CN114666480B - 基于相位信息的组合成像系统入射光线逐像素标定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相位信息的组合成像系统入射光线逐像素标定方法及装置。利用N个成像系统拍摄同一立体靶标相位物体投射的相位信息，所述N≥2，通过相移法解算N个成像系统每个像素抓拍到的相位物体的绝对相位位置1；利用立体靶标的位移装置将相位物体依次在空间中移动预设距离，重复步骤一获得当前位置的N个成像系统的每个像素抓拍到的相位物体的绝对相位位置2，3，…，M；将N个成像系统的每个像素对应的绝对相位位置1，2，3，…，M进行空间直线拟合，标定出N个成像系统的每个像素对应的入射光线在空间中的分布情况。本发明使N个成像系统中的内参与外参在该方法中可以同时完成标定，不需要额外的标定步骤与优化过程。
Description
技术领域
本发明属于精密视觉测量领域，尤其涉及基于相位信息的组合成像系统入射光线逐像素标定方法及装置。
背景技术
精密视觉测量中，其测量精度依赖于对相机每个像素对应的入射至成像系统光线的标定准确程度。针对非远心成像系统的传统标定方法，是将每个像素对应的入射光线情况抽象为小孔模型，并用带有圆形等特征图案的靶标获取像素与空间的对应关系。传统的标定方法有Tsai R(A versatile camera calibration technique for high-accuracy3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses[J].IEEEJournal on Robotics and Automation,1987,3(4):323-344.)的Tsai氏两步标定法，Zhang Z(Aflexible new technique for camera calibration[J].IEEE Transactionson pattern analysis and machine intelligence,2000,22(11):1330-1334.)的张正友标定法。
然而针对非远心成像系统，其光瞳具有一定尺寸，因此会导致系统存在光瞳像差，即视觉系统中每个像素对应的入射光线并不一定全经过光瞳中心。CN 111862237使用带有圆形特征图案的可移动靶标来标定带有光瞳偏移量的入射光线，然而由于靶标上的圆形特征图案在空间中分布稀疏，需要通过三角网格法的线性插值才能完成逐像素的标定。HuangL等(Zhang Q,Asundi A.Camera calibration with active phase target:improvementon feature detection and optimization[J].Optics letters,2013,38(9):1446-1448.),提出使用可移动的相位物体来对相机进行标定，通过相位物体可以提供逐像素的稠密的物像对应特征点的特性，完成成像系统的标定。然而该方法依然忽视了光瞳像差的影响，认为入射光线全部经过光瞳中心。
针对远心成像系统，现有的标定方法仍然认为入射至远心成像系统的光线皆平行。Li D等(Tian J.An accurate calibration method for a camerawith telecentriclenses[J].Optics and Lasers in Engineering,2013,51(5):538-541.)文献中的标定方法，仍然使用带有圆形特征图案的靶标进行标定。然而由于像差的存在，入射至远心成像系统的光线不可能全部平行，而是应该呈有一定夹角的分布。如果想高精度的获取每个像素对应入射光线情况，仍应使用相位物体来提供逐像素的稠密的物像关系。
此外，现有标定方法不仅对入射至成像系统光线分布的物理模型具有一定的局限性，而且其在多目视觉测量完成多个成像系统之间位置关系的标定中，需要分别完成入射至成像系统光线分布情况的标定(内参标定)与多个成像系统空间相对位置的标定(外参标定)。如Chen Z等(Liao H,Zhang X.Telecentric stereo micro-vision system:Calibration method and experiments[J].Optics and Lasers in Engineering,2014,57:82-92.)在双目远心成像系统中，使用多组平面靶标完成每个远心成像系统的内参标定，用单独一组平面靶标图片来确定两个远心成像系统的几何关系来完成外参标定。由于内参标定与外参标定是两个相对独立的过程，因此无论是内参标定还是外参标定，其中引入的误差都会影响系统的测量精度。FurukawaY与Ponce J(Accurate camera calibrationfrom multi-view stereo and bundle adjustment[J].International JournalofComputer Vision,2009,84(3):257-268.)引入光束平差法，借助已知观测量来优化内参与外参参数，以减少误差的影响。但是，标定过程中的误差往往不是高斯分布，导致光束平差法在优化过程往往难以收敛到全局最优解。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明提供了一种基于相位信息的组合成像系统入射光线逐像素标定方法及装置，基于相位信息，脱离了传统小孔模型与平行入射模型并考虑像差，能够对组合成像系统中的非远心或远心成像系统的入射光线分布情况(内参)与成像系统之间的相对位置关系(外参)进行逐像素标定。
第一方面，本发明提供了一种基于相位信息的组合成像系统入射光线逐像素标定方法，包括以下步骤：
步骤一、N个成像系统拍摄同一立体靶标相位物体投射的相位信息，所述N≥2，通过相移法解算N个成像系统每个像素抓拍到的相位物体的绝对相位位置1；
步骤二、利用立体靶标的位移装置将相位物体依次在空间中移动预设距离，重复步骤一获得当前位置的N个成像系统的每个像素抓拍到的相位物体的绝对相位位置2，3，…，M；
步骤三、将N个成像系统的每个像素对应的绝对相位位置1，2，3，…，M进行空间直线拟合，标定出N个成像系统的每个像素对应的入射光线在空间中的分布情况。
本发明利用相位物体提供的稠密物像关系，实现逐像素标定。摆脱了使用如圆形特征图案只能提供稀疏物像关系的缺点。使用稀疏物像关系的标定方式需要利用插值来实现逐像素标定的完成，插值过程会引入不确定性，从而反映在标定精度的下降。使用相位物体，可以通过相位信息实现逐像素的物像对应关系，不需要插值，因此精度高、不确定度低。
进一步地，待标定成像系统，可以是有焦的非远心成像系统，无焦的远心成像系统、散焦成像系统。
本发明充分考虑成像系统像差的入射光线分布精确标定。针对非远心成像系统，考虑光瞳像差导致的入射光线不过光瞳中心的物理事实；针对远心成像系统，考虑像差导致的入射光线不平行的物理事实。利用相位物体完成对入射光线空间分布的准确标定。
进一步地，相位物体的一系列物理空间位置，可以是等距的、不等距的、随机间距的。
进一步地，相位信息可以是正弦相位信息、方波相位信息、三角波相位信息。
进一步地，相移法解算算法，可以是时间相位解包裹算法、空间相位解包裹算法、傅立叶相位解包裹算法、最小二乘相位解包裹算法。
进一步地，每个像素对应的一系列空间点坐标进行空间直线拟合方法，可以是线性最小二乘法、非线性最小二乘法、主成份分析法、奇异值分解法。
第二方面，本发明提供了一种基于远心成像系统的光学系统透射波前测量装置，包括：
相位物体、用于向成像系统投射相位信息；
位移机构、所述相位物体固定于位移机构，位移机构将相位物体移动至物理空间中的不同位置；
N个相机、N≥2，用于采集相位物体显示的相位信息；
N个成像系统、N≥2，每一成像系统对应连接一相机；
计算机、所述计算机分别与相位物体以及N个相机连接，所述计算机控制相位物体及N个相机，并进行计算以获得测量结果。
进一步地，相位物体可以是平面相位物体、带有面形的曲面相位物体。
进一步地，位移机构可以是单轴线性位移台、多轴线性位移台、龙门机械手、单轴回转台、多轴回转台及复合运动结构。
进一步地，待标定的成像系统，可以是非远心镜头、远心镜头、多反光学系统、折反光学系统。
本发明的优点和有益效果：
本发明对组合成像系统中每个成像系统进行逐像素标定的同时，每个成像系统之间的位置关系也能被该方法准确标定。也就是说，组合成像系统中的内参与外参在本发明方法中可以同时完成标定，不需要额外的标定步骤与优化过程。
附图说明
图1为本发明组合成像系统入射光线逐像素标定原理示意图；
图2为本发明实施例组合成像系统FA镜头入射光线逐像素标定结果中入射光线偏离光瞳中心情况图；
图3为本发明实施例组合成像系统远心镜头入射光线逐像素标定结果中入射光线分布情况图；
图4为本发明实施例组合成像系统远心镜头入射光线逐像素标定结果中入射光线与光轴的夹角图；
图5为本发明实施例组合成像系统逐像素标定结果示意图。
图中：1为第一相机、2为第二相机，3为FA镜头，4为远心镜头，5为液晶显示器，6为电控直线滑台，7为计算机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明提供了一种基于相位信息的组合成像系统入射光线逐像素标定方法，包括以下步骤：
步骤一、N个成像系统拍摄同一立体靶标相位物体投射的相位信息，所述N≥2，通过相移法解算N个成像系统每个像素抓拍到的相位物体的绝对相位位置1；
步骤二、利用立体靶标的位移装置将相位物体依次在空间中移动预设距离，重复步骤一获得当前位置的N个成像系统的每个像素抓拍到的相位物体的绝对相位位置2，3，…，M；
步骤三、将N个成像系统的每个像素对应的绝对相位位置1，2，3，…，M进行空间直线拟合，标定出N个成像系统的每个像素对应的入射光线在空间中的分布情况。
如图1所示，一种基于相位信息的组合成像系统入射光线逐像素标定装置，包括：计算机7，计算机7分别连接一台连接第一相机1、第二相机2、一台24英寸白光平面液晶显示器5和一台位置反馈分辨率为0.25微米的电控直线滑台6。一枚通过标准C接口紧固在第一相机1上标称焦距为8mm的FA镜头3，一枚通过标准C接口紧固在第二相机2上的远心镜头4。其中，液晶显示器5通过机械结构固定在电控直线滑台6上；计算机7控制带反馈的电控直线滑台6用来将液晶显示器5移动至不同位置，并在液晶显示器5上投射相移正弦条纹，进而控制第一相机1、第二相机2采集液晶显示器5在不同位置下，投射的正弦条纹信息，最终逐像素计算入射至由第一相机1、第二相机2、FA镜头3、远心镜头4组成的组合成像系统的入射光线标定结果。
采用上述基于相位信息的组合成像系统入射光线逐像素标定方法，具体步骤如下：
(1)搭建测量装置：
将计算机7与第一相机1、第二相机2、液晶显示器5和电控直线滑台6连接。将液晶显示器5通过机械结构刚性固定在电控直线滑台6台面上。将FA镜头3通过标准C接口紧固在第一相机1上。将远心镜头4通过标准C接口紧固在第二相机2上。
(2)对搭建的测量装置进行标定：
以液晶显示器5的水平方向作为物理空间的x轴，以液晶显示器5的竖直方向作为物理空间的y轴，以电控直线滑台6的运动方向作为物理空间的z轴。以当电控直线滑台6位置反馈为0，液晶显示器5的第一行第一列像元中心设置为物理空间坐标原点O。x，y，z三轴的正交性由三坐标测量机校正。将电控直线滑台6带着液晶显示器5移动至六个位置，在六个位置分别显示相移正弦条纹。使用《Huntley J M,Saldner H.Temporal phase-unwrapping algorithm for automated interferogram analysis[J].Applied Optics,1993,32(17):3047-3052.》中的时间相位解包裹算法，获得第一相机1和第二相机2每个像素x对应拍摄到的液晶显示器5像元X的位置。
本实施例根据时间相位解包裹算法，在液晶显示器5上投影1至10共10组单频率条纹I1(x)，其中每组条纹通过如公式(1)中的四步相移法求解包裹在[-π,+π)之间的包裹相位φ(x)：
其中，n为相移步数。
相机每个像素x对应拍摄到的液晶显示器5像元X的位置关系可在对包裹相位φ(x)进行解包裹后的绝对相位中获得，绝对相位/>与包裹相位φ(x)的关系如下：
为了获得公式(2)中的系数k(x)，利用不同组频率条纹之间的相位关系，定义频率t下绝对相位与包裹相位φ(x,t)的关系如下：
则第10组频率下屏幕像元X的位置与其对应的相机每个像素x的关系f(x)可由公式(4)计算得到：
其中，系数ν(x,10)可由公式(5)计算，其中round(·)表示对小数进行四舍五入取整：
相位解包裹算法获得的屏幕x与y方向上的绝对相位坐标信息及电控直线滑台4反馈的液晶显示器5在六个位置的z值信息，可以确定相机每个像素坐标(u,v)对应的入射至组合成像系统的光线在坐标系下经过的点集P(u,v)＝{(xi,yi,zi):i∈[1,6]}。
(3)定义每个像素对应(u,v)对应的入射至成像系统光线为/>其中/>为该直线上的锚点，/>为该直线的向量，t为该直线参量参数。锚点可通过点集的重心坐标求取：
其中分别为点集xi,yi,zi坐标的平均值，该直线向量/>为计算公式(7)中协方差矩阵K的最大特征矢量。
最终对入射至组合成像系统中FA镜头3光线的逐像素标定结果如图2所示。不难发现，所有入射光线并不通过同一光瞳中心。入射至组合成像系统中远心镜头4光线的逐像素标定结果如图3所示。每根光线与近似光轴的夹角如图4所示。可见远心成像系统的入射光线成一定夹角，并不平行。
上述第一相机1和FA镜头3组成的非远心成像系统与第二相机2和远心镜头4组成的远心成像系统的标定过程中，使用的是物理空间中的同一液晶显示器5和电控直线滑台6组成的三维靶标。因而入射至两个成像系统的光线位于同一坐标系，不再需要额外的标定与计算将这两个成像系统的坐标系进行统一。第一相机1和FA镜头3组成的非远心成像系统与第二相机2和远心镜头4组成的远心成像系统之间的相对位置关系及逐像素标定结果如图5所示。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于相位信息的组合成像系统入射光线逐像素标定方法，包括如下步骤：
步骤一、N个成像系统拍摄同一立体靶标相位物体投射的相位信息，所述N≥2，通过相移法解算N个成像系统每个像素抓拍到的相位物体的绝对相位位置1；
步骤二、利用立体靶标的位移装置将相位物体依次在空间中移动预设距离，重复步骤一获得当前位置的N个成像系统的每个像素抓拍到的相位物体的绝对相位位置2，3，…，
M；
步骤三、将N个成像系统的每个像素对应的绝对相位位置1，2，3，…，M进行空间直线拟合，标定出N个成像系统的每个像素对应的入射光线在空间中的分布情况；定义每个像素对应(u,v)对应的入射至成像系统光线为/>其中/>为该直线上的锚点，/>为该直线的向量，t为该直线参量参数，锚点通过点集的重心坐标求取：
其中分别为点集xi,yi,zi坐标的平均值。
2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述的成像系统为有焦的非远心成像系统、无焦的远心成像系统或散焦成像系统。
3.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，每次相位物体在空间中移动的预设距离为等距或不等距的。
4.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述相位信息为正弦相位信息、方波相位信息或三角波相位信息。
5.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述相移法解算算法为时间相位解包裹算法、空间相位解包裹算法、傅立叶相位解包裹算法或最小二乘相位解包裹算法。
6.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述空间直线拟合方法为线性最小二乘法、非线性最小二乘法、主成份分析法或奇异值分解法。
7.一种应用权利要求1所述标定方法的标定装置，包括：
相位物体、用于向成像系统投射相位信息；
位移机构、所述相位物体固定于位移机构，位移机构将相位物体移动至物理空间中的不同位置；
N个相机、N≥2，用于采集相位物体显示的相位信息；
N个成像系统、N≥2，每一成像系统对应连接一相机；
计算机、所述计算机分别与相位物体以及N个相机连接，所述计算机控制相位物体及N个相机，并进行计算以获得测量结果。
8.根据权利要求7所述的标定装置，其特征在于，所述相位物体为平面相位物体或带有面形的曲面相位物体。
9.根据权利要求7所述的标定装置，其特征在于，所述位移机构为单轴线性位移台、多轴线性位移台、龙门机械手、单轴回转台、多轴回转台或复合运动结构。
10.根据权利要求7所述的标定装置，其特征在于，所述成像系统为非远心镜头、远心镜头、多反光学系统或折反光学系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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