CN114459383A - 一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置 - Google Patents

一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置 Download PDF

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Abstract

正弦条纹相移轮廓术兼顾了精度和速度，已成为工业在线3D检测的主流技术之一，随着检测对象的日益微型化，检测精度要求也日益提高，故而需要能够补偿各种系统误差，这使得系统的标定越来越重要。本发明公开一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置，其包括：S1、对所有相机进行相机标定，建立不同高度下像素坐标和物理坐标关系。S2、投影装置投影参考图案，标定理论投影和实际投影的几何变换。S3，对所有的相机/投影进行相位‑高度标定，建立相位到高度的映射关系。S4、当选择选择使用单频方法时，基于路径高度一致性校准，补偿误差。S5、合并以上所有标定参数。S6、基于标定块台阶进行标定XYZ精度验证。

Description

一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置
技术领域
本发明涉及3D检测技术领域中一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置。
背景技术
正弦条纹相移轮廓术兼顾了精度和速度，已成为工业在线3D检测的主流技术之一，随着检测对象的日益微型化，检测精度要求也日益提高，故而需要能够补偿各种系统误差，这使得系统的标定越来越重要。本发明专利提出的标定方法及实施装置能够一次性对所有的相机/投影装置进行全面的校准标定，并设计一套适配的标定精度验证方法。
发明内容
本发明通过下述技术方案解决上述技术问题：一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置，该装置包括运动控制平台，面阵相机(可以有多个)，投影装置(可以是PZT加上如朗奇光栅、正弦光栅等光栅结构的模拟量投影或者是DMD/LCD/LCOS等数字投影)，若干标定装置(包括相机标定板，投影标定块，带若干个已知高度的凸块的标定块)及上位机(PC，嵌入式系统或者其他逻辑处理单元)。该套装置能够提供一次性的精确、全面的标定，对系统的各种因素进行补偿校准，形成一整套标定参数，虽然过程比较耗时，但是通常只需要标定一次。该方法包括以下。
S1、在不同高度位置进行相机标定，要实现标定面到像面的相对高度变化，可以上下移动相机，也可以上下移动相机标定板，对于同一个位置，所有相机都需要进行拍摄，最终每个相机生成不同高度位置的标定参数，用于建立像素和物理坐标的映射关系。其中每个高度准确坐标位置是能够精确获取的，可以基于电机定位装置（包含编码器、光栅、磁栅等）获取。上位机需要拟合出像素坐标在不同高度位置的和物理坐标的映射关系。如下公式：(X,Y)=f 1(u,v,Z)，其中X，Y，Z代表物理坐标，u，v代表图像像素坐标。
S2、每个投影机构投射一个参考图案到投影标定块上，所有相机都需要进行拍照取相，用于理论图案到实际投影面的几何变化。
S3、每个投影装置需要从不同高度位置进行投影，要实现标定面到投影面相对高度变化，可以上下移动投影装置，也可以上下移动投影标定块。每一组投影，所有相机都需要进行拍摄。上位机分别对于每一种投影/相机组合进行投影标定，具体就是对于每组正弦条纹进行计算相位移，计算相对相位，再对相对相位解包裹，然后根据线性/多次项拟合（线性拟合可以采用分段拟合的方式，分段数量n可以由测高范围决定；多次拟合包括但不限于二次项拟合的方式）计算解包裹相位到高度的映射，最终每个投影/相机都会得到一个投影映射参数，如下公式:Φ=f 2(u,v,Z)，其中Φ代表解包裹相位，u，v代表图像像素坐标。
S4、当选择使用单频方法时，会存在相位还原导致的累积误差，为了解决该误差，基于相位的还原路径对所有的投影/相机组进行高度一致性补偿，分配标定块凸块在FOV不同的宫格位置，然后计算凸块的高度，根据正弦条纹光角度Ø和图像的中心点(W/2,H/2)建立标定补偿线L，L的计算公式为：y=x*tanØ+H/2-(W/2-tanØ)，其中W为图像的宽，H为图像的高。求出图像中标定点的位置(u i ,v i )、标定点到标定补偿线L的距离d i,j 以及测试高度H i,j 与点实际标准高度H standard 的比值k i,j 。以d i,j 为输入，k i,j 为输出，建立线性/多次项拟合模型，应用模型展开到整个FOV，更新点在不同FOV中的高度H i,j ’ 。循环执行步骤S6，直到H i,j ’ 和实际高度H standard 的差值小于预设的阈值精度。
S5、基于相机标定，相位-高度标定，参考图案标定，高度一致性补偿，每种相机/投影组合将产生4套标定校准参数，把4套参数融合在一起，有多少种投影/相机组合，就有多少套参数，如有3个投影装置，2个相机，就会产生6套参数。
S6、对每种投影/相机组合进行标定高度验证，标定块多个已知(X,Y,Z)坐标的标定凸块（不同高度的凸块越多，效果越准确）以及一对坐标(X,Y)已知的基准点。首先上位机为基准点和标定凸块分配FOV，基准点和标定凸块需要保证在FOV中间，即(W/2,H/2)位置，FOV的拍摄顺序为先拍摄基准点再拍摄标定凸块，基准点的作用在于补偿标定块的水平偏移。运动控制机构控制整个装置按照指定的FOV顺序进行投影拍摄，最后计算出凸块的(X,Y,Z)位置信息，和实际的坐标进行对比，如果满足容差要求就退出，反之则需要增加取样或者调整参数后重新进行标定。
其中，步骤S1包括：S7、高度移动的间距可以保持一致，也可以不一致，但必须覆盖整个量测范围。
其中，步骤S2、S3包括：S8、投影标定块表面平整，既不能吸光也不能发生镜面反射，表面平整度精度要求在正负1um，平整度直接决定了整个3D重建的精度。
其中，步骤S3包括：S9、相位-高度标定的高度间隔可以和相机标定一致，也可以不一致；在到达理论极限之前，一般间隔越小，精度越高，但是标定速度越慢；一般情况下取测量范围20等分作为高度间隔，以保证标定精度与速度的平衡；理论上相位-高度标定的高度间隔保持一致更能保证精度。
其中，步骤S4包括：S10、考虑到光源本身工作状态不稳定，运动机构振动等随机性干扰因素，实际相位移角度并不会和投影设定的保持一致，并且实际角度会非等间隔补偿，这里需要先求出实际的相位移角度，具体就是每一组正弦相移图像求解调制度，寻找最佳区域，然后基于最佳区域求解相位移，继而计算出相对相位和绝对相位。
其中，步骤S4包括：S11、一组正弦条纹的测高范围取决于使用的方法与实际检测参数（如使用多频率多波长法时，测高范围取决于等效条纹周期宽度），在投影标定的时候不同高度层的绝对相位会出现相位的实际值与理论值相差整数*2π，这时候需要人为的给该层的绝对相位增加或者减小这个差值，以保证绝对相位的分布按照相对高度的大小呈现递增/递减的规律，上位机可以通过计算自动对绝对相位进行补偿，避免因人为的补偿错误导致错误的可能性。
其中，步骤S5包括：S12、输入标定点的测试高度H k 和H standard ，可以灵活增加或减少取样点的数量、修改取样点的高度值，提高拟合的精度。支持投影单元单独标定，最大程度适应每个投影单元的特殊性，提高标定精度。模型拟合方式可以支持线性/多次项拟合。线性拟合建议采用分段拟合的方式；多次项拟合建议使用二次项拟合的方式。
其中，步骤S5包括：S13、支持逐像素标定和最后平均高度一次性校正两种方法，前者得到的校正效果精度高，后者的性能高。
本发明的积极进步效果在于：建立了测量系统在全量程范围内的标定流程，可以一次性进行相机标定和相位-高度标定，有效抑制了系统的线性/非线性误差；提供了不同投影/相机组合不同的标定方案，最大程度适应每种投影/相机组合的特殊性，提高标定精度，标定程序自动运行，不需要过多的人为干预，最后基于标定凸块的XYZ坐标一次性验证标定精度，虽然过程比较耗时，但是通常只需要标定一次。
附图说明
图1为本发明的标定方法的流程图。
图2为本发明实施装置的示意图。
图3为本发明进行不同Z轴位置进行相机标定图示。
图4为本发明进行不同Z轴位置进行相位-高度标定图示。
图5为本发明进行投影标定的流程图。
图6为本发明进行高度一致性补偿校准流程图。
图7为本发明进行标定验证的流程图。
附图说明
11 ~ 16 – 标定方法步骤；21 - 相机；22 - 投影装置23 - 标定板；24 – 基准点；25 - 不同高度的凸块标定点；31 – 相机标定板；41 – 投影标定板；51 ~ 56 –相位-高度标定步骤；61 ~ 69 – 高度一致性补偿校准步骤； 71 ~ 78 – 标定验证步骤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明，以详细说明本发明的技术方案。
附图1是本发明方法的流程图，主要流程包括:S1不同高度平面相机标定，S2参考图案相位-高度标定，S3不同高度平面相位-高度标定，S4若采用的为单频方法，基于路径的高度一致性校准补偿，S5标定参数融合，S6使用标定凸块进行精度验证。
附图2所示，本发明的标定实施装置由运动控制平台，面阵相机(可以有多个)，投影装置(可以有多个，可以是PZT加上如朗奇光栅、正弦光栅等光栅结构的模拟量投影或者是DMD/LCD/LCOS等数字投影)，若干标定装置(包括相机标定板，投影标定块，带若干个已知高度的凸块的标定块)及上位机(PC，嵌入式系统或者其他逻辑处理单元)组成。其中运动控制平台主要用于实现不同高度的相机标定和相位-高度标定，以及在标定验证时实现FOV点位拍摄；投影装置用于投射一组/几组正弦条纹到标定物或者检测物上，面阵相机拍摄正弦条纹图像；相机标定板用来相机标定，投影标定块用来相位-高度标定，带凸块的标定块用来标定后的验证。下面对本发明标定方法进行详细说明。
S1、附图3不同高度位置进行相机标定示意图，使用的相机标定板31类型不限；高度移动的间距可以保持一致，也可以不一致，但必须覆盖整个量测范围；要实现标定面到像面的相对高度变化，可以上下移动相机，也可以上下移动标定板，对于同一个位置，所有相机都需要进行拍摄。最终每个相机生成不同高度位置的标定参数，用于建立像素和物理坐标的映射关系。其中每个高度准确坐标位置是能够精确获取的，可以基于带电机定位装置（如编码器、光栅、磁栅等）获取。上位机需要拟合出像素坐标在不同高度位置的和物理坐标的映射关系。如下公式:
(X,Y)=f 1(u,v,Z)
其中X，Y，Z代表物理坐标，u，v代表图像像素坐标。
S2、每个投影装置投射一个参考图案到投影标定块上，所有相机都需要进行拍照取相，用于进行理论图案到实际投影面的几何变化。其中，投影标定块表面平整，既不能吸光也不能发生镜面反射，表面平整度精度要求在正负1um，平整度直接决定了整个3D重建的精度。
S3、附图4为不同高度位置进行相位-高度标定示意图，要实现标定面到投影面相对高度变化，可以上下移动投影装置，也可以上下移动投影标定块。每一组投影，所有相机都需要进行拍摄。上位机分别对于每一种投影/相机组合进行相位-高度标定，最终每个投影/相机都会得到一个投影映射参数，如下公式:
Φ=f 2(u,v,Z)
其中Z代表物理坐标，Φ代表解包裹相位，u，v代表图像像素坐标；
附图5为具体就是对于每组正弦条纹进行计算相位移，计算相对相位，再对相对相位解包裹，然后根据线性/多次项拟合计算解包裹相位到高度的映射，线性拟合可以采用分段拟合的方式，分段数量n可以由测高范围决定，中间范围内段数可以多写，两端段数可以相对少写；多次拟合包括但不限于二次项拟合的方式；
其中，相位-高度标定的高度间隔可以和相机标定一致，也可以不一致；在到达理论极限之前，一般间隔越小，精度越高，但是标定速度越慢；一般情况下取测量范围20等分作为高度间隔，以保证标定精度与速度的平衡；理论上相位-高度标定的高度间隔保持一致更能保证精度。
S4、附图6为高度一致性校准补偿流程图。当选择使用单频方法时，会存在相位还原导致的累积误差，为了解决该误差，基于相位的还原路径对所有的投影/相机组进行高度一致性补偿，分配标定块凸块在FOV不同的宫格位置，然后计算凸块的高度，根据正弦条纹光角度Ø和图像的中心点(W/2,H/2)建立标定补偿线L，L的计算公式为：y=x*tanØ+H/2-(W/ 2-tanØ)，其中W为图像的宽，H为图像的高。求出图像中标定点的位置(u i ,v i )、标定点到标定补偿线L的距离d i,j 以及测试高度H i,j 与点实际标准高度H standard 的比值k i,j 。以d i,j 为输入，k i,j 为输出，建立线性/多次项拟合模型，应用模型展开到整个FOV，更新点在不同FOV中的高度H i,j ’ 。循环执行步骤S6，直到H i,j ’ 和实际高度H standard 的差值小于预设的阈值精度。
S5、基于相机标定，相位-高度标定，参考图案标定，高度一致性补偿，每种相机/投影组合将产生4套标定校准参数，把4套参数融合在一起，有多少种投影/相机组合，就有多少套参数，如有3个投影装置，2个相机，就会产生6套参数。可以使用逐像素标定和最后平均高度一次性校正两种方法，前者得到的校正效果精度高，后者的性能高。
S6、附图7对每种投影/相机组合进行标定高度验证流程图，使用的标定块23所示，标定块多个已知(X,Y,Z)坐标的标定凸块（不同高度的凸块阶越多，效果越准确）以及一对坐标(X,Y)已知的基准点。首先上位机为基准点和标定凸块分配FOV，基准点和标定凸块需要保证在FOV中间，即(W/2,H/2)位置，FOV的拍摄顺序为先拍摄基准点再拍摄标定凸块，基准点的作用在于补偿标定块的水平偏移。运动控制机构控制整个装置按照指定的FOV顺序进行投影拍摄，最后计算出凸块的(X,Y,Z)位置信息，和实际的坐标进行对比，如果满足容差要求就退出，反之则需要增加取样或者调整参数后重新进行标定。
综上所述，建立了测量系统在全量程范围内的标定流程，可以一次性进行相机标定和相位-高度标定，有效抑制了系统的线性/非线性误差；提供了不同投影/相机组合不同的标定方案，最大程度适应每种投影/相机组合的特殊性，提高标定精度，标定程序自动运行，不需要过多的人为干预，最后基于标定凸块的X，Y，Z坐标一次性验证标定精度。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于正弦条纹相移轮廓术的标定方法及实施装置，该装置包括运动控制平台，面阵相机，投影装置(可以是PZT加上如朗奇光栅、正弦光栅等光栅结构的模拟量投影或者是DMD/LCD/LCOS等数字投影)，若干标定装置(包括相机标定板，投影标定块，带若干个已知高度的凸块的标定块)及上位机(PC，嵌入式系统或者其他逻辑处理单元)，该方法包括：
S1、在不同高度位置进行相机标定，要实现标定面到像面的相对高度变化，可以上下移动相机，也可以上下移动相机标定板，对于同一个位置，所有相机都需要进行拍摄，最终每个相机生成不同高度位置的标定参数，用于建立像素和物理坐标的映射关系；其中每个高度准确坐标位置是能够精确获取的，可以基于电机定位装置（包含编码器、光栅、磁栅等）获取；上位机需要拟合出像素坐标在不同高度位置的和物理坐标的映射关系，如下公式：
(X,Y)=f 1(u,v,Z)
其中X，Y，Z代表物理坐标，u，v代表图像像素坐标；
S2、每个投影机构投射一个参考图案到投影标定块上，所有相机都需要进行拍照取相，用于理论图案到实际投影面的几何变化；
S3、每个投影装置需要从不同高度位置进行投影，要实现标定面到投影面相对高度变化，可以上下移动投影装置，也可以上下移动投影标定块；每一组投影，所有相机都需要进行拍摄；上位机分别对于每一种投影/相机组合进行投影标定，具体就是对于每组正弦条纹进行计算相位移，计算相对相位，再对相对相位解包裹，然后根据线性/多次项拟合（线性拟合可以采用分段拟合的方式，分段数量n可以由测高范围决定；多次拟合包括但不限于二次项拟合的方式）计算解包裹相位到高度的映射，最终每个投影/相机都会得到一个投影映射参数，如下公式:
Φ=f 2(u,v,Z)
其中Φ代表解包裹相位，u，v代表图像像素坐标；
S4、当选择使用单频方法时，会存在相位还原导致的累积误差，为了解决该误差，基于相位的还原路径对所有的投影/相机组进行高度一致性补偿，分配标定块凸块在FOV不同的宫格位置，然后计算凸块的高度，根据正弦条纹光角度Ø和图像的中心点(W/2,H/2)建立标定补偿线L，L的计算公式为：y=x*tanØ+H/2-(W/2-tanØ)，其中W为图像的宽，H为图像的高；求出图像中标定点的位置(u i ,v i )、标定点到标定补偿线L的距离d i,j 以及测试高度H i,j 与点实际标准高度H standard 的比值k i,j ；以d i,j 为输入，k i,j 为输出，建立线性/多次项拟合模型，应用模型展开到整个FOV，更新点在不同FOV中的高度H i,j ’ ；循环执行步骤S6，直到H i,j ’ 和实际高度H standard 的差值小于预设的阈值精度；
S5、基于相机标定，相位-高度标定，参考图案标定，高度一致性补偿，每种相机/投影组合将产生4套标定校准参数，把4套参数融合在一起，有多少种投影/相机组合，就有多少套参数，如有3个投影装置，2个相机，就会产生6套参数；
S6、对每种投影/相机组合进行标定高度验证，标定块多个已知(X,Y,Z)坐标的标定凸块（不同高度的凸块越多，效果越准确）以及一对坐标(X,Y)已知的基准点；首先上位机为基准点和标定凸块分配FOV，基准点和标定凸块需要保证在FOV中间，即(W/2,H/2)位置，FOV的拍摄顺序为先拍摄基准点再拍摄标定凸块，基准点的作用在于补偿标定块的水平偏移；运动控制机构控制整个装置按照指定的FOV顺序进行投影拍摄，最后计算出凸块的(X,Y,Z)位置信息，和实际的坐标进行对比，如果满足容差要求就退出，反之则需要增加取样或者调整参数后重新进行标定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括：
S7、高度移动的间距可以保持一致，也可以不一致，但必须覆盖整个量测范围。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2，S3包括：
S8、投影标定块表面平整，既不能吸光也不能发生镜面反射，表面平整度精度要求在正负1um，平整度直接决定了整个3D重建的精度。
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