CN115375773A - 单目激光散斑投影系统的外参数标定方法和相关装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例中公开了一种单目激光散斑投影系统的外参数标定方法和相关装置。该单目激光散斑投影系统的外参数标定方法利用曲面标定板计算空间曲面方程，并根据该空间曲面方程计算同名散斑点的三维坐标；然后根据所述同名散斑点的三维坐标估算所述激光散斑投射器的光心和光轴位置；最后根据预设的激光散斑投射器坐标系，计算所述相机和所述激光散斑投射器之间的位姿关系，利用该位姿关系计算同名散斑直线与投射器虚拟像面交点，进而生成激光散斑投射器的虚拟散斑图像，从而实现单目激光散斑投影系统的外参数标定。该单目激光散斑投影系统的外参数标定方法有利于显著提高外参数标定的测量效率，且可显著提高测量精度。

Description

单目激光散斑投影系统的外参数标定方法和相关装置

技术领域

本申请涉及计算机视觉领域，尤其涉及一种单目激光散斑投影系统的外参数标定方法和装置。

背景技术

高精度的深度测量是计算机视觉领域中重要的研究课题之一。传统的深度测量方法主要包括飞行时间(ToF,Time-of-Flight)方法和双目立体视觉方法。

其中，ToF方法通过测量调制光的飞行时间或者相位变换来获得目标的深度信息，ToF方法通常具有受环境光影响较小、测量速度快、能实现远距离测量等优势。然而，ToF方法的测量精度只能达到厘米量级，这无法满足一些高精度测量任务的需求。

其中，双目立体视觉方法通过匹配两个处于不同位置处相机拍摄得到的图像对来获取目标区域的视差图，从而得到待测目标的深度信息。这种方法通常使用块匹配或半全局匹配算法来搜索图像对的相似区域，能够实现亚像素级别的匹配精度。由于双目立体视觉方法根据视觉特征来进行图像匹配，所以对于环境光变化明显或缺乏纹理特征的场景会出现匹配困难，进而导致匹配误差较大甚至匹配失败。此外，图像特征提取与匹配过程导致的庞大计算量限制了其在实时测量领域的应用。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种单目激光散斑投影系统的外参数标定方法和装置。

第一方面，本申请实施例提供了一种单目激光散斑投影系统的外参数标定方法，所述方法可包括：

在单目激光散斑投影系统下采集相机标定图像，所述单目激光散斑投影系统包括相机和激光散斑投射器；

根据所述相机标定图像标定相机参数；

在所述单目激光散斑投影系统下采集散斑图像；

根据所述相机参数提取所述散斑图像的标志特征，并计算所述单目激光散斑投影系统使用的标定板的空间曲面方程，所述标定板设有至少三个标志特征；

根据所述散斑图像获取同名散斑点；

根据所述标定板的空间曲面方程计算所述同名散斑点的三维坐标；根据所述同名散斑点的三维坐标估算所述激光散斑投射器的光心和光轴位置；

根据预设的激光散斑投射器坐标系，计算所述相机和所述激光散斑投射器之间的位姿关系；

根据所述位姿关系计算同名散斑直线与投射器虚拟像面的交点，生成所述激光散斑投射器虚拟图像。

在一些可能的实施方式中，所述标志特征为对角标志，所述标定板为球面标定板，所述计算所述标定板的空间曲面方程，包括：

在所述标定板的中心区域布置一个对角标志，确定通过该对角标志的两条相互垂直，弧长为完整球周长的闭合曲线；在有限面积的所述球面标定板上，沿所述两条闭合曲线各布置若干个对角标志，其中，所述球面标定板上至少有三个对角标志；在所述标定板上建立对应的世界坐标系，以中心区域的对角标志为坐标系原点，其中，x轴和y轴分别朝上述闭合曲线的切线方向沿伸，z轴垂直球面标定板向外；设x轴正方向对应的闭合曲线上的对角标志与中心对角标志之间的弧长为L，球面标定板的半径为r，所述对角标志在世界坐标系中的三维坐标(X_w,Y_w,Z_w)表示为：

其中，所述对角标志的像素坐标(u,v)与所述世界坐标系的三维坐标(X_w,Y_w,Z_w)之间的关系表示为：

其中，K_c为所述相机的内参数矩阵，s为比例系数，R为旋转矩阵，T为待平移向量，其中，R_3×2仅包含R中的第一列和第三列元素；

其中，对角标志在相机坐标系中的三维坐标(X_c,Y_c,Z_c):

其中，所述标定板在所述相机坐标系中的空间球面方程通过最小二乘法拟合得到。

在一些可能的实施方式中，所述计算所述同名散斑点的三维坐标，包括：

根据散斑像点坐标(u,v)和所述相机参数，计算出所述散斑像点在相机坐标系中的等效三维坐标(X_c,Y_c,Z_c)为：

其中，(C_x,C_y)表示所述相机的主点坐标，d_x表示像元x方向尺寸，d_y表示像元y方向尺寸，f表示相机焦距；

通过所述散斑像点与所述相机坐标系原点的空间直线方程表示为：

根据所述空间直线方程与所述标定板的空间曲面方程，计算得到包括所述同名散斑点的三维坐标的对应三维坐标集。

在一些可能的实施方式中，所述计算所述相机和所述激光散斑投射器之间的位姿关系，包括：激光散斑投射器光轴在相机坐标系中的归一化方向向量为V_c＝[v_x,v_y,v_z]^T，其中，在所述激光散斑投射器坐标系中表示为V_p＝[0,0,1]^T，其中，两者的关系能够表示为：

计算出A_x和A_y：

选取一个预设的A_z值，计算得到旋转矩阵R，其中，A_x、A_y、A_z为所述旋转矩阵R的欧拉角；

激光散斑投射器的光心在所述相机坐标系中的坐标为(x_p,y_p,z_p)，激光散斑投射器的光心在所述激光散斑投射器坐标系中的坐标为(0,0,0)，两者的关系能够表示为：

计算得到平移向量T，其中，

在一些可能的实施方式中，所述生成所述激光散斑投射器虚拟图像，包括：计算所有同名散斑直线与激光散斑投射器虚拟像面的交点，并将所述交点转化为图像像点坐标，从而生成所述激光散斑投射器的虚拟图像。

在一些可能的实施方式中，所述方法还包括：在所述生成所述激光散斑投射器虚拟图像之后，将所述激光散斑投射器作为第二相机来使用，所述第二相机与所述单目激光散斑投影系统中的所述相机组成双目相机系统。

第二方面，本申请实施例还提供一种单目激光散斑投影系统的外参数标定装置，包括：

相机标定图像采集模块，用于在单目激光散斑投影系统下采集相机标定图像，所述单目激光散斑投影系统包括相机和激光散斑投射器；

相机参数标定模块，用于根据所述相机标定图像标定相机参数；

散斑图像采集模块，用于在所述单目激光散斑投影系统下采集散斑图像；

空间曲面方程计算模块，用于根据所述相机参数提取所述散斑图像的标志特征，并计算所述单目激光散斑投影系统使用的标定板的空间曲面方程，所述标定板设有至少三个标志特征；

同名散斑点获取模块，用于根据所述散斑图像获取同名散斑点；

同名散斑点计算模块，用于根据所述标定板的空间曲面方程计算所述同名散斑点的三维坐标；

光心光轴估算模块，用于根据所述同名散斑点的三维坐标估算所述激光散斑投射器的光心和光轴位置；

位姿关系计算模块，用于根据预设的激光散斑投射器坐标系，计算所述相机和所述激光散斑投射器之间的位姿关系；

虚拟散斑图像生成模块，用于根据所述位姿关系计算同名散斑直线与投射器虚拟像面的交点，生成所述激光散斑投射器虚拟图像。

第三方面，本申请提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机可读指令，所述处理器执行所述计算机可读指令时可以执行如第一方面所述单目激光散斑投影系统的外参数标定方法的步骤。

第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时可以实现如第一方面任一项所述单目激光散斑投影系统的外参数标定方法的步骤。

在本申请实施例中，本申请利用标定板计算空间曲面方程，并根据该空间曲面方程计算同名散斑点的三维坐标；然后根据同名散斑点的三维坐标估算激光散斑投射器的光心和光轴位置；最后根据预设的激光散斑投射器坐标系，计算相机和激光散斑投射器之间的位姿关系，利用该位姿关系计算同名散斑直线与投射器虚拟像面的交点，生成激光散斑投射器虚拟图像，从而实现单目激光散斑投影系统的外参数标定。本申请不需要利用精确的测距装置在不同的标准距离处拍摄对应的散斑图像，可显著提高外参数标定的测量效率，且可显著提高测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本申请实施例提供的一种单目激光散斑投影系统的外参数标定方法的流程示意图。

图2是本申请实施例中标定板的示意图。

图3是本申请实施例中激光散斑投射器的光轴和光心的示意图。

图4是本申请实施例提供的一种单目激光散斑投影系统的外参数标定装置的示意图。

图5是本申请实施例提供的一种计算机设备的示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确的是，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。

例如在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解的是，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的相同的字段，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。

此外，取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或者“响应于确定”或者“当检测(陈述的条件或事件)时”或者“响应于检测(陈述的条件或事件)”等。

为克服ToF方法和双目立体视觉方法的缺陷，一些方案提出了基于激光散斑图像的投影系统。激光散斑投射器中的激光器射出红外激光，经过衍射光栅(例如毛玻璃)，形成具有高度随机性的散斑图像。该系统采用红外相机拍摄待测目标表面的散斑图像，很大程度上降低了环境光对测量的影响。同时，基于散斑图像的随机性，激光散斑投影系统的测量时间能够缩短至单次曝光时间，从而实现实时动态测量。

根据散斑投影系统中的相机数量，其可以分为两类：双目散斑系统和单目散斑系统。双目激光散斑投影系统等效于带有散斑图像的双目立体视觉系统。具有高度随机性的散斑图像赋予了无纹理区域丰富的特征信息，这显著提高了双目立体视觉系统的图像匹配精度和测量精度。然而双目散斑系统制造成本较高，且系统标定步骤较为复杂。单目激光散斑投影系统仅包含一个红外相机和一个激光散斑投射器，其系统更加紧凑，成本较低。

由于激光散斑投射器不存在标准散斑图像，而且随着投射器与待测目标之间距离的增加，散斑图像会发生不同程度的变形，在出厂或者返厂维修前，单目激光散斑投影系统需要借助高精度的测距仪器，在不同的标准距离处提前拍摄对应的散斑图像，这使得常规单目激光散斑投影系统的外参数标定变得相对比较复杂繁琐。下面的实施例将研究讨论如何解决常规单目激光散斑投影系统的外参数标定过于复杂繁琐等问题。

参见图1，图1是本申请实施例中一种单目激光散斑投影系统的外参数标定方法的流程图。如图1所示，该单目激光散斑投影系统的外参数标定方法具体包括如下步骤：

S10：在单目激光散斑投影系统下采集相机标定图像，单目激光散斑投影系统包括相机和激光散斑投射器。

在一实施例中，将红外相机与激光散斑投射器以合适角度固定于三角架上，组成单目激光散斑投影系统。之后，选取大小合适的棋盘格标定板放置于相机视场范围内，打开相机调节焦距对棋盘格标定板图像进行拍摄。在此期间，需要不断调整棋盘格标定板的位置和姿态。

S20：根据相机标定图像标定相机参数。

在一实施例中，根据相机拍摄得到的棋盘格标定板图像集，采用张正友标定法计算相机的内参数，包括焦距和主点坐标，以及径向畸变和切向畸变。

S30：制有标定板，在单目激光散斑投影系统下采集散斑图像，其中，标定板设有至少三个标志特征。

其中，该标定板上包括至少三个标志特征，采用标志或特定特征的方式设在球面标定板上。本申请不对标志特征进行限定。

具体地，可以采用对角标志的方式在标定板上设有可用于计算标定板空间球面方程的标志特征。可以理解地，标定板上的标志特征可设置在三个及以上，且设置得越多(助于计算及验算)，越有助于提高单目激光散斑投影系统外参标定的准确率，以提高单目激光散斑投影系统的测量精度。

在一实施例中，提前打印若干个对角标志。首先在所述标定板的中心区域布置一个对角标志，确定通过该对角标志的两条相互垂直，弧长为完整球周长的闭合曲线。然后，在有限面积的球面标定板上，沿所述两条闭合曲线各布置若干个对角标志，得到带有对角标志的球面标定板。将标定板放置于单目激光散斑系统的视场范围内，开启激光散斑投射器，向标定板表面投射散斑图像，并用相机记录下对应的散斑图像。在此期间，需要不断调整标定板的位置和姿态。

S40：根据相机参数提取散斑图像的标志特征，并计算标定板的空间球面方程。

在一实施例中，标定板中的标志特征具体可以是对角标志，即设置在标定板对角位置的标志。

在一实施例中，可根据S20中求解得到的相机畸变系数(包括径向畸变和切向畸变)，矫正散斑图像的畸变。采用Harris角点检测算法识别散斑图像中的对角标志，并提取对角标志，从而根据对角标志计算标定板的空间球面方程。

进一步地，在标定板上建立对应的世界坐标系，以中心区域的对角标志为坐标系原点，x轴和y轴分别朝上述闭合曲线的切线方向沿伸，z轴垂直球面标定板向外。图2是本申请实施例中标定板的示意图，从图2可以看到，该标定板上共有5个对角标志，根据该对角标志建立的世界坐标系如图2中各坐标轴所示。

设x轴正方向对应的闭合曲线上的对角标志与中心对角标志之间的弧长为L，球面标定板的半径为r，所述对角标志在世界坐标系中的三维坐标(X_w,Y_w,Z_w)可以表示为：

遵循上述流程，可解算出所有对角标志在世界坐标系中的三维坐标。所述对角标志的像素坐标(u,v)与所述世界坐标系的三维坐标(X_w,Y_w,Z_w)之间的关系可以表示为：

其中K_c为所述相机的内参数矩阵，s为比例系数，R为旋转矩阵，T为待平移向量，R_3×2仅包含R中的第一列和第三列元素。

从而可以解算出对角标志在相机坐标系中的三维坐标(X_c,Y_c,Z_c):

采用最小二乘法拟合得到所述标定板在所述相机坐标系中的空间球面方程。

S50：根据散斑图像获取同名散斑点。

在一实施例中，将第一幅散斑图像作为散斑匹配的参考图像，采用数字图像相关法，通过求解包含一阶和二阶位移梯度参数的位移形状函数来确定散斑像点的最佳匹配位置，从而获得散斑图像的同名散斑点集。

S60：根据标定板的空间球面方程，计算同名散斑点的三维坐标。

可以理解地，在无失真相机成像模型中，进入相机的光线必然通过相机的光心，即相机坐标系的原点，在获取标定板的空间球面方程，可根据该空间球面方程计算同名散斑点的三维坐标。可以理解地，该同名散斑点为标定板上的三维坐标，该三维坐标是激光散斑投射器发出的散斑射线同球面标定板的交点。

具体地，根据散斑像点坐标(u,v)和相机参数，计算出散斑像点在相机坐标系中的等效三维坐标(X_c,Y_c,Z_c)为：

其中(C_x,C_y)是相机的主点坐标，d_x表示像元x方向尺寸，d_y表示像元y方向尺寸，f是相机焦距；通过散斑像点与相机坐标系原点的空间直线方程可以表示为：

根据空间直线方程与标定板的空间球面方程，计算同名散斑点的三维坐标，得到同名散斑点对应的三维坐标集。

S70：根据同名散斑点的三维坐标估算激光散斑投射器的光心和光轴位置。

在一实施例中，在激光散斑投射器的制造过程中，激光散斑投射器光轴被设计严格垂直于衍射光栅，并经过其中心位置。因此，在不同位置和姿态的标定板上的散斑图像中心点均处在激光散斑投射器的光轴或附近区域。根据步骤S60得到的散斑图像中心点对应的三维坐标集，通过直线拟合即可确定激光散斑投射器的光轴位置。此外，由同名散斑点拟合而成的直线对应着激光散斑投射器出射的光线，其中，通过激光器的光源点即激光散斑投射器的光心。可以理解地，在相机标定误差、图像匹配误差、拟合误差等因素影响下，拟合直线集不会相交于一点，而是会出现不同程度的偏移。因此，计算距离拟合直线集最近的空间点，将其作为最优的投射器光心。

图3是本申请实施例中激光散斑投射器的光轴和光心的示意图。从图3中可以看到标定板上同名散斑点、光轴及(激光散斑)投射器之间的物理空间关系。

S80：根据预设的激光散斑投射器坐标系，计算相机和激光散斑投射器之间的位姿关系。

在一实施例中，可根据得到的激光散斑投射器的光心和光轴位置建立激光散斑投射器坐标系，并在该激光散斑投射器坐标系计算相机和激光散斑投射器之间的位姿关系。

具体地，激光散斑投射器坐标系以激光散斑投射器光心为原点，z轴与激光散斑投射器光轴重合，以面向目标方向为正方向。激光散斑投射器光轴在相机坐标系中的归一化方向向量为V_c＝[v_x,v_y,v_z]^T，在激光散斑投射器坐标系中表示为V_p＝[0,0,1]^T，两者的关系能够表示为：

其中A_x、A_y、A_z为旋转矩阵的欧拉角，需要说明的是，欧拉角的旋转顺序可以采用x-y-z的旋转顺序，采用其他旋转顺序的欧拉角也是可以的。

上式可以化简为：

可计算出A_x和A_y：

A_z决定了激光散斑投射器坐标系x和y轴的方向，以及散斑图像的散斑坐标。由于激光散斑投射器的光心和光轴位置已被确定，所以激光散斑投射器中散斑图像的绝对物理位置是固定的，与欧拉角无关。在保证绝大部分或整个散斑图像能够处在激光散斑投射器虚拟图像的情况下，选取一个合适的A_z值，并计算得到旋转矩阵R。

激光散斑投射器的光心在相机坐标系中的坐标为(x_p,y_p,z_p)，在激光散斑投射器坐标系中的坐标为(0,0,0)，两者的关系能够表示为：

则可得到平移向量

S90：根据所述位姿关系计算同名散斑直线与投射器虚拟像面的交点，生成所述激光散斑投射器虚拟图像。

具体地，设所述标定板上的散斑点在相机坐标系中的坐标为(x₁,y₁,z₁)，根据相机与激光散斑投射器之间的位姿关系，可以计算出其在激光散斑投射器坐标系中的坐标(x₂,y₂,z₂)：

遵循上述流程，得到不同位姿标定板上的同名散斑点集在所述激光散斑投射器坐标系中的三维坐标集，并拟合同名散斑直线。设所述同名散斑直线通过点(a₁,a₂,a₃)，方向向量v_L为(v₁,v₂,v₃)，其空间直线方程可以表示为：

其中(X_L,Y_L,Z_L)为同名散斑直线上的任意点，t为比例因子。

由于虚拟像面与激光散斑投射器坐标系的z轴垂直，可以计算出所述同名散斑直线与所述像面的交点(X_P,Y_P,Z_P)：

根据激光散斑投射器的内参数矩阵，所述交点在所述虚拟图像中的像点坐标(u,v)为：

计算所有同名散斑直线与激光散斑投射器虚拟像面的交点，并将其转化为虚拟像点坐标，从而生成激光散斑投射器的虚拟图像。

本申请借助于空间球面建立起相机和激光散斑投射器的联系，并生成激光散斑投射器对应的虚拟散斑图像。进一步地，在恢复出虚拟散斑图像后，本申请中的单目激光散斑投影系统等同于双目相机系统，可以采用双目立体视觉的方式对相机和激光散斑投射器(可恢复得到虚拟散斑图像，等同于相机的作用)进行立体矫正，在线标定等操作。

可以理解地，传统的单目激光散斑投影系统需要利用精确的测距装置在不同的标准距离处拍摄对应的散斑图像，从而进一步完成外参标定，而本申请中的单目激光散斑投影系统，可通过带有标志特征的标定板计算出相机和激光散斑投射器位姿关系，使得激光散斑投射器可恢复出虚拟散斑图像，让本申请中的单目激光散斑投影系统具有等同于双目立体视觉的能力，可借助双视图约束的方式提高图像匹配速度，从而提高测量精度，并降低标定的复杂性；进一步地，如果设备长时间使用导致测量精度下降，用户可重新对该单目激光散斑系统进行外参数的快速标定，无需返厂重新进行标定。

在本申请实施例中，与传统的单目激光散斑投影系统相比，本申请通过标定板实现单目激光散斑投影系统的外参数标定，不需要利用精确的测距装置在不同的标准距离处拍摄对应的散斑图像。这显著提高了测量效率，并降低了测量成本。本申请中的单目激光散斑投影系统等效于带有散斑图像的双目相机系统，提高了测量精度。此外本申请还能够标定出激光散斑投射器的光心和光轴位置，使得用户能够在线修正单目激光散斑投影系统在使用过程中出现的光轴偏移。

需要说明的是，除了本申请中采用的利用球面标定板实现单目激光散斑投影系统的外参数标定外，也可以是采用其他类型的曲面标定板实现单目激光散斑投影系统的外参数标定。具体地，参照本申请，对于其他类型的曲面标定板，可通过曲面上的标志特征计算得到每个曲面的空间曲面方程，然后通过变动曲面的位置，找出同名散斑点，进一步再计算得到同名散斑点的三维坐标，从而估算得到激光散斑投射器的光心和光轴位置，确定所有同名散斑直线与激光散斑投射器虚拟像面的交点，并将其转化为虚拟像点坐标，最后生成激光散斑投射器虚拟图像。该采用曲面标定板进行外参数标定的单目激光散斑投影系统具有等同于双目相机系统的双目立体视觉能力，可便捷、高效地完成外参数的标定。应理解地，对于其他类型曲面标定板实现的标定方式，也应包含在本申请的保护范围之内。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

参见图4，图4是本申请实施例提供一种单目激光散斑投影系统的外参数标定装置。该装置包括：

相机标定图像采集模块410，用于在单目激光散斑投影系统下采集相机标定图像，单目激光散斑投影系统包括相机和激光散斑投射器；

相机参数标定模块420，用于根据相机标定图像标定相机参数；

散斑图像采集模块430，用于在单目激光散斑投影系统下采集散斑图像；

空间曲面方程计算模块440，用于根据相机参数提取散斑图像的标志特征，并计算单目激光散斑投影系统的标定板的空间曲面方程，其中，定板设有至少三个标志特征；

同名散斑点获取模块450，用于根据散斑图像获取同名散斑点；

同名散斑点计算模块460，用于根据标定板的空间曲面方程，计算同名散斑点的三维坐标；

光心光轴估算模块470，用于根据同名散斑点的三维坐标估算激光散斑投射器的光心和光轴位置；

位姿关系计算模块480，用于根据预设的激光散斑投射器坐标系，计算相机和激光散斑投射器之间的位姿关系；

虚拟散斑图像生成模块490，用于根据所述位姿关系计算同名散斑直线与投射器虚拟像面的交点，生成所述激光散斑投射器虚拟图像。

可以理解，本实施例中单目激光散斑投影系统的外参数标定装置的相关功能的实现可参考上述方法实施例，其中未详细描述的部分可参考上述方法实施例的相关描述。

在本申请实施例中，与传统的单目激光散斑投影系统相比，本申请通过标定板实现单目激光散斑投影系统的外参数标定，不需要利用精确的测距装置在不同的标准距离处拍摄对应的散斑图像。这显著提高了测量效率，并降低了测量成本。本申请中的单目激光散斑投影系统等效于带有散斑图像的双目相机系统，提高了测量精度。此外本申请还能够标定出激光散斑投射器的光心和光轴位置，使得用户能够在线修正单目激光散斑投影系统在使用过程中出现的光轴偏移。

参见图5，图5是本申请提供一种计算机设备的示意图，一种计算机设备包括存储器510、处理器520，计算机可读指令存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行，所述处理器执行所述计算机可读指令时执行如实施例所述单目激光散斑投影系统的外参数标定方法的步骤。

本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现如实施例所述单目激光散斑投影系统的外参数标定方法的步骤。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单目激光散斑投影系统的外参数标定方法，其特征在于，包括：在单目激光散斑投影系统下采集相机标定图像，所述单目激光散斑投影系统包括相机和激光散斑投射器；

根据所述相机标定图像标定相机参数；

在所述单目激光散斑投影系统下采集散斑图像；

根据所述相机参数提取所述散斑图像的标志特征，并计算所述单目激光散斑投影系统使用的标定板的空间曲面方程，所述标定板设有至少三个标志特征；

根据所述散斑图像获取同名散斑点；

根据所述标定板的空间曲面方程计算所述同名散斑点的三维坐标；

根据所述同名散斑点的三维坐标估算所述激光散斑投射器的光心和光轴位置；

根据预设的激光散斑投射器坐标系，计算所述相机和所述激光散斑投射器之间的位姿关系；

根据所述位姿关系计算同名散斑直线与投射器虚拟像面的交点，生成所述激光散斑投射器虚拟图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述标志特征为对角标志，所述标定板为球面标定板，所述计算所述标定板的空间曲面方程，包括：

在所述标定板的中心区域布置一个对角标志，确定通过该对角标志的两条相互垂直，弧长为完整球周长的闭合曲线；在有限面积的所述球面标定板上，沿所述两条闭合曲线各布置若干个对角标志，其中，所述球面标定板上至少有三个对角标志；在所述标定板上建立对应的世界坐标系，以中心区域的对角标志为坐标系原点，其中，x轴和y轴分别朝上述闭合曲线的切线方向沿伸，z轴垂直球面标定板向外；设x轴正方向对应的闭合曲线上的对角标志与中心对角标志之间的弧长为L，球面标定板的半径为r，所述对角标志在世界坐标系中的三维坐标(X_w,Y_w,Z_w)表示为：

其中，所述对角标志的像素坐标(u,v)与所述世界坐标系的三维坐标(X_w,Y_w,Z_w)之间的关系表示为：

其中，K_c为所述相机的内参数矩阵，s为比例系数，R为旋转矩阵，T为待平移向量，其中，R_3×2仅包含R中的第一列和第三列元素；

其中，对角标志在相机坐标系中的三维坐标(X_c,Y_c,Z_c):

其中，所述标定板在所述相机坐标系中的空间球面方程通过最小二乘法拟合得到。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述同名散斑点的三维坐标，包括：

根据散斑像点坐标(u,v)和所述相机参数，计算出所述散斑像点在相机坐标系中的等效三维坐标(X_c,Y_c,Z_c)为：

其中，(C_x,C_y)表示所述相机的主点坐标，d_x表示像元x方向尺寸，d_y表示像元y方向尺寸，f表示相机焦距；

通过所述散斑像点与所述相机坐标系原点的空间直线方程表示为：

根据所述空间直线方程与所述标定板的空间曲面方程，计算得到包括所述同名散斑点的三维坐标的对应三维坐标集。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述相机和所述激光散斑投射器之间的位姿关系，包括：激光散斑投射器光轴在相机坐标系中的归一化方向向量为V_c＝[v_x,v_y,v_z]^T，其中，在所述激光散斑投射器坐标系中表示为V_p＝[0,0,1]^T，其中，两者的关系能够表示为：

计算出A_x和A_y：

选取一个预设的A_z值，计算得到旋转矩阵R，其中，A_x、A_y、A_z为所述旋转矩阵R的欧拉角；

激光散斑投射器的光心在所述相机坐标系中的坐标为(x_p,y_p,z_p)，激光散斑投射器的光心在所述激光散斑投射器坐标系中的坐标为(0,0,0)，两者的关系能够表示为：

计算得到平移向量T，其中，

5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，所述生成所述激光散斑投射器虚拟图像，包括：计算所有同名散斑直线与激光散斑投射器虚拟像面的交点，并将所述交点转化为图像像点坐标，从而生成所述激光散斑投射器的虚拟图像。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，

所述方法还包括：在所述生成所述激光散斑投射器虚拟图像之后，将所述激光散斑投射器作为第二相机来使用，所述第二相机与所述单目激光散斑投影系统中的所述相机组成双目相机系统。

7.一种单目激光散斑投影系统的外参数标定装置，其特征在于，包括：

相机标定图像采集模块，用于在单目激光散斑投影系统下采集相机标定图像，所述单目激光散斑投影系统包括相机和激光散斑投射器；

相机参数标定模块，用于根据所述相机标定图像标定相机参数；

散斑图像采集模块，用于在所述单目激光散斑投影系统下采集散斑图像；

空间曲面方程计算模块，用于根据所述相机参数提取所述散斑图像的标志特征，并计算所述单目激光散斑投影系统使用的标定板的空间曲面方程，所述标定板设有至少三个标志特征；

同名散斑点获取模块，用于根据所述散斑图像获取同名散斑点；

同名散斑点计算模块，用于根据所述标定板的空间曲面方程计算所述同名散斑点的三维坐标；

光心光轴估算模块，用于根据所述同名散斑点的三维坐标估算所述激光散斑投射器的光心和光轴位置；

位姿关系计算模块，用于根据预设的激光散斑投射器坐标系，计算所述相机和所述激光散斑投射器之间的位姿关系；

虚拟散斑图像生成模块，用于根据所述位姿关系计算同名散斑直线与投射器虚拟像面的交点，生成所述激光散斑投射器虚拟图像。

8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机可读指令，其特征在于，所述处理器执行所述计算机可读指令时执行如权利要求1-6任一项所述单目激光散斑投影系统的外参数标定方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的方法。

10.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品能够使得处理器实现如权利要求1至6任一项所述的方法。

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