CN110274552A - 一种多目结构光系统的加权集成测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多目结构光系统的加权集成测量方法，本发明以测量系统的实际标定参数为依据，对测量系统中的各测量元件进行加权，该权值直接影响最终的测量精度。避免了目前直接求解时由于未考虑各个测量元件标定精度不同，对测量结果影响程度不同而导致的测量精度较低的缺点。本发明不仅测量原理简单，而且对测量精度有较大提高，为后续三维结构光测量提供了一种有效的提高精度的测量方法。

Description

一种多目结构光系统的加权集成测量方法

技术领域

本发明属于光电测量领域，具体涉及一种多目结构光系统的加权集成测量方法。

背景技术

三维结构光测量技术由于其非接触、速度快、精度高且原理简单等优点，使其成为三维测量中最常用的方法之一，因而被广泛应用于三维建模、工业检测、逆向工程等许多领域。

三维结构光测量方法，通过向被测物体上投射结构光，然后结合投影系统、采集系统与被测物基准，最后再利用三角测量原理计算出被测物体的三维信息。其测量精度主要受标定精度、测量环境、测量模型等影响。标定是测量的前提，因此目前大多数研究从提高标定精度方面来提升测量精度，然而测量模型却十分单一，且认为测量系统中成像相机及结构光投影器件对测量精度造成的影响相当，直接进行测量计算。但在实际标定过程中，受成像质量等影响，每个测量元件的特征提取精度和标定精度并不一致，造成其测量精度也不相同。因此，直接测量会导致各测量元件对测量精度的影响程度不同而产生测量精度不高的结果。

综上所述，需要构建一个更为合理的测量模型因此，十分有必要研究一种能够改进或解决上述问题的测量方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种多目结构光系统的加权集成测量方法，能够大大提高测量精度，使各测量元件得到合理的应用。

为了达到上述目的，包括以下步骤：

步骤一，对多目结构光测量系统进行标定，获取系统标定参数并计算标定残差；

步骤二，分析多目结构光测量系统中各测量元件的标定参数，并根据标定残差的标准差为给各测量元件赋权重；

步骤三，基于各测量元件的非线性成像模型，构建通过所有测量原件的成像约束方程所构成的加权集成测量模型；

步骤四，基于加权最小二乘方法对加权集成测量模型中的空间点坐标进行求解，求解过程中，物点空间坐标优先满足权重大的成像约束方程。

测量元件包括成像相机及结构光投影器件。

步骤二中，赋权重时，权重系数的大小介于0和1之间，所有的权重系数之和等于1。

步骤二中，给各测量元件赋权重是基于对测量系统中各测量元件标定残差的标准差进行分析，标定精度高的赋大权重，反之则赋小权重。

步骤二中，给各测量元件赋权重通过如下方式计算对应权重值：

其中：G_i为第i个测量元件的权重系数；

std_u_iv_i为第i个测量元件的标定误差；

n为测量元件的个数。

加权后的各测量元件构建超定方程组，通过最小二乘方法求解物点超定方程组的空间坐标，公式如下：

X＝(M^TGM)^-1M^TGP

其中：X——物点的空间坐标；

M——各测量元件的标定参数；

G——各测量元件的权重系数；

P——物点在各测量元件上的像点坐标。

与现有技术相比，本发明以测量系统的实际标定参数为依据，对测量系统中的各测量元件进行加权，该权值直接影响最终的测量精度。避免了目前直接求解时由于未考虑各个测量元件标定精度不同，对测量结果影响程度不同而导致的测量精度较低的缺点。本发明不仅测量原理简单，而且对测量精度有较大提高，为后续三维结构光测量提供了一种有效的提高精度的测量方法。

附图说明

图1为本发明的测量装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明包括以下步骤：

1)对结构光系统中各测量元件进行标定，获取对应的标定参数并计算标定残差。

2)分析各测量元件的标定参数，然后根据标定残差的标准差为测量元件赋权。其中，权重系数的大小介于0和1之间，所有的权重系数之和等于1，且标定精度高的赋大权重，标定精度低的赋小权重，例如权重计算如下所示：

式中G_i为第i个测量元件的权重系数；std_u_iv_i为第i个测量元件的标定误差；n为测量元件的个数。

3)将测量系统中的测量元件加权后进行融合。多目结构光系统中每个测量元件都可以看作一个独立的单元，被测物体上任意一点会同时在每个测量元件的像面成像。根据光路可逆原理，可以看作光线从测量元件像面上的像点出发，透过镜头中心汇聚于物点。由成像原理可知对同一物点，每个测量元件可以构建两个独立的约束方程。以双目结构光测量系统为例，如图1所示，双目结构光测量系统包括两个相机和一个投影仪，则可构建含有六个独立方程的超定方程组，把所有测量元件捆绑为一个整体来共同确定被测物空间坐标，即加权集成测量模型。

4)基于加权最小二乘对物点空间坐标进行求解，求解过程中，物点空间坐标优先满足权重大的成像约束方程，从而提高物点坐标求解的准确性，提高了多目结构光三维测量的精度。

实施例：

分别利用集成测量模型和基于加权最小二乘的集成测量模型在相同的实验环境下对陶瓷平板及陶瓷球进行测量。其中加权最小二乘的集成测量中左相机赋权重0.2，投影仪赋权重0.7，右相机赋权重0.1，通过本申请的测量方法计算后。

表1平面拟合残差对比

对比两种测量模型的测量残差，结果表1、表2所示，对于平板的测量，相比集成测量模型，加权集成测量的残差最大值降低了2μm，标准差降低了2μm；对于标准差球的测量，加权集成测量的半径测量误差减小到32μm，精度提升了47％。从而验证了加权集成测量模型对于测量精度提升的有效性。

Claims (6)

1.一种多目结构光系统的加权集成测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，对多目结构光测量系统进行标定，获取系统标定参数并计算标定残差；

步骤二，分析多目结构光测量系统中各测量元件的标定参数，并根据标定残差的标准差为给各测量元件赋权重；

步骤三，基于各测量元件的非线性成像模型，构建通过所有测量原件的成像约束方程所构成的加权集成测量模型；

步骤四，基于加权最小二乘方法对加权集成测量模型中的空间点坐标进行求解，求解过程中，物点空间坐标优先满足权重大的成像约束方程。

2.根据权利要求1所述的一种多目结构光系统的加权集成测量方法，其特征在于，测量元件包括成像相机及结构光投影器件。

3.根据权利要求1所述的一种多目结构光系统的加权集成测量方法，其特征在于，步骤二中，赋权重时，权重系数的大小介于0和1之间，所有的权重系数之和等于1。

4.根据权利要求1所述的一种多目结构光系统的加权集成测量方法，其特征在于，步骤二中，给各测量元件赋权重是基于对测量系统中各测量元件标定残差的标准差进行分析，标定精度高的赋大权重，反之则赋小权重。

5.根据权利要求1或4所述的一种多目结构光系统的加权集成测量方法，其特征在于，步骤二中，给各测量元件赋权重通过如下方式计算对应权重值：

其中：G_i为第i个测量元件的权重系数；

std_u_iv_i为第i个测量元件的标定误差；

n为测量元件的个数。

6.根据权利要求1所述的一种多目结构光系统的加权集成测量方法，其特征在于，加权后的各测量元件构建超定方程组，通过最小二乘方法求解物点超定方程组的空间坐标，公式如下：

X＝(M^TGM)^-1M^TGP

其中：X——物点的空间坐标；

M——各测量元件的标定参数；

G——各测量元件的权重系数；

P——物点在各测量元件上的像点坐标。