CN110827360A - 一种光度立体式测量系统及其标定光源方向的方法 - Google Patents

一种光度立体式测量系统及其标定光源方向的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学测量领域，并公开了一种光度立体式测量系统及其标定光源方向的方法。该方法包括：(a)相机拍摄在平面镜中的标定板虚像，以此获得标定板图像；(b)采用PnP方法对标定板图像进行处理，获得虚像坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵；(c)调整平面镜的角度和位置，重复步骤(a)和(b)，获得多个旋转矩阵；(d)构建多个旋转矩阵与标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵之间的关系式，以此获得标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵；(e)根据标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵确定光源的方向。通过本发明，避免由于反射球高光点检测引起的法线偏差，提高了光源方向标定精度。

Description

一种光度立体式测量系统及其标定光源方向的方法
技术领域
本发明属于光学测量领域，更具体地，涉及一种光度立体式测量系统及其标定光源方向的方法。
背景技术
光度立体视觉是基于光度学理论，首先获取被测表面的多幅不同光源方向的图像，继而根据光源方向和图像亮度信息计算被测表面的法线方向和表面反射率，最终通过梯度积分或插值等方法确定被测表面的三维信息。光源方向的精度直接影响光度立体视觉的测量精度。因此光度立体视觉的光源方向标定是光度学三维测量方法的关键技术。
通过高光反射球标定光度立体视觉中的光源方向是比较普遍的标定方法，该方法的核心思想是检测高光球所反射的高光点或过曝中心点坐标。标定过程一般分为两类：1)光源和标定球位置固定；2)标定球和被测目标位置固定。标定球高光点的法线方向即表示光源方向，两类方法的光源方向求解技术是一致的。其标定步骤为：1)相机拍摄标定球反射的光源图像；2)图像处理，检测高光球轮廓并提取轮廓边缘，检测高光点并计算高光点中心坐标；3)计算高光点中心坐标法线，此法线即表示光源方向。从求解步骤可以看出，通过高光球计算光源方向依赖于高光点中心坐标的检测精度，往往高光点中心检测偏差较大，从而影响光源方向的标定精度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光度立体式测量系统及其标定光源方向的方法，提出采用标定板和平面镜标定光源方向的标定方法，标定时无需借助光源本身，只需将标定板粘贴在光源上，相机通过平面镜观察标定板，改变标定板位置多次即可完成标定。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光度立体式测量系统，其特征在于，该测量系统包括相机、光源、标定板和平面镜，其中，所述标定板贴附在所述光源的下方，并与该光源发出的光的方向垂直，所述平面镜设置在所述标定板的下方，用于对所述标定板进行成像，所述相机设置在所述平面镜的上方，用于采集所述平面镜中标定板的图像。
按照本发明的另一方面，提供了一种光度立体式测量系统中标定光源方向的方法，该方法包括下列步骤：
(a)所述标定板在所述平面镜中成像，形成标定板虚像，同时在该标定板虚像中建立虚像坐标系，所述相机拍摄在所述平面镜中的所述标定板虚像，以此获得标定板图像；
(b)采用PnP方法对所述标定板图像进行处理，以此获得所述虚像坐标系与所述相机的相机坐标系之间的转换矩阵，即虚像坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs i；
(c)调整所述平面镜的角度和位置，重复步骤(a)和(b)，获得多个所述虚像坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵；
(d)构建步骤(c)中获得的所述多个虚像坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs i与标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs之间的关系式，以此计算并获得所述标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs；
(e)根据该标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵sRc与所述光源的方向的关系确定所述光源的方向，以此实现所述光源方向的获取。
进一步优选地，在步骤(d)中，构建步骤(c)中获得的所述多个虚像坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs i与标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs之间的关系式优选按照下列关系式进行：
cRs＝(I-2ni·ni T)-1cRs i
其中，i是旋转矩阵的数量，ni是第i次调整所述平面镜的角度和位置后，所述平面镜在所述相机坐标系中的法向。
进一步优选地，在步骤(b)中，采用PnP方法优选按照下列步骤进行：
(b1)通过角点检测算子检测所述标定板虚像中每个角点的坐标，以此获得所述虚像坐标系中每个角点的坐标；
(b2)根据所述相机拍摄的所述标定板图像，获取在所述相机坐标系中该标定板图像上每个角点的坐标,构建在虚像坐标系中每个角点的坐标与在相机坐标系中坐标的转换关系，以此获得转换矩阵，即单应矩阵；
(b3)构建所述虚像坐标系和相机坐标系之间的旋转矩阵与所述单应矩阵之间的关系式，计算并获得所述虚像坐标系和相机坐标系之间的旋转矩阵。
进一步优选地，在步骤(b3)中，所述构建所述虚像坐标系和相机坐标系之间的旋转矩阵与所述单应矩阵之间的关系式，优选按照下列表达式进行：
mi＝HMi
H＝[h1 h2 h3]
Figure BDA0002254820170000031
Figure BDA0002254820170000032
Figure BDA0002254820170000033
其中，mi是第i次中角点在相机坐标系中的坐标，Mi是第i次角点在所述虚像坐标系中的坐标，H是单应矩阵，h1，h2和h3是单应矩阵的三个分量，
Figure BDA0002254820170000034
和
Figure BDA0002254820170000035
是旋转矩阵在x，y和z三个方向上的分量。
进一步优选地，在步骤(c)中，所述多个所述虚像坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵的数量不少于3个。
进一步优选地，在步骤(e)中，所述光源的方向是所述标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs中z轴的分量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明采用标定板和平面镜标定光源方向，而无需借助反射球的高光点检测，其标定精度较高，且平面镜的加工难度要小于高光球的加工难度；
2、本发明提供的标定方法，操作过程简单，计算过程简单，可实施性强，避免了由于反射球高光点检测引起的法线偏差，提高了光源方向标定精度，为光度立体视觉的高精度测量提供了高精度标定方法。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的光度立体式测量系统的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的标定板示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-相机，2-光源，3-标定板，4-平面镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种光度立体式测量系统，标定板3粘贴在光源2末端，且标定板3和光源2发出的光垂直，采用平面镜4对标定板3反射成像。
借助三个平面镜位置，获取位姿关系中旋转矩阵，旋转矩阵中的z轴分量即为光源方向。在借助于三个平面镜位置，获取位姿关系中旋转矩阵具体包括三步。首先，相机通过平面镜观察标定板在平行阶梯平面镜中的虚像；其次，通过PnP方法计算标定板的虚像在相机坐标系下的位姿关系；最终，旋转矩阵可通过旋转矩阵的正交性进行求解。
一种光度立体式测量系统的标定过程具体包括如下步骤：
1)相机1通过平面镜4观察标定板3在平面镜4中虚像，拍摄点在平面镜中标定板的图像；
2)通过PnP方法获得标定板3的虚像的坐标系在相机1自身的坐标系之间的转换矩阵，即旋转矩阵，其中，PnP是pespective-n-point的简写，
具体步骤如下：
(b1)通过角点检测算子检测标定板虚像中每个角点的坐标，以此获得虚像坐标系中每个角点的坐标(x,y,z)；其中，角点是指标定板每个黑格的顶点；
(b2)根据相机拍摄的标定板图像，获取在相机坐标系中该标定板图像上每个角点的坐标(u,v)；
(b3)构建虚像坐标系和相机坐标系之间的旋转矩阵与每个角点分别在虚像坐标系中与在相机坐标系中的坐标的关系式，计算获得虚像坐标系和相机坐标系之间的旋转矩阵。
Figure BDA0002254820170000051
Figure BDA0002254820170000052
Figure BDA0002254820170000053
Figure BDA0002254820170000054
其中，H是单应矩阵，k是相机内参数。
3)改变平面镜4的角度和位置，角度和位移任意调整，只需保证标定板可在该平面镜中成像即可，重复步骤1)和步骤2)，多次，共获得相机和标定板虚像的多个旋转矩阵，其中，至少需要获得三个旋转矩阵，本实施例中采用三个旋转矩阵；旋转矩阵有三个分量，如果采用两个旋转矩阵，则就只能求出来其中的一个分量，如果采用三个旋转矩阵，则两两组合刚好可以求出旋转矩阵的三个分量，从而确定该旋转矩阵。
4)通过多个旋转矩阵的正交性，计算相机1和标定板3的旋转矩阵，旋转矩阵的z轴分量即为光源方向，旋转矩阵的z轴分量垂直于标定板，而标定板粘贴在光源上，标定板也垂直于光源方向，因此旋转矩阵的z轴分量平行于光源方向，也就是z轴分量即为光源方向。具体如下：
1)首先通过PnP方法得到的标定板虚像在相机坐标系下的旋转矩阵为cRs i,i＝1,2,3。建立标定板3上特征点p关于平面镜4像点p'的齐次表达式：
Figure BDA0002254820170000061
ni为平面镜4在相机1坐标系下的法向，pm在标定板上的点，pm'平面镜中成像的点，通过PnP方法求解得到的标定板3虚像在相机1坐标系下的旋转矩阵为cRs i,i＝1,2,3。值得注意的是，标定板3坐标系为右手坐标系，其在镜面内虚像为左手坐标系。在计算时，需要将左手坐标系变换为右手系。
变换关系可表示为如下形式：
cRs j＝cRs i(I-2e3e3 T),e3＝[0 0 1] (2)
I为3阶单位阵，右手坐标系中的旋转矩阵cRs j
2)旋转矩阵求解。首先根据旋转矩阵的正交性求解平面镜4在相机1坐标系下的法线ni,i＝1,2,3，则标定板和相机之间的旋转矩阵计算结果为：
cRs＝(I-2ni·ni T)-1(I-2e3e3 T)-1cRs j (3)
3)确定光源方向。旋转矩阵中z轴分量cRs z即为光源方向。
cRs＝[cRs x cRs y cRs z] (4)
本实施例采用平面镜改变和标定板无需借助光源即可完成光度立体视觉中光源方向标定，避免了由于反射球高光点检测引起的法线偏差，提高了光源方向标定精度，为光度立体视觉的高精度测量提供了高精度标定方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光度立体式测量系统，其特征在于，该测量系统包括相机、光源、标定板和平面镜，其中，所述标定板贴附在所述光源的下方，并与该光源发出的光的方向垂直，所述平面镜设置在所述标定板的下方，用于对所述标定板进行成像，所述相机设置在所述平面镜的上方，用于采集所述平面镜中标定板的图像。
2.如权利要求1所述的一种光度立体式测量系统中标定光源方向的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)所述标定板在所述平面镜中成像，形成标定板虚像，同时在该标定板虚像中建立虚像坐标系，所述相机拍摄在所述平面镜中的所述标定板虚像，以此获得标定板图像；
(b)采用PnP方法对所述标定板图像进行处理，以此获得所述虚像坐标系与所述相机的相机坐标系之间的转换矩阵，即虚像坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs i；
(c)调整所述平面镜的角度和位置，重复步骤(a)和(b)，获得多个所述虚像坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵；
(d)构建步骤(c)中获得的所述多个虚像坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs i与标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs之间的关系式，以此计算并获得所述标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs；
(e)根据该标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs与所述光源的方向的关系确定所述光源的方向，以此实现所述光源方向的获取。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，构建步骤(c)中获得的所述多个虚像坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs i与标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs之间的关系式优选按照下列关系式进行：
cRs＝(I-2ni·ni T)-1cRs i
其中，i是旋转矩阵的数量，ni是第i次调整所述平面镜的角度和位置后，所述平面镜在所述相机坐标系中的法向。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，采用PnP方法优选按照下列步骤进行：
(b1)通过角点检测算子检测所述标定板虚像中每个角点的坐标，以此获得所述虚像坐标系中每个角点的坐标；
(b2)根据所述相机拍摄的所述标定板图像，获取在所述相机坐标系中该标定板图像上每个角点的坐标,构建在虚像坐标系中每个角点的坐标与在相机坐标系中坐标的转换关系，以此获得转换矩阵，即单应矩阵；
(b3)构建所述虚像坐标系和相机坐标系之间的旋转矩阵与所述单应矩阵之间的关系式，计算并获得所述虚像坐标系和相机坐标系之间的旋转矩阵。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(b3)中，所述构建所述虚像坐标系和相机坐标系之间的旋转矩阵与所述单应矩阵之间的关系式，优选按照下列表达式进行：
mi＝HMi
H＝[h1 h2 h3]
Figure FDA0002254820160000021
Figure FDA0002254820160000022
Figure FDA0002254820160000023
其中，mi是第i次中角点在相机坐标系中的坐标，Mi是第i次角点在所述虚像坐标系中的坐标，H是单应矩阵，h1，h2和h3是单应矩阵的三个分量，
Figure FDA0002254820160000024
和
Figure FDA0002254820160000025
是旋转矩阵
Figure FDA0002254820160000026
在x，y和z三个方向上的分量。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述多个所述虚像坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵的数量不少于3个。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(e)中，所述光源的方向是所述标定板坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵cRs中z轴的分量。
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