CN112614075B - 一种面结构光3d系统的畸变校正方法及设备 - Google Patents

一种面结构光3d系统的畸变校正方法及设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种面结构光3D系统的畸变校正方法，包括：标定摄像机参数和投影仪参数；通过摄像机参数和投影仪参数标定出摄像机坐标系到投影仪坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；根据摄像机畸变模型和所述摄像机参数，对摄像机图像进行畸变校正，得到畸变校正后的摄像机图像；根据投影仪畸变模型和投影仪参数、旋转矩阵、平移矩阵以及三维重建坐标系，对投影仪图像进行畸变校正，得到畸变校正后的与世界坐标系相对应的投影仪列坐标。本申请在面结构光3D系统中增加对投影仪的畸变校正，对投影仪畸变校正过程进行多次迭代，修正投影仪畸变校正结果，提高投影仪畸变校正的准确性，进一步提高面结构光三维测量系统的测量精度。

Description

一种面结构光3D系统的畸变校正方法及设备
技术领域
本申请涉及面结构光3D系统畸变校正技术领域，尤其涉及一种面结构光3D系统的畸变校正方法及设备。
背景技术
面结构光三维(3D)测量系统在实际应用中，摄像机和投影仪的镜头都存在畸变，这些畸变会导致编码光产生形变，而编码光的形变会导致解码时产生误差，从而导致面结构光三维(3D)测量系统的测量精度下降。因此对于需要高精度测量的面结构光三维(3D)测量系统，则需要进行畸变校正，消除编码结构光因摄像机和投影仪畸变而产生的形变，提升面结构光三维(3D)测量系统的测量精度。
现有技术中，对面结构光系统进行畸变校正通常采用的方法是采用传统的摄像机模型，且将投影仪看作逆向摄像机，使面结构光三维(3D)测量系统构成双目系统，利用标定板分别标定出摄像机和投影仪的内参、畸变系数和外参；然后采用传统摄像机畸变模型来处理径向畸变、切向畸变等不同类型的畸变，分别实现摄像机和投影仪的畸变校正；但是由于面结构光三维(3D)测量系统中投影仪只投影竖向结构光图案，根据摄像机畸变模型只能计算出世界坐标系中一点对应投影仪的列坐标，而对投影仪进行畸变校正需要同时获得行列坐标计算畸变量。由于采用此种方法时需要计算缺失的投影仪行坐标，投影仪行坐标计算结果的精确度对面结构光三维(3D)测量系统的测量精度的影响较大，导致测量精度较低。
发明内容
本申请提供了一种面结构光3D系统的畸变校正方法及设备，以解决现有技术中存在的只能计算出投影仪的列坐标，而不能精确计算出投影仪行坐标，从而导致面结构光3D系统的测量精度较低的问题。
本申请提供一种面结构光3D系统的畸变校正方法，具体包括以下步骤：
标定摄像机参数和投影仪参数；
通过所述摄像机参数和所述投影仪参数标定出摄像机坐标系到投影仪坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；
根据摄像机畸变模型和所述摄像机参数，对摄像机图像进行畸变校正，得到畸变校正后的摄像机图像，其中，所述摄像机参数包括所述摄像机的内参数、外参数和畸变参数；
根据投影仪畸变模型和所述投影仪参数、所述旋转矩阵、所述平移矩阵以及三维重建坐标系，对投影仪图像进行畸变校正，得到畸变校正后的与世界坐标系相对应的投影仪列坐标，其中，所述投影仪畸变模型为通过在所述摄像机畸变模型中加入迭代过程而构成的模型，所述投影仪参数包括所述投影仪的内参数、外参数和畸变参数。
在本申请的较佳实施例中，标定摄像机参数和投影仪参数，具体标定过程如下：
摄像机采集标定板图像；
根据所述标定板图像标定摄像机参数；
投影仪向标定板投影图案，并通过所述摄像机采集投影到标定板上的图案；
根据所述投影到标定板上的图案标定投影仪参数。
上述技术方案中，均采用张正友标定法分别对摄像机参数和投影仪参数进行标定，并且需要先对摄像机参数进行单独标定，然后在借助已经标定好的摄像机，再对投影仪参数进行标定。
在本申请的较佳实施例中，根据摄像机畸变模型和所述摄像机参数，对摄像机图像进行畸变校正，得到畸变校正后的摄像机图像，具体过程如下：
将所述摄像机参数输入至所述摄像机畸变模型中，计算摄像机畸变校正查找表；
根据摄像机畸变图像坐标和所述摄像机畸变校正查找表，计算畸变量；
根据所述摄像机畸变校正查找表，计算摄像机无畸变图像坐标；
根据所述摄像机畸变校正查找表和所述畸变量以及所述摄像机无畸变坐标，通过差值法计算摄像机图像的灰度值，得到畸变校正后的摄像机图像。
上述技术方案中，摄像机畸变校正查找表即为摄像机无畸变图像与摄像机畸变后的图像的坐标之间的映射关系表。
在本申请的较佳实施例中，根据投影仪畸变模型和所述投影仪参数、所述旋转矩阵、所述平移矩阵以及三维重建坐标系，对投影仪图像进行畸变校正，得到畸变校正后的与世界坐标系相对应的投影仪列坐标，具体过程如下：
根据三维重建坐标系，获取三维重建成像平面点的世界坐标；
计算投影仪畸变校正查找表；
根据所述投影仪畸变校正查找表，计算并存储投影仪列坐标的畸变量；
根据所述世界坐标和所述投影仪参数计算投影图案的行列坐标；
根据投影仪畸变模型和所述畸变量修正三维重建坐标系中的投影图案的列坐标，得到修正后的投影图案的列坐标；
通过对所述修正后的投影图案的列坐标重新进行三维重建，计算新的世界坐标；
进行多次迭代，当达到预设的最大迭代次数后，输出畸变校正后的所述新的世界坐标。
采用上述技术方案，通过多次迭代过程，能够消除投影仪的畸变，此外，投影仪畸变校正查找表即为投影仪无畸变图像与投影仪畸变后的图像的行列坐标之间的映射关系表。
在本申请的较佳实施例中，根据所述世界坐标和所述投影仪参数计算投影图案对应的行列坐标，具体计算过程如下：
根据所述世界坐标和投影仪的外参数，计算投影仪坐标系下的投影图案的行列坐标；
根据投影仪畸变模型和所述投影仪坐标系下的投影图案的行列坐标以及所述投影仪参数和所述摄像机参数，计算投影图案畸变后的行列坐标。
在本申请的较佳实施例中，根据所述世界坐标和投影仪的外参数，计算投影仪坐标系下的投影图案的行列坐标(x1,y1)，具体计算公式如下：
其中，s1表示世界坐标系与投影仪坐标系的比例系数，表示投影图案畸变后的行列坐标矩阵，R和T均为投影仪的外参数，R表示投影仪坐标系的旋转矩阵，T表示投影仪坐标系的平移矩阵，/>表示点云世界坐标矩阵。
在本申请的较佳实施例中，根据投影仪畸变模型和所述投影仪坐标系下的投影图案的行列坐标以及所述投影仪参数和所述摄像机参数，计算投影图案畸变后的行列坐标(x2,y2)，具体计算公式如下：
其中，(x2,y2)表示投影图案畸变后的行列坐标，(x1,y1)表示投影仪坐标系下的投影图案的行列坐标，k1、k2、k3、p1、p2均表示摄像机参数。
在本申请的较佳实施例中，摄像机畸变主要包括径向畸变和切向畸变。
另一方面，本申请还提供一种面结构光3D系统的畸变校正设备，所述畸变校正系统采用上述畸变校正方法对面结构光3D系统进行畸变校正。
本申请提供的一种面结构光3D系统的畸变校正方法及设备，相较于现有技术而言，具有以下有益效果：
(1)本申请通过在面结构光3D系统中加入了对投影仪的畸变校正，具体为利用三维重建成像面上点的世界坐标计算对应投影仪坐标系下的行列坐标，获取畸变量，对投影仪的列坐标进行畸变校正，重新计算世界坐标，并对投影仪畸变校正过程进行多次迭代，修正投影仪畸变校正的结果，提高对投影仪畸变校正的准确性，从而提高面结构光三维测量系统的成像效果和测量精度。
(2)本申请通过对摄像机和投影仪分别进行畸变校正，能够提高面结构光三维测量系统的测量精度，并且不需要使用定制的高精度立体靶标，就可实现对面结构光三维测量系统的畸变校正。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请的一种面结构光3D系统的畸变校正方法的流程图；
图2为一种面结构光3D系统的成像过程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、实施方式和优点更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
基于本申请描述的示例性实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请所附权利要求保护的范围。此外，虽然本申请中公开内容按照示范性一个或几个实例来介绍，但应理解，可以就这些公开内容的各个方面也可以单独构成一个完整实施方式。
需要说明的是，本申请中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本申请的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。
如图2所示，为面结构光3D系统的成像过程示意图，面结构光3D系统包括投影仪像平面、摄像机像平面和空间平面，投影仪投影为竖条纹，如图2所示，对于待测物表面上任意一点Q，摄像机采集的待测物图像上像素点为根据三维重建算法可得到对应投影仪图像的列坐标/>根据面结构光3D系统的标定参数得到一组线性方程系数，解线性方程可得到Q点的世界坐标/>但是这种计算方法并未考虑投影仪的畸变，只在投影仪无畸变的条件下成立，因此需要对投影仪进行畸变校正，而对投影仪进行畸变校正需要同时知道空间上一点Q对应投影仪上的像素点/>目前已知/>则需要求解/>现有技术中并不存在如何计算投影仪的行坐标/>以便对投影仪进行畸变校正，提高面结构光3D系统的测量精度的方法。
需要说明的是，图2中的Op,Xp,Yp,Zp表示投影仪光轴的坐标系，Oc,Xc,Yc,Zc表示摄像机光轴的坐标系，Ow,Xw,Yw,Zw表示空间平面的世界坐标系，op,up,vp表示投影仪平面的坐标系，oc,uc,vc表示摄像机平面的坐标系，Cp表示投影仪光轴坐标系到投影仪像平面的坐标系的距离，Cc表示摄像机光轴坐标系到摄像机像平面的坐标系的距离，Qp表示空间平面上的一点Q到投影仪像平面的投影像素点，Qc表示空间平面上的一点Q到摄像机像平面的成像像素点。
下面结合本申请的技术方案对投影仪行坐标的计算过程以及畸变校正过程进行详细的说明。
实施例1
如图1所示，本申请提供了一种面结构光3D系统的畸变校正方法，具体包括以下步骤：
S101，标定摄像机参数和投影仪参数；
S102，通过所述摄像机参数和所述投影仪参数标定出摄像机坐标系到投影仪坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；
S103，根据摄像机畸变模型和所述摄像机参数，对摄像机图像进行畸变校正，得到畸变校正后的摄像机图像，其中，所述摄像机参数包括所述摄像机的内参数、外参数和畸变参数；
S104，根据投影仪畸变模型和所述投影仪参数、所述旋转矩阵、所述平移矩阵以及三维重建坐标系，对投影仪图像进行畸变校正，得到畸变校正后的与世界坐标系相对应的投影仪列坐标，其中，所述投影仪畸变模型为通过在所述摄像机畸变模型中加入迭代过程而构成的模型，所述投影仪参数包括所述投影仪的内参数、外参数和畸变参数。
在本实施例1中，步骤S101，标定摄像机参数和投影仪参数，具体标定过程如下：
摄像机采集标定板图像；
根据所述标定板图像标定摄像机参数；
投影仪向标定板投影图案，并通过所述摄像机采集投影到标定板上的图案；
根据所述投影到标定板上的图案标定投影仪参数。
上述技术方案中，均采用张正友标定法分别对摄像机参数和投影仪参数进行标定，并且需要先对摄像机参数进行单独标定，然后在借助已经标定好的摄像机，再对投影仪参数进行标定。
在本实施例1中，步骤S103，根据摄像机畸变模型和所述摄像机参数，对摄像机图像进行畸变校正，得到畸变校正后的摄像机图像，具体过程如下：
将所述摄像机参数输入至所述摄像机畸变模型中，计算摄像机畸变校正查找表；
根据摄像机畸变图像坐标和所述摄像机畸变校正查找表，计算畸变量；
根据所述摄像机畸变校正查找表，计算摄像机无畸变图像坐标；
根据所述摄像机畸变校正查找表和所述畸变量以及所述摄像机无畸变坐标，通过差值法计算摄像机图像的灰度值，得到畸变校正后的摄像机图像。
上述技术方案中，摄像机畸变校正查找表即为摄像机无畸变图像与摄像机畸变后的图像的坐标之间的映射关系表。
在本实施例1中，步骤S104，根据投影仪畸变模型和所述投影仪参数、所述旋转矩阵、所述平移矩阵以及三维重建坐标系，对投影仪图像进行畸变校正，得到畸变校正后的与世界坐标系相对应的投影仪列坐标，具体过程如下：
根据三维重建坐标系，获取三维重建成像平面点的世界坐标；
计算投影仪畸变校正查找表；
根据所述投影仪畸变校正查找表，计算并存储投影仪列坐标的畸变量；
根据所述世界坐标和所述投影仪参数计算投影图案的行列坐标，具体计算过程如下：
根据所述世界坐标和投影仪的外参数，计算投影仪坐标系下的投影图案的行列坐标(x1,y1)，具体计算公式如下：
其中，s1表示世界坐标系与投影仪坐标系的比例系数，表示投影图案畸变后的行列坐标矩阵，R和T均为投影仪的外参数，R表示投影仪坐标系的旋转矩阵，T表示投影仪坐标系的平移矩阵，/>表示点云世界坐标矩阵，[R|T]为将R与T合并后的矩阵；
根据投影仪畸变模型和所述投影仪坐标系下的投影图案的行列坐标以及所述投影仪参数和所述摄像机参数，计算投影图案畸变后的行列坐标(x2,y2)，具体计算公式如下：
其中，(x2,y2)表示投影图案畸变后的行列坐标，(x1,y1)表示投影仪坐标系下的投影图案的行列坐标，k1、k2、k3、p1、p2均表示摄像机参数；
根据投影仪畸变模型和所述畸变量修正三维重建坐标系中的投影图案的列坐标，得到修正后的投影图案的列坐标；
通过对所述修正后的投影图案的列坐标重新进行三维重建，计算新的世界坐标；
进行多次迭代，当达到预设的最大迭代次数后，输出畸变校正后的所述新的世界坐标。
需要特别说明的是，在本实施例1中，所述旋转矩阵R具体为3*3的矩阵，表示为其中，r11～r33均为旋转参数，所述平移矩阵具体为3*1的矩阵，表示为/>其中，tx～tz均为平移参数。
采用上述技术方案，通过多次迭代过程，能够消除投影仪的畸变，此外，投影仪畸变校正查找表即为投影仪无畸变图像与投影仪畸变后的图像的行列坐标之间的映射关系表。
在上述具体实施方式的基础上，进一步的，摄像机畸变主要包括径向畸变和切向畸变。
实施例2
本申请还提供了一种面结构光3D系统的畸变校正设备，所述畸变校正设备采用上述畸变校正方法对面结构光3D系统进行畸变校正。
需要特别说明的是，在本申请的实施例1和实施例2中，将投影仪看做逆向摄像机，将摄像机与投影仪组成的面结构光3D系统视为双目系统。
实施例3
本申请也提供了一种面结构光3D系统的畸变校正方法，将面结构光3D系统视为整体，使用高精度的立体靶标直接对面结构光3D测量系统进行标定，标定出预先设置好的面结构光3D测量系统的参数，从而实现准确的面结构光3D测量。
采用此种畸变校正方法，不需要再以传统摄像机模型或者双目模型(即摄像机模型和投影仪模型)看待面结构光3D系统，并且，由于已经将畸变融合到了整个面结构光3D测量系统预先设置好的参数中，因此不需要考虑摄像机畸变和投影仪畸变的影响，也不需要单独对摄像机和投影仪进行畸变校正了。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种面结构光3D系统的畸变校正方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
标定摄像机参数和投影仪参数；
通过所述摄像机参数和所述投影仪参数标定出摄像机坐标系到投影仪坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；
根据摄像机畸变模型和所述摄像机参数，对摄像机图像进行畸变校正，得到畸变校正后的摄像机图像，其中，所述摄像机参数包括所述摄像机的内参数、外参数和畸变参数；
根据投影仪畸变模型和所述投影仪参数、所述旋转矩阵、所述平移矩阵以及三维重建坐标系，对投影仪图像进行畸变校正，得到畸变校正后的与世界坐标系相对应的投影仪列坐标，其中，所述投影仪畸变模型为通过在所述摄像机畸变模型中加入迭代过程而构成的模型，所述投影仪参数包括所述投影仪的内参数、外参数和畸变参数；
其中，根据投影仪畸变模型和所述投影仪参数、所述旋转矩阵、所述平移矩阵以及三维重建坐标系，对投影仪图像进行畸变校正，得到畸变校正后的与世界坐标系相对应的投影仪列坐标，具体过程如下：
根据三维重建坐标系，获取三维重建成像平面点的世界坐标；
计算投影仪畸变校正查找表；
根据所述投影仪畸变校正查找表，计算并存储投影仪列坐标的畸变量；
根据所述世界坐标和投影仪的外参数，计算投影仪坐标系下的投影图案的行列坐标(x1,y1)，具体计算公式如下：
其中，s1表示世界坐标系与投影仪坐标系的比例系数，表示投影图案畸变后的行列坐标矩阵，R和T均为投影仪的外参数，R表示投影仪坐标系的旋转矩阵，T表示投影仪坐标系的平移矩阵，/>表示点云世界坐标矩阵；
根据投影仪畸变模型和所述投影仪坐标系下的投影图案的行列坐标以及所述投影仪参数和所述摄像机参数，计算投影图案畸变后的行列坐标(x2,y2)，具体计算公式如下：
其中，(x2,y2)表示投影图案畸变后的行列坐标，(x1,y1)表示投影仪坐标系下的投影图案的行列坐标，k1、k2、k3、p1、p2均表示摄像机参数；
根据投影仪畸变模型和所述畸变量修正三维重建坐标系中的投影图案的列坐标，得到修正后的投影图案的列坐标；
通过对所述修正后的投影图案的列坐标重新进行三维重建，计算新的世界坐标；
进行多次迭代，当达到预设的最大迭代次数后，输出畸变校正后的所述新的世界坐标。
2.根据权利要求1所述的一种面结构光3D系统的畸变校正方法，其特征在于，标定摄像机参数和投影仪参数，具体标定过程如下：
摄像机采集标定板图像；
根据所述标定板图像标定摄像机参数；
投影仪向标定板投影图案，并通过所述摄像机采集投影到标定板上的图案；
根据所述投影到标定板上的图案标定投影仪参数。
3.根据权利要求1所述的一种面结构光3D系统的畸变校正方法，其特征在于，根据摄像机畸变模型和所述摄像机参数，对摄像机图像进行畸变校正，得到畸变校正后的摄像机图像，具体过程如下：
将所述摄像机参数输入至所述摄像机畸变模型中，计算摄像机畸变校正查找表；
根据摄像机畸变图像坐标和所述摄像机畸变校正查找表，计算畸变量；
根据所述摄像机畸变校正查找表，计算摄像机无畸变图像坐标；
根据所述摄像机畸变校正查找表和所述畸变量以及所述摄像机无畸变坐标，通过差值法计算摄像机图像的灰度值，得到畸变校正后的摄像机图像。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种面结构光3D系统的畸变校正方法，其特征在于，
摄像机畸变包括径向畸变和切向畸变。
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