K_projector,R_projector,T_projector,X_ik)＝K_projector[R_projector|T_projector]X_ik；

其中，E为能量函数，I_ik是第i帧编码影像对的第k个同名码元在影像投射装置底片的像素坐标，K_projector是影像投射装置的内参矩阵，R_projector，T_projector分别是影像投射装置和第一影像接收装置之间的旋转矩阵和平移向量，用以表征第一影像接收装置和影像投射装置之间的相对位姿，X_ik是第i帧编码影像对的第k个同名码元在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标。

8.一种三维扫描仪标定系统，其特征在于，包括三维扫描仪、第二影像接收装置和计算处理模块，所述三维扫描仪包括第一影像接收装置和影像投射装置，所述第二影像接收装置的分辨率高于所述第一影像接收装置的分辨率；

所述影像投射装置，用于向白板投射单帧编码结构光；

所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置，用于同时拍摄平面标定板在不同位姿下多帧影像；还用于同时拍摄所述白板在不同位姿下的多帧编码影像；

所述计算处理模块，用于根据所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置拍摄的平面标定板在不同位姿下多帧影像，基于平板标定方式对所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数进行标定；还用于根据所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置拍摄的白板在不同位姿下的多帧编码影像，基于所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，对所述第一影像接收装置和所述影像投射装置的内参数和外参数进行标定；

所述计算处理模块，还用于根据所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置拍摄的白板在不同位姿下的多帧编码影像，基于所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，对所述第一影像接收装置和所述影像投射装置的内参数和外参数进行标定包括：

对于多个不同位姿下的白板，所述第一影像接收装置拍摄的所述白板的多帧编码影像组成第一编码影像序列，所述第二影像接收装置拍摄的所述白板的多帧编码影像组成第二编码影像序列；其中，通过影像投射装置向白板投射单帧编码结构光，针对所述白板的每一个位姿，所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置拍摄该位姿下的白板的一帧编码影像；

其中，所述第一编码影像序列中多帧第一编码影像和所述第二编码影像序列中的多帧第二编码影像对应组成多帧编码影像对，每一帧所述编码影像对包括第一影像接收装置和第二影像接收装置拍摄的白板在相同位姿下的第一编码影像和第二编码影像；

所述步骤S3中所述基于所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，对所述第一影像接收装置和所述影像投射装置的内参数和外参数进行标定具体包括：

对于每一帧所述编码影像对，提取所述编码影像对中的多个同名码元对，组成同名码元对集合，其中，每一个所述同名码元对包括所述编码影像对中第一编码影像中的第一码元和第二影像中的第二码元；

基于已标定的所述第一影像接收装置和所述第二影像接收装置的内参数和外参数，使用三角测量方法得到所述同名码元对集合中的每一个同名码元对在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标；

计算每一个所述同名码元对在影像投射装置底片上的像素坐标；

根据每一个同名码元对在第一影像接收装置坐标系下的三维坐标和每一个所述同名码元对在影像投射装置底片上的像素坐标，利用直接线性变换DLT算法和光束平差法，计算得到影像投射装置的内参数以及第一影像接收装置和影像投射装置之间的外参数。

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