CN114964052A - 一种三维测量系统的标定和重建方法及三维测量系统 - Google Patents

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CN114964052A CN202210658337.6A CN202210658337A CN114964052A CN 114964052 A CN114964052 A CN 114964052A CN 202210658337 A CN202210658337 A CN 202210658337A CN 114964052 A CN114964052 A CN 114964052A
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刘晓利
杨洋
缪裕培
汤其剑
彭翔
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Abstract

本发明公开一种三维测量系统的标定和重建方法及三维测量系统，该方法包括：利用正交双方向的相位信息追踪成像装置的每个像素在测量空间中的对应的光线，构建第一损失函数以标定光线参数；将印有多个基准点的白底平面板作为投影接收平面标靶并将其在测量空间中以不同的姿态前后放置多个位置，投影机向其投射单方向相移条纹图案，成像装置采集对应的投影图像，构建第二损失函数，计算获取投影接收平面标靶的位姿参数；确定成像装置的每个像素的光线与投影接收平面标靶的交点的三维坐标及相位，拟合成像装置的像素光线的相位映射系数；建立查找表；采集投射图案后的被测物体的图像以获取相位值，根据查找表获取相位映射系数，计算被测物体的坐标。

Description

一种三维测量系统的标定和重建方法及三维测量系统
技术领域
本发明涉及三维成像技术领域，尤其涉及一种三维测量系统的标定和重建方法及三维测量系统。
背景技术
传统的条纹投影三维测量系统的标定方法主要基于透视投影模型，着重于系统内部参数的校准，需要严格分析成像系统内部光学布局、镜头畸变等因素来构建物点到系统像点的对应关系。最为经典的投影模型标定法是针孔相机模型，它将物像关系理想化为小孔成像，标定参数主要包括主点坐标和等效焦距，在考虑到镜头畸变的情况下，还包括径向畸变和切向畸变。针孔模型适用于装配常规镜头的相机标定，然而对于远心镜头、大广角镜头、光场相机和某些未知的成像系统难以适用。而且，对于存在非对称或畸变较大的镜头，多项式拟合的畸变模型也无法对其进行精确表征，使得传统的三维测量操作繁杂且精度低。
发明内容
本发明实施例提供了一种三维测量系统的标定和重建方法及三维测量系统，以简化操作，且提高光线标定和三维重建的精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种三维测量系统的标定和重建方法，其包括：成像装置像素光线标定：利用正交双方向的相位信息追踪成像装置的每个像素在测量空间中的对应的光线，构建第一损失函数以标定光线参数；其中，正交双方向是指水平和竖直方向，测量空间为成像装置清晰聚焦的视场和投影机的清晰投影区域交界处的区域；关联成像装置像素光线与投影相位：采用印有多个基准点的白底平面板作为投影接收平面标靶，将投影接收平面标靶在测量空间中依次以不同的姿态前后放置多个位置，投影机向各位姿的投影接收平面标靶投射单方向相移条纹图案，成像装置采集获取各位姿的投影接收平面标靶的投影图像，构建第二损失函数，计算获取各位姿的投影接收平面标靶的位姿参数；拟合成像装置的像素光线的相位映射系数：确定成像装置的每个像素的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点的三维坐标及相位，拟合成像装置的像素光线的相位映射系数；建立查找表：建立存储成像装置的像素光线的相位映射系数的查找表；三维重建：向被测物体投射单方向相移条纹图案，获取被测物体的表面的相位值，结合查找表，获取被测物体的表面的相位值对应的相位映射系数，计算获取被测物体的三维坐标。
其进一步技术方案为：所述成像装置像素光线标定的步骤具体包括以下步骤：将显示器在测量空间中依次以不同的姿态前后放置多个位置，显示器在每个位置上均显示正交双方向相移条纹图案，成像装置采集获取各位姿的显示器的正交双方向条纹图像；确定成像装置的每个像素的光线与各位姿的显示器的交点在显示器的显示平面的对应点，最小化成像装置的每个像素对应的光线与各位姿的显示器的交点和该交点在光线坐标系下的空间点之间的距离，构建第一函数，计算获取各位姿的显示器的位姿参数，标定成像装置的每个像素的光线的参数。
其进一步技术方案为：所述三维重建的步骤具体包括：投影机投射单方向相移条纹图案至被测物体的表面，根据成像装置采集获得的投射单方向相移条纹图案后的被测物体的图像利用相移法计算获取被测物体的表面的相位值；根据获得的被测物体的表面的相位值，结合查找表，获取被测物体的表面的相位值对应的相位映射系数；根据获得的相位值及对应的相位映射系数，计算被测物体的三维坐标。
其进一步技术方案为：所述关联成像装置像素光线与投影相位的步骤具体包括：将投影接收平面标靶在测量空间中依次以不同的姿态前后放置多个位置，投影机向各位姿的投影接收平面标靶投射单方向相移条纹图案，成像装置采集获取各位姿的投影接收平面标靶的投影图像；最小化各基准点的像点的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点和各位姿的投影接收平面标靶的各基准点在光线坐标系下的空间点之间的距离，构建第二损失函数，计算获取各位姿的投影接收平面标靶的最佳位姿参数。
第二方面，本发明实施例提供了一种三维测量系统，其包括成像装置、投影机、显示器及投影接收平面标靶，所述成像装置用于采集图像，所述投影机用于投射单方向相移条纹图案，其中，所述成像装置清晰聚焦的视场和投影机的清晰投影区域交界处的区域形成测量空间；所述显示器设于测量空间中，用于显示正交双方向相移条纹图案；所述投影接收平面标靶设于测量空间中，用于投影所述投影机投射的单方向相移条纹图案，所述投影接收平面标靶采用印有多个基准点的白底平面板。
其进一步技术方案为：所述显示器采用LCD显示器。
本发明提供的一种三维测量系统的标定和重建方法通过利用正交双方向的相位信息追踪成像装置的每个像素在测量空间中的对应的光线以对成像装置的每个像素对应的光线进行标定，只需确定成像景深范围内每个像素对应的光线方程，而无需考虑成像系统的结构布局，避免了严格分析和建立各个成像模型的复杂过程，也避免了镜头畸变近似表达而带来的精度损失；通过将成像装置的像素对应的光线与投影的相位相关联，以确定成像装置的每个像素的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点的三维坐标及相位，拟合成像装置的像素光线的相位映射系数，建立用于存储成像装置的像素光线的相位映射系数的查找表，根据成像装置采集获得的投影图案后的被测物体的图像获取被测物体的表面的相位值，结合查找表，获得对应的相位映射系数以直接计算被测物体的三维坐标，提高三维测量效率，具有对不同类型的条纹投影系统进行高精度标定的潜力，无需对三维测量系统的内部参数进行校准，无需对镜头畸变进行近似表征，且具有更高的标定精度和三维重建精度，操作简单，通用性强。本发明的三维测量系统也具有上述功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例提供的三维测量系统的标定和重建方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的三维测量系统的标定和重建方法的成像装置像素光线标定的步骤的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的三维测量系统的标定和重建方法的关联成像装置像素光线与投影相位的步骤的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的三维测量系统的标定和重建方法的三维重建的步骤的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的三维测量系统的示意性框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。在此本发明说明书中使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其他情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。在本发明说明书和所附权利要求书中使用的属于“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种三维测量系统的标定和重建方法的流程示意图。如1图所示，该方法包括以下步骤：
步骤S110、成像装置像素光线标定：利用正交双方向的相位信息追踪成像装置的每个像素在测量空间中的对应的光线，构建第一损失函数以标定光线参数；其中，正交双方向是指水平和竖直方向，成像装置可为相机，测量空间为成像装置清晰聚焦的视场和投影机的清晰投影区域交界处的区域。正交双方向的相位信息通过成像装置采集到的正交双方向条纹图像利用相移法计算获得，成像装置的各像素对应的光线的参数满足采用以下公式表示的空间直线方程：
Figure BDA0003689344950000051
式中，ij表示成像装置的像素的索引，
Figure BDA0003689344950000052
表示成像装置的各像素对应的光线，θij、
Figure BDA0003689344950000053
aij及bij分别表示像素对应的光线所在的空间直线的表达式系数，Xij、Yij及Zij表示像素对应的光线的点的坐标。
步骤S120、关联成像装置像素光线与投影相位：采用印有多个基准点的白底平面板作为投影接收平面标靶，将投影接收平面标靶在测量空间中依次以不同的姿态前后放置多个位置，投影机向各位姿的投影接收平面标靶投射单方向相移条纹图案，成像装置采集获取各位姿的投影接收平面标靶的投影图像，构建第二损失函数，计算获取各位姿的投影接收平面标靶的位姿参数。其中，基准点采用圆形基准点，基准点的数目可为99个，且分别均匀间隔分布于白色平面板上，通过投影接收平面标靶的基准点以为获取投影接收平面标靶的位姿参数提供空间约束。投影接收平面标靶放置的位置次数大于5，以保证标定精度。单方向相移条纹图案的单方向可为竖直方向，则单方向相移条纹图案可为竖直方向相移条纹图案。
步骤S130、拟合成像装置的像素光线的相位映射系数：确定成像装置的每个像素的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点的三维坐标及相位，拟合成像装置的像素光线的相位映射系数。
其中，所述步骤S130具体为：
根据成像装置采集获得的各位姿的投影接收平面标靶的投影图像利用相移法得到各位姿的投影接收平面标靶的绝对相位，计算获取成像装置各像素的对应的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点的相位值；根据第二损失函数计算获得的各位姿的投影接收平面标靶的位姿参数，计算获取成像装置的各像素对应的光线与投影接收平面标靶的交点的三维坐标；根据成像装置的各像素对应的光线与投影接收平面标靶的交点的三维坐标及相位值，拟合成像装置的像素光线的相位映射系数。
步骤S140、建立查找表：建立存储成像装置的像素光线的相位映射系数的查找表。其中，设置成像装置的各像素对应的光线的相位映射系数的查找表为：
Figure BDA0003689344950000072
，cn表示相位映射系数，Pij表示成像装置的各像素对应的光线上的点，
Figure BDA0003689344950000071
表示成像装置的各像素对应的光线所在的空间直线的表达式系数。
步骤S150、三维重建：向被测物体投射单方向相移条纹图案，获取被测物体的表面的相位值，结合查找表，获取被测物体的表面的相位值对应的相位映射系数，计算获取被测物体的三维坐标。
本发明三维测量系统的标定和重建方法通过利用正交双方向的相位信息追踪成像装置的每个像素在测量空间中的对应的光线以对成像装置的每个像素对应的光线进行标定，只需确定成像景深范围内每个像素对应的光线方程，而无需考虑成像系统的结构布局，避免了严格分析和建立各个成像模型的复杂过程，也避免了镜头畸变近似表达而带来的精度损失；通过将成像装置的像素对应的光线与投影的相位相关联，以确定成像装置的每个像素的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点的三维坐标及相位，拟合成像装置的像素光线的相位映射系数，建立用于成像装置的像素光线的相位映射系数的查找表，根据成像装置采集获得的投影图案后的被测物体的图像获取被测物体的表面的相位值，结合查找表，获得对应的相位映射系数以直接计算被测物体的三维坐标，提高三维测量效率，具有对不同类型的条纹投影系统进行高精度标定的潜力，无需对三维测量系统的内部参数进行校准，无需对镜头畸变进行近似表征，且具有更高的标定精度和三维重建精度，操作简单，通用性强。
结合图2，具体地，所述步骤S110具体包括：
步骤S111、将显示器在测量空间中依次以不同的姿态前后放置多个位置，显示器在每个位置上均显示正交双方向相移条纹图案，成像装置采集获取各位姿的显示器的正交双方向条纹图像。其中，正交双方向条纹图像是指成像装置采集的各位姿的显示器显示正交双方向相移条纹图案后获得的图像。正交双方向的相位信息可根据成像装置采集获取的各位姿的显示器的正交双方向条纹图像结合相移法计算获得。显示器为成像装置的每个像素的光线标定的相位靶，通过显示正交双方向相移条纹图案，以形成用相位信息编码的基准面，从而直接通过相位信息即可定位空间点在显示器的位置，无需通过插值法计算绝对相位，提高成像装置的像素的光线标定的效率。通过将显示器在测量空间中依次以不同的姿态前后移动多个位置，以保证光线标定的精度。所述显示器可采用LCD显示器。
步骤S112、确定成像装置的每个像素的光线与各位姿的显示器的交点在显示器的显示平面的对应点，最小化成像装置的每个像素对应的光线与各位姿的显示器的交点和该交点在光线坐标系下的空间点之间的距离，构建第一函数，计算获取各位姿的显示器的位姿参数，标定成像装置的每个像素的光线的参数。
其中，成像装置的任意一个像素对应的光线均与测量空间中的显示器相交，成像装置的每个像素对应的光线与各位姿的显示器的交点在显示器的显示平面上的对应点的三维坐标可通过成像装置的像素自身的正交双方向的相位获得，成像装置的像素自身的正交双方向的相位可根据成像装置采集获得的各位姿的显示器的正交双方向条纹图像结合相移法计算获得。成像装置的每个像素的光线与各位姿的显示器的交点在显示器的显示平面上的对应点可采用以下公式表示：
Figure BDA0003689344950000081
式中，
Figure BDA0003689344950000082
表示成像装置的每个像素对应的光线与各位姿的显示器的交点在显示器的显示平面上的对应点，ij表示像素的索引，i和j分别为像素在行和列的序号，N表示不同位姿的显示器的索引，上标L代表显示器。
成像装置的每个像素的光线与各位姿的显示器的交点在光线坐标系下的空间点可采用以下公式计算获得：
Figure BDA0003689344950000091
式中，
Figure BDA0003689344950000092
表示成像装置的每个像素对应的光线与各位姿的显示器的交点在光线坐标系下的空间点，
Figure BDA0003689344950000093
表示成像装置的每个像素对应的光线与各位姿的显示器的交点在显示器的显示平面上的对应点，ij表示像素的索引，i和j分别为像素在行和列的序号，N表示不同位姿的显示器的索引，上标L代表显示器，
Figure BDA0003689344950000094
表示第N个位姿的显示器的刚体变换矩阵，用于形容坐标系之间的转换，
Figure BDA0003689344950000095
表示第N个位姿的显示器相对于光线坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA0003689344950000096
表示第N个位姿的显示器相对于光线坐标系的平移矩阵。其中，光线坐标系是指成像装置的像素的光线上的任一点所在的坐标系。
最小化成像装置的每个像素对应的光线与各位姿的显示器的交点和该交点在光线坐标系下的空间点之间的距离，构建第一损失函数，以标定成像装置的各像素对应的光线的参数。标定光线的参数的关键在于确定各位姿的显示器所对应的位姿参数，利用光线的直线约束条件，构建第一损失函数，以计算获取各位姿的显示器的最佳位姿参数。第一损失函数可采用以下公式表示：
Figure BDA0003689344950000097
式中，f1表示第一损失函数，τ表示N个参与优化的显示器的位姿参数，
Figure BDA0003689344950000098
表示成像装置的每个像素的光线与各位姿的显示器的交点在光线坐标系下的空间点，
Figure BDA0003689344950000099
表示成像装置的每个像素对应的光线与位姿参数为
Figure BDA00036893449500000910
的显示器的交点，ij表示像素的索引，i和j分别为像素在行和列的序号，N表示不同位姿的显示器的索引，上标L代表显示器。
其中，理想情况下，当显示器的位姿参数正确时，成像装置的每个像素对应的光线与各位姿的显示器的交点和该交点在光线坐标系下的空间点重合，则成像装置的每个像素对应的光线与各位姿的显示器的交点和该交点在光线坐标系下的空间点之间的距离为零，即
Figure BDA0003689344950000101
结合根据第一损失函数计算获得的各位姿的显示器的最佳位姿参数，获取成像装置的每个像素对应的光线与最佳位姿参数对应的位姿的显示器的交点在光线坐标系下的空间点，对成像装置的每一像素对应的光线进行标定。
结合图3，所述步骤S120具体包括：
步骤S121、将投影接收平面标靶在测量空间中依次以不同的姿态前后放置多个位置，投影机向各位姿的投影接收平面标靶投射单方向相移条纹图案，成像装置采集获取各位姿的投影接收平面标靶的投影图像。
步骤S122、最小化各基准点的像点的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点和各位姿的投影接收平面标靶的各基准点在光线坐标系下的空间点之间的距离，构建第二损失函数，计算获取各位姿的投影接收平面标靶的最佳位姿参数。
其中，投影接收平面标靶的基准点是提前校准的，各基准点于各位姿的投影接收平面标靶的靶面的坐标采用以下公式表示：
Figure BDA0003689344950000102
式中，上标w表示投影接收平面标靶，m表示基准点的序号，上标T表示转置。
Figure BDA0003689344950000103
表示第m个基准点于投影接收平面标靶的靶面的坐标。
各位姿的投影接收平面标靶的各基准点在光线坐标系下的空间点可采用以下公式计算获得：
Figure BDA0003689344950000111
式中，m表示基准点的索引，k表示不同位姿的投影接收平面标靶的索引，上标w表示投影接收平面标靶，
Figure BDA0003689344950000112
表示第k个位姿的投影接收平面标靶的第m个基准点在光线坐标系下的空间点，
Figure BDA0003689344950000113
表示第m个基准点于第k个位姿的投影接收平面标靶的靶面的坐标，
Figure BDA0003689344950000114
表示第k个位姿的投影接收平面标靶的刚体变换矩阵，用于形容坐标系之间的转换，
Figure BDA0003689344950000115
表示第k个位姿的投影接收平面标靶相对于光线坐标系的旋转矩阵，
Figure BDA0003689344950000116
表示第k个位姿的投影接收平面标靶相对于光线坐标系的平移矩阵。
第二损失函数可采用以下公式表示：
Figure BDA0003689344950000117
式中，f2表示第二损失函数，τ′表示K个参与优化的投影接收平面标靶的位姿参数，
Figure BDA0003689344950000118
m表示基准点的序号，M表示基准点的总数目，k表示不同位姿的投影接收平面标靶的索引，K表示投影接收平面标靶移动的总的次数，为不同位姿的投影接收平面标靶的索引，上标w表示投影接收平面标靶，
Figure BDA0003689344950000119
表示各位姿的投影接收平面标靶的各基准点在光线坐标系下的空间点，
Figure BDA00036893449500001110
表示各基准点的像点的光线与位姿参数为
Figure BDA00036893449500001111
的投影接收平面标靶的交点，
Figure BDA00036893449500001112
表示各位姿的投影接收平面标靶的各基准点的像点对应的光线。
结合根据第二损失函数计算获得的各位姿的投影接收平面标靶的最佳位姿参数，获取最佳位姿参数对应的位姿的投影接收平面标靶的基准点在光线坐标系下的空间点。
根据以下公式计算投影接收平面标靶在相机坐标系下的平面参数：
Figure BDA0003689344950000121
式中，
Figure BDA0003689344950000122
表示测量空间中第k个位姿的投影接收平面标靶在相机坐标系下的平面参数，下标c表示相机坐标系，
Figure BDA0003689344950000123
表示测量空间中第k个位姿的投影接收平面标靶在世界坐标系下的平面参数，其中，
Figure BDA0003689344950000124
H-T表示相机坐标系和世界坐标系之间的刚体变换矩阵的逆后转置，
Figure BDA0003689344950000125
表示测量空间中第k个位姿的投影接收平面标靶的旋转矩阵R的第三列向量，上标T表示转置，tk表示测量空间中第k个位姿的投影接收平面标靶在相机坐标系下的外参，r3 k表示测量空间中第k个位姿的投影接收平面标靶的旋转矩阵R的第三列数。
通过计算获得的投影接收平面标靶的空间平面参数，以计算成像装置的各像素对应的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点在光线坐标系下的空间点的三维坐标。
结合图4，所述步骤150具体包括：
步骤S151、投影机投射单方向相移条纹图案至被测物体的表面，根据成像装置采集获得的投影单方向相移条纹图案后的被测物体的图像利用相移法计算获取被测物体的表面的相位值。
步骤S152、根据获得的被测物体的表面的相位值，结合查找表，获取被测物体的表面的相位值对应的相位映射系数。
步骤S153、根据获得的相位值及对应的相位映射系数，计算被测物体的三维坐标。
其中，在投影机坐标系下光线上的点的深度与相位的映射关系可采用以下公式表示：
Figure BDA0003689344950000131
式中，cn表示相位映射系数，代指深度，
Figure BDA0003689344950000132
表示相位，下标p表示投影机坐标系，N表示多项式阶数，n∈N。
根据公式(9)结合公式(1)可计算获得在投影机坐标系下光线上的该点对应的坐标，再通过坐标系转换即可获得该点在光线坐标系下的对应的空间点的三维坐标，从而获得被测物体的三维坐标。
请参阅图5，图5是本发明实施例提供的一种三维测量系统的示意性框图，如图5所示，所述三维测量系统10包括成像装置11、显示器12、投影机13及投影接收平面标靶14，所述成像装置11用于采集图像，所述投影机13用于投射单方向相移条纹图案，其中，所述成像装置11清晰聚焦的视场和投影机13的清晰投影区域交界处的区域形成测量空间；所述显示器12设于测量空间中，用于显示正交双方向相移条纹图案，所述投影接收平面标靶14设于测量空间中，用于投影所述投影机13投射的单方向相移条纹图案，所述投影接收平面标靶14采用印有多个基准点的白底平面板。图中的箭头为信息传递方向。
本发明三维测量系统通过于成像装置清晰聚焦的视场和投影机的清晰投影区域交界处的区域形成测量空间中设置用于显示正交双方向相移条纹图案的显示器，将显示器以不同的姿态前后移动多个位置并利用成像装置采集获取对应的正交双方向条纹图像，以利用正交双方向的相位信息追踪成像装置的每个像素在测量空间中的对应的光线以对成像装置的每个像素对应的光线进行标定；采用印有多个基准点的白底平面板作为投影接收平面标靶以替换显示器，配合投影机投影的单方向相移条纹图案，成像装置采集对应的图像，以将成像装置的像素对应的光线与投影的相位相关联，以确定成像装置的每个像素的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点的三维坐标及相位，拟合成像装置的像素光线的相位映射系数，建立用于存储成像装置的像素光线的相位映射系数的查找表，根据成像装置采集获得的投影图案后的被测物体的图像获取被测物体的表面的相位值，结合查找表，获得对应的相位映射系数以可直接计算被测物体的三维坐标，提高三维测量效率，具有对不同类型的条纹投影系统进行高精度标定的潜力，无需对三维测量系统的内部参数进行校准，无需对镜头畸变进行近似表征，且具有更高的标定精度和三维重建精度，通用性强。
优选地，所述显示器11可采用LCD显示器。
综上所述，本发明三维测量系统的标定和重建方法通过利用正交双方向的相位信息追踪成像装置的每个像素在测量空间中的对应的光线以对成像装置的每个像素对应的光线进行标定，只需确定成像景深范围内每个像素对应的光线方程，而无需考虑成像系统的结构布局，避免了严格分析和建立各个成像模型的复杂过程，也避免了镜头畸变近似表达而带来的精度损失；通过将成像装置的像素对应的光线与投影的相位相关联，以确定成像装置的每个像素的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点的三维坐标及相位，拟合成像装置的像素光线的相位映射系数，建立用于存储成像装置的像素光线的相位映射系数的查找表，根据成像装置采集获得的投影图案后的被测物体的图像获取被测物体的表面的相位值，结合查找表，获得对应的相位映射系数以可直接计算被测物体的三维坐标，提高三维测量效率，具有对不同类型的条纹投影系统进行高精度标定的潜力，无需对三维测量系统的内部参数进行校准，无需对镜头畸变进行近似表征，且具有更高的标定精度和三维重建精度，通用性强。本发明的三维测量系统也具有上述功能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种三维测量系统的标定和重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
成像装置像素光线标定：利用正交双方向的相位信息追踪成像装置的每个像素在测量空间中的对应的光线，构建第一损失函数以标定光线参数；其中，正交双方向是指水平和竖直方向，测量空间为成像装置清晰聚焦的视场和投影机的清晰投影区域交界处的区域；
关联成像装置像素光线与投影相位：采用印有多个基准点的白底平面板作为投影接收平面标靶，将投影接收平面标靶在测量空间中依次以不同的姿态前后放置多个位置，投影机向各位姿的投影接收平面标靶投射单方向相移条纹图案，成像装置采集获取各位姿的投影接收平面标靶的投影图像，构建第二损失函数，计算获取各位姿的投影接收平面标靶的位姿参数；
拟合成像装置的像素光线的相位映射系数：确定成像装置的每个像素的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点的三维坐标及相位，拟合成像装置的像素光线的相位映射系数；
建立查找表：建立存储成像装置的像素光线的相位映射系数的查找表；
三维重建：向被测物体投射单方向相移条纹图案，获取被测物体的表面的相位值，结合查找表，获取被测物体的表面的相位值对应的相位映射系数，计算获取被测物体的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的三维测量系统的标定和重建方法，其特征在于，所述成像装置像素光线标定的步骤具体包括以下步骤：
将显示器在测量空间中依次以不同的姿态前后放置多个位置，显示器在每个位置上均显示正交双方向相移条纹图案，成像装置采集获取各位姿的显示器的正交双方向条纹图像；
确定成像装置的每个像素的光线与各位姿的显示器的交点在显示器的显示平面的对应点，最小化成像装置的每个像素对应的光线与各位姿的显示器的交点和该交点在光线坐标系下的空间点之间的距离，构建第一函数，计算获取各位姿的显示器的位姿参数，标定成像装置的每个像素的光线的参数。
3.根据权利要求1所述的三维测量系统的标定和重建方法，其特征在于，所述三维重建的步骤具体包括：
投影机投射单方向相移条纹图案至被测物体的表面，根据成像装置采集获得的投影单方向相移条纹图案后的被测物体的图像利用相移法计算获取被测物体的表面的相位值；
根据获得的被测物体的表面的相位值，结合查找表，获取被测物体的表面的相位值对应的相位映射系数；
根据获得的相位值及对应的相位映射系数，计算被测物体的三维坐标。
4.根据权利要求1所述的三维测量系统的标定和重建方法，其特征在于，所述关联成像装置像素光线与投影相位的步骤具体包括：
将投影接收平面标靶在测量空间中依次以不同的姿态前后放置多个位置，投影机向各位姿的投影接收平面标靶投射单方向相移条纹图案，成像装置采集获取各位姿的投影接收平面标靶的投影图像；
最小化各基准点的像点的光线与各位姿的投影接收平面标靶的交点和各位姿的投影接收平面标靶的各基准点在光线坐标系下的空间点之间的距离，构建第二损失函数，计算获取各位姿的投影接收平面标靶的最佳位姿参数。
5.一种三维测量系统，其特征在于，包括：
成像装置，用于采集图像；
投影机，用于投射单方向相移条纹图案，其中，所述成像装置清晰聚焦的视场和投影机的清晰投影区域交界处的区域形成测量空间；
显示器，设于测量空间中，用于显示正交双方向相移条纹图案；
投影接收平面标靶，设于测量空间中，用于投影所述投影机投射的单方向相移条纹图案，所述投影接收平面标靶采用印有多个基准点的白底平面板。
6.根据权利要求5所述的三维测量系统，其特征在于，所述显示器采用LCD显示器。
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