CN116012455A - 一种相对位置关系确定方法、结构光成像方法及相关系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种相对位置关系确定方法、结构光成像方法及相关系统。可以对相机外参进行自动标定，所需要的时间较短，提高了外参标定的效率。本申请提供的方法是通过测距装置和相机的配合来完成对相机外参的标定。其中，测距装置可以投射光斑并对光斑进行测距。基于测距装置的功能可以先确定测距装置的坐标系中光斑的坐标，之后根据测距装置与激光器之间的偏移量可以确定激光器的坐标系中光斑的坐标。并且相机对光斑成像后在成像平面的坐标也是可以确定的，再根据上述偏移量可以对光斑在成像平面的坐标进行修正。那么根据激光器的坐标系中光斑的坐标和成像平面中修正后的光斑坐标即可确定激光器和相机之间的相对位置关系。

Description

一种相对位置关系确定方法、结构光成像方法及相关系统

技术领域

本申请涉及结构光领域，尤其涉及一种相对位置关系确定方法、结构光成像方法及相关系统。

背景技术

结构光技术已经在近距离场景的三维成像中获得广泛应用，如人脸识别、体感手势识别以及三维地图重建等。结构光技术通常采用一组由激光器和相机组成的结构光设备。用激光器投射光到物体表面后及背景后再由相机进行采集。进一步根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，从而复原整个三维空间。

使用结构光的一个必要步骤是进行结构光设备的标定，其中包括相机的内参标定和外参标定。内参包括焦距，光心位置和相机畸变参数等，内参标定为确定焦距，光心位置和相机畸变等参数的取值，内参标定后一般受温度等影响而变化。外参包括激光器和相机光心位置的坐标系变换，外参主要随着激光器和相机之间的相对位置发生变化而变化。外参标定为确定激光器和相机光心的相对位置关系。结构光设备在使用时若时常遭受颠簸和振动，则可能会使得外参标定发生变化，导致三维成像时会有较大误差，这时就需要对外参进行重新标定。目前进行结构光设备的外参标定过程较为繁琐，所花费的时间较长，导致外参标定的效率较低

发明内容

本申请实施例提供了一种相对位置关系确定方法、结构光成像方法及相关系统。可以对相机外参进行自动标定，所需要的时间较短，提高了外参标定的效率。

第一方面，本申请提供了一种相对位置关系确定方法，该方法包括如下步骤。控制器控制测距装置向N个方向分别投射N个光斑，并分别获取N个光斑与测距装置之间的N个距离。其中，N为大于或等于4的整数，N个光斑不共线。控制器根据N个方向和N个距离分别确定以测距装置为原点的N个光斑的第一坐标。控制器根据测距装置与激光器之间的偏移量，以及N个光斑的第一坐标确定以激光器为原点的N个光斑的第二坐标。控制器控制相机对N个光斑进行成像，并分别确定在成像平面上N个光斑的第三坐标，再根据偏移量对N个光斑的第三坐标进行修正得到成像平面上N个光斑的第四坐标。控制器根据N个光斑的第二坐标和N个光斑的第四坐标确定激光器的第一坐标系与相机的第二坐标系之间的坐标系变换参数。控制器根据坐标系变换参数确定激光器和相机之间的相对位置关系。

通过上述方式，本申请提供一种对相机外参进行自动标定的方法，所需要的时间较短，提高了外参标定的效率。尤其在结构光设备遭受颠簸和振动导致相机外参发生变化的情况下，可以快速完成相机外参的重新标定，实际应用价值更高。

在一些可能的实施方式中，方法还包括：控制器控制测距装置向M个方向分别投射M个光斑，并分别获取M个光斑与测距装置之间的M个距离。其中，M为大于或等于3的整数，M个光斑不共线。控制器根据M个方向和M个距离分别确定以测距装置为原点的M个光斑的第五坐标。控制器根据测距装置与激光器之间的偏移量，以及M个光斑的第五坐标确定以激光器为原点的M个光斑的第六坐标。控制器根据M个光斑的第六坐标确定在第一坐标系下的第一光平面方程。控制器根据第一光平面方程和坐标系变换参数确定在第二坐标系下的第二光平面方程。

通过上述方式，在激光器坐标系与相机坐标系之间的坐标系变换参数确定的基础上，还可以采用自动化的方式确定相机坐标系下的光平面方程，无需人工干预，可以更快地实现结构光成像所需要的条件。

在一些可能的实施方式中，在确定激光器和相机之间的相对位置关系的场景中，N个方向中每个方向对应的参数包括水平夹角θ和垂直俯仰角φ。其中，N个方向分别对应的水平夹角θ不同，且N个方向分别对应的垂直俯仰角φ不同。提供了一种具体的方式使得N个光斑不共线，提高了本方案的可实现性。

在一些可能的实施方式中，在确定相机坐标系下的第二光平面方程的场景中，M个方向中每个方向对应的参数包括水平夹角θ和垂直俯仰角φ。其中，M个方向分别对应的水平夹角θ相同，且M个方向分别对应的垂直俯仰角φ不同。或者，M个方向分别对应的水平夹角θ不同，且M个方向分别对应的垂直俯仰角φ相同。提供了一种具体的方式使得M个光斑不共线，并且只需要调整水平夹角θ或垂直俯仰角φ中任意一个维度上的方向即可，实现方式更简单。

在一些可能的实施方式中，坐标系变换参数包括旋转矩阵和平移向量，以便于准确地获知激光器与相机之间的相对位置关系。

在一些可能的实施方式中，测距装置包括点测距仪和光束偏转装置。控制器通过控制测距装置向N个方向分别投射N个光斑包括：控制器控制点测距仪发射光束，并控制光束偏转装置调节光束的偏转方向以向N个方向分别投射N个光斑。通过上述方式，提供了一种测距装置的具体实现方式，增强了本方案的实用性。

在一些可能的实施方式中，光束偏转装置包括是振镜、硅基液晶(Liquid crystalon silicon，Lcos)、光学相控阵、超表面和微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem，MEMS)微镜中的一种，提高了本方案的扩展性。

第二方面，本申请提供了一种结构光成像方法。应理解，该方法是建立在上述第一方面的第二种实施方式上实现的，即控制器要首先确定相机坐标系下的第二光平面方程。进而，该结构光成像方法包括：控制器根据第二光平面方程控制测距装置对物体进行结构光成像。

第三方面，本申请提供了一种相对位置关系确定系统，该系统包括：控制器、测距装置、激光器和相机，控制器用于：控制测距装置向N个方向分别投射N个光斑，并分别获取N个光斑与测距装置之间的N个距离。其中，N为大于或等于4的整数，N个光斑不共线。根据N个方向和N个距离分别确定以测距装置为原点的N个光斑的第一坐标。根据测距装置与激光器之间的偏移量，以及N个光斑的第一坐标确定以激光器为原点的N个光斑的第二坐标。控制相机对N个光斑进行成像，并分别确定在成像平面上N个光斑的第三坐标，再根据偏移量对N个光斑的第三坐标进行修正得到成像平面上N个光斑的第四坐标。根据N个光斑的第二坐标和N个光斑的第四坐标确定激光器的第一坐标系与相机的第二坐标系之间的坐标系变换参数。根据坐标系变换参数确定激光器和相机之间的相对位置关系。

在一些可能的实施方式中，控制器还用于：控制测距装置向M个方向分别投射M个光斑，并分别获取M个光斑与测距装置之间的M个距离。其中，M为大于或等于3的整数，M个光斑不共线。根据M个方向和M个距离分别确定以测距装置为原点的M个光斑的第五坐标。根据测距装置与激光器之间的偏移量，以及M个光斑的第五坐标确定以激光器为原点的M个光斑的第六坐标。根据M个光斑的第六坐标确定在第一坐标系下的第一光平面方程。根据第一光平面方程和坐标系变换参数确定在第二坐标系下的第二光平面方程。

在一些可能的实施方式中，在确定激光器和相机之间的相对位置关系的场景中，N个方向中每个方向对应的参数包括水平夹角θ和垂直俯仰角φ。其中，N个方向分别对应的水平夹角θ不同，且N个方向分别对应的垂直俯仰角φ不同。

在一些可能的实施方式中，在确定相机坐标系下的第二光平面方程的场景中，M个方向中每个方向对应的参数包括水平夹角θ和垂直俯仰角φ。其中，M个方向分别对应的水平夹角θ相同，且M个方向分别对应的垂直俯仰角φ不同。或者，M个方向分别对应的水平夹角θ不同，且M个方向分别对应的垂直俯仰角φ相同。

在一些可能的实施方式中，坐标系变换参数包括旋转矩阵和平移向量。

在一些可能的实施方式中，测距装置包括点测距仪和光束偏转装置。控制器具体用于：控制点测距仪发射光束，并控制光束偏转装置调节光束的偏转方向以向N个方向分别投射N个光斑。

在一些可能的实施方式中，光束偏转装置包括振镜、Lcos、光学相控阵、超表面和MEMS微镜中的一种。

第四方面，本申请实施例提供了一种结构光成像系统，应理解，该结构光成像系统与上述第三方面所介绍的相对位置关系确定系统在系统结构上类似，区别主要在于功能实现。并且，本实施例是建立在上述第三方面的第二种实施方式上实现的，即控制器要首先确定相机坐标系下的第二光平面方程。进而，在该结构光成像系统中，控制器用于根据第二光平面方程控制测距装置对物体进行结构光成像。

本申请实施例中，通过测距装置投射N个光斑，并分别检测N个光斑与测距装置之间的距离，进而确定以测距装置为原点的N个光斑的第一坐标。接下来，根据激光器与测距装置之间的偏移量确定以激光器为原点的N个光斑的第二坐标。之后，再通过相机对N个光斑进行成像，并确定成像平面上N个光斑的第三坐标，再根据偏移量对N个光斑的第三坐标进行修正得到成像平面上N个光斑的第四坐标。最后，根据N个光斑的第二坐标和第四坐标即可确定激光器的第一坐标系与相机的第二坐标系之间的坐标系变换参数，从而确定激光器与相机之间的相对位置关系，完成相机的外参标定。通过上述方式，提供了一种对相机外参进行自动标定的方法，所需要的时间较短，提高了外参标定的效率。

附图说明

图1为本申请实施例中结构光系统的第一种应用场景示意图；

图2为本申请实施例中相对位置关系确定方法的实施例示意图；

图3为本申请中水平夹角θ和垂直俯仰角φ的示意图；

图4为本申请实施例中确定相机坐标系下的光平面方程的实施例示意图；

图5为本申请实施例中结构光系统的第二种应用场景示意图；

图6为相对位置关系确定系统的一种结构示意图；

图7为控制器的一种结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种相对位置关系确定方法、结构光成像方法及相关系统。可以对相机外参进行自动标定，所需要的时间较短，提高了外参标定的效率。

需要说明的是，本申请说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等用于区别类似的对象，而非限定特定的顺序或先后次序。应理解，上述术语在适当情况下可以互换，以便在本申请描述的实施例能够以除了在本申请描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面首先对本领域中的一些专业术语进行介绍。

(1)结构光：结构光的类型分为很多种，简单的结构化包括点结构光、线结构光以及简单的面结构光等，复杂的结构光则涉及到光学图案的编码。结构光投射到待测物表面后被待测物的高度调制，被调制的结构光经摄像系统采集，传送至计算机内分析计算后可得出被测物体的三维信息。其中调制方式可分为时间调制与空间调制两大类。时间调制方法中最常用的是飞行时间法,该方法记录了光脉冲在空间的飞行时间,通过飞行时间解算待测物体的三维信息。空间调制方法为结构光场的相位、光强等性质被待测物的高度调制后都会产生变化,通过读取这些性质的变化获得待测物体的三维信息。

(2)标定：使用结构光的一个必要步骤是进行结构光设备的标定，其中包括相机的内参标定和外参标定。内参包括焦距，光心位置和相机畸变参数等。内参标定为确定焦距，光心位置和相机畸变等参数的取值，内参标定后一般受温度等影响而变化。外参包括激光器和相机光心位置的坐标系变换，外参主要随着激光器和相机之间的相对位置发生变化而变化。外参标定为确定激光器和相机光心的相对位置关系。

(3)平移向量(translation vector)：如果坐标系1与坐标系2平行但不重合，空间点从坐标系1到坐标系2的变换就用平移向量表示。也就是说，空间点在坐标系1中的坐标加上平移向量就是空间点在坐标系2中的坐标。

(4)旋转矩阵(rotation matrix)：旋转矩阵是在乘以一个向量的时候有改变向量的方向但不改变大小的效果并保持了手性的矩阵。例如，坐标系1与坐标系2原点重合但不平行，空间点从坐标系1到坐标系2的变换就用旋转矩阵表示。

(5)光平面方程：指的某一条线结构光朝着一个方向进行发射时，光所形成的平面对应的方程表达式。

图1为本申请实施例中结构光系统的第一种应用场景示意图。如图1所示，结构光系统包括控制器10、激光器20、测距装置30和相机40。激光器20、测距装置30和相机40都由控制器10进行控制。应理解，上述控制器10可以是如图1所示的独立单元，在其他一些可能的应用场景中，激光器20、测距装置30和相机40各自内部也可以集成有控制器。也就是说，激光器20、测距装置30和相机40可以统一由一个控制器集中控制，也可以由各自内部的控制器独立控制，具体本申请不做限定。

相对于传统的结构光系统，本申请提供的结构光系统中增加了测距装置。由于系统在使用是可能会遭受颠簸和振动，导致激光器20和相机40之间的相对位置发生变化，需要对相机外参重新进行标定。传统的结构光系统只能通过人工的方式来重新标定，而本申请提供的结构光系统通过测距装置30和相机40的配合来完成对相机外参的标定。其中，测距装置30可以投射光斑并对光斑进行测距，这是激光器20所不具备的功能。基于测距装置30的功能可以先确定测距装置30的坐标系中光斑的坐标，之后根据测距装置30与激光器20之间的偏移量可以确定激光器20的坐标系中光斑的坐标。并且相机40对光斑成像后在成像平面的坐标也是可以确定的，根据上述偏移量可以对光斑在成像平面的坐标进行修正。那么根据激光器20的坐标系中光斑的坐标和成像平面中修正后的光斑坐标即可确定激光器20和相机40之间的相对位置关系。

下面结合具体的实施方式对本申请提供的相对位置关系确定方法进行介绍。

图2为本申请实施例中相对位置关系确定方法的实施例示意图。该方法具体是在上述图1所介绍的结构光系统上实现的。在该示例中，相对位置关系确定方法包括如下步骤。

201、控制器控制测距装置向N个方向分别投射N个光斑，并分别获取N个光斑与测距装置之间的N个距离。

如上图1所示，控制器会控制测距装置向N个方向分别投射N个光斑，其中，为了实现相机外参的标定，本实施例中的N为大于或等于4的整数，并且N个光斑不共线。具体地，每个方向对应的参数包括水平夹角θ和垂直俯仰角φ。图3为本申请中水平夹角θ和垂直俯仰角φ的示意图。如图3所示是以测距装置为原点的坐标系，每个光斑的投射方向可以通过水平夹角θ和垂直俯仰角φ来表示。进而，测距装置还将测出每个光斑与测距装置之间的距离。也就是说，N个投射方向可以指的是N个投射方向对应的水平夹角θ不同，也可以是指的是N个投射方向对应的垂直俯仰角φ不同，还可以指的是N个投射方向对应的水平夹角θ和垂直俯仰角φ都不同。以图1所示的四个光斑为例，这四个光斑的投射方向分别可以表示为(φ₁，θ₁)，(φ₂，θ₂)，(φ₃，θ₃)，(φ₄，θ₄)。四个光斑与测距装置之间的距离分别表示为Z₁，Z₂，Z₃，z₄。

在一些可能的实施方式中，测距装置包括点测距仪和光束偏转装置。控制器控制点测距仪发射光束，并控制光束偏转装置调节光束的偏转方向，从而向N个方向分别投射N个光斑。光束偏转装置具体可以是振镜、硅基液晶(Liquid crystal on silicon，Lcos)、光学相控阵、超表面和微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)微镜等中的一种。

202、控制器根据N个方向和N个距离分别确定以测距装置为原点的N个光斑的第一坐标。

基于每个坐标的投射方向以及每个坐标与测距装置之间的距离即可求得测距装置的坐标系中每个光斑的坐标。以图1所示的四个光斑为例，测距装置的坐标系中四个光斑的坐标分别表示为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，(x₃，y₃，z₃)，(x₄，y₄，z₄)。

203、控制器根据测距装置与激光器之间的偏移量，以及N个光斑的第一坐标确定以激光器为原点的N个光斑的第二坐标。

应理解，测距装置与激光器在某一个方向上具有偏移量，基于该偏移量和测距装置的坐标系中每个光斑的坐标进行变换即可得到激光器的坐标系中每个光斑的坐标。以图1所示的四个光斑为例，激光器的坐标系中四个光斑的坐标分别表示为(x′₁，y′₁，z′₁)，(x′₂，y′₂，z′₂)，(x′₃，y′₃，z′₃)，(x′₄，y′₄，z₄′)，测距装置与激光器之间在X轴方向上具有偏移量D。具体可以采用如下的公式计算激光器的坐标系中每个光斑的坐标。

204、控制器控制相机对N个光斑进行成像，并分别确定在成像平面上N个光斑的第三坐标，再根据偏移量对N个光斑的第三坐标进行修正得到成像平面上N个光斑的第四坐标。

相机对每个光斑成像后可以确定每个光斑在成像平面上的坐标。由于最终需要确定激光器与相机之间的相对位置关系，所以还需要模拟出激光器按照上述各方向透射的光斑在成像平面上的坐标，具体可以结合测距装置与激光器之间的偏移量对每个光斑在成像平面上的坐标进行修正。以图1所示的四个光斑为例，在成像平面上四个光斑的坐标分别表示为(u₁，v₁)，(u₂，v₂)，(u₃，v₃)，(u₄，v₄)，进行修正后四个光斑的坐标分别表示为(u₁′，v₁′)，(u₂′，v₂′)，(u₃′，v₃′)，(u₄′，v₄′)。修正公式具体如下所示，其中，D表示测距装置与激光器之间的偏移量，f表示相机的焦距，z_i表示光斑与相机之间的距离。

205、控制器根据N个光斑的第二坐标和所述N个光斑的第四坐标确定激光器的第一坐标系与相机的第二坐标系之间的坐标系变换参数。

本实施例中，激光器的第一坐标系与相机的第二坐标系之间的坐标系变换参数包括旋转矩阵和平移向量。以图1所示的四个光斑为例，根据(x′₁，y′₁，z′₁)，(x′₂，y′₂，z′₂)，(x′₃，y′₃，z′₃)，(x′₄，y′₄，z₄′)和(u₁′，v₁′)，(u₂′，v₂′)，(u₃′，v₃′)，(u₄′，v₄′)，并采用重投影误差的PnP算法即可计算出激光器的第一坐标系与相机的第二坐标系之间的旋转矩阵和平移向量。

206、控制器根据坐标系变换参数确定激光器和相机之间的相对位置关系。

通过上述方式，本申请提供一种对相机外参进行自动标定的方法，所需要的时间较短，提高了外参标定的效率。尤其在结构光设备遭受颠簸和振动导致相机外参发生变化的情况下，可以快速完成相机外参的重新标定，实际应用价值更高。

需要说明的是，在上述图2所示实施例的基础上，还需要确定相机坐标系下的光平面方程才能正常使用结构光成像的功能，下面进行详细介绍。

图4为本申请实施例中确定相机坐标系下的光平面方程的实施例示意图。该方法具体是在图5所介绍的结构光系统上实现的。如图5所示，该结构光系统与上述图1所介绍的结构光系统在系统结构上类似，区别主要在于功能实现，下面结合具体的实现方式进行说明。

401、控制器控制测距装置向M个方向分别投射M个光斑，并分别获取M个光斑与测距装置之间的M个距离。

本实施例中，最少三个光斑即可确定一个平面，因此，M为大于或等于3的整数，并且这M个光斑不共线。具体地，每个方向对应的参数包括水平夹角θ和垂直俯仰角φ，具体可以参考上述图3的相关介绍，此处不再赘述。在一种可能的实施方式中，M个投射方向对应的水平夹角θ相同，且M个投射方向对应的垂直俯仰角φ不同。在另一种可能的实施方式中，M个投射方向对应的垂直俯仰角φ相同，且M个投射方向对应的水平夹角θ不同。进而，测距装置还将测出每个光斑与测距装置之间的距离。以图5所示的三个光斑为例，这三个光斑的投射方向分别可以表示为(φ₁，θ)，(φ₂，θ)，(φ₃，θ)或(θ₁，φ)，(θ₂，φ)，(θ₃，φ)。四个光斑与测距装置之间的距离分别表示为Z₁，Z₂，Z₃。

402、控制器根据M个方向和M个距离分别确定以测距装置为原点的M个光斑的第五坐标。

基于每个坐标的投射方向以及每个坐标与测距装置之间的距离即可求得测距装置的坐标系中每个光斑的坐标。以图5所示的三个光斑为例，测距装置的坐标系中三个光斑的坐标分别表示为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，(x₃，y₃，z₃)。

403、控制器根据测距装置与激光器之间的偏移量，以及M个光斑的第五坐标确定以激光器为原点的M个光斑的第六坐标。

应理解，测距装置与激光器在某一个方向上具有偏移量，基于该偏移量和测距装置的坐标系中每个光斑的坐标进行变换即可得到激光器的坐标系中每个光斑的坐标。以图5所示的三个光斑为例，激光器的坐标系中三个光斑的坐标分别表示为(x′₁，y′₁，z′₁)，(x′₂，y′₂，z′₂)，(x′₃，y′₃，z′₃)，测距装置与激光器之间在X轴方向上具有偏移量D。具体可以采用如下的公式计算激光器的坐标系中每个光斑的坐标。

404、控制器根据M个光斑的第六坐标确定在第一坐标系下的第一光平面方程。

控制器在确定了激光器的第一坐标系下每个光斑的坐标后，即可确定第一坐标系下M个光斑所在平面的第一光平面方程。

405、控制器根据第一光平面方程和坐标系变换参数确定在第二坐标系下的第二光平面方程。

控制器根据上述步骤404求得的第一光平面方程和上述图2所示实施例求得的坐标系变换参数即可计算出相机的第二坐标系下M个光斑所在平面的第二光平面方程。进而，结构光系统就可以根据该第二光平面方程对物体进行结构光成像，以获取待测物体的三维信息。应理解，若实际应用中使用了多条线结构光，则需要按照上述方式确定每一条线结构光对应的光平面方程。

通过上述方式，在激光器坐标系与相机坐标系之间的坐标系变换参数确定的基础上，还可以采用自动化的方式确定相机坐标系下的光平面方程，无需人工干预，可以更快地实现结构光成像所需要的条件。

下面结合几个具体的实施例对上述坐标系变换参数和光平面方程的确定方式进行进一步介绍。

实施例一：

测距装置所能投射的方向具有一定的范围，例如，投射方向对应的水平夹角的范围是-θ至+θ，投射方向对应的垂直俯仰角的范围是-φ至+φ。在水平夹角的范围内分别取等分的三个值-θ，0，θ，在垂直俯仰角的范围内也分别取等分的三个值-φ，0，φ。对水平夹角和垂直俯仰角的取值进行组合一共可以得到9种不同的组合，基于这9种组合，测距装置可以投射出9个不同的光斑，这9个光斑不共线。按照上述图2所示实施例介绍的方法，可以计算出激光器的第一坐标系与相机的第二坐标系之间的坐标系变换参数，从而可以确定激光器与相机之间的相对位置关系。

接下来还将确定相机坐标系下的光平面方程。水平夹角固定为θ，在垂直俯仰角的范围内分别取等分的三个值-φ，0，φ。对水平夹角和垂直俯仰角的取值进行组合一共可以得到3种不同的组合，基于这3种组合，测距装置可以投射出3个不同的光斑，这3个光斑不共线。按照上述图4所示实施例介绍的方法，可以计算出相机坐标系下的光平面方程。需要说明的是，如果需要确定多条线结构光对应的光平面方程，可以重复上述方式依次确定每条线结构光对应的光平面方程。例如，当前有6条线结构光，6条线结构光的水平夹角分别记为θ₁-θ₆，那么重复6次上述介绍的方式即可得到6条线结构光分别对应的光平面方程。

实施例二：

实施例二与上述实施例一在坐标系变换参数的确定方法上类似，此处不再赘述。主要区别在于光平面方程的确定方法。例如，当前有6条线结构光，6条线结构光的水平夹角分别记为

可以先按照上述图4所示实施例介绍的方法计算出水平夹角为-θ的线结构光对应的光平面方程和水平夹角为θ的线结构光对应的光平面方程。这两个光平面的交线记为L，平面夹角记为γ。由于6条线结构光的水平夹角是按照等差方式排列的，则在计算得到的其中一个光平面方程的基础上以L为转轴分别旋转

即可获得另外四条线结构光对应的光平面方程。通过这种实施方式，在需要确定的光平面方程数量超过2个的场景中，无需重复上述介绍的方式计算每一个光平面方程，只需要根据计算出的2个光平面方程进行简单的变换即可计算出其他的光平面方程，实现方式更简单。

应理解，上述介绍的实施例只是提供了两种具体的实现方式，在实际应用中可以根据需要灵活地调整投射光斑的数量以及每个光斑的投射方向，具体此处不做限定。

下面对本申请实施例提供的相对位置关系确定系统进行介绍。

图6为相对位置关系确定系统的一种结构示意图。如图6所示，该系统包括控制器601、测距装置602、激光器603和相机604。其中，测距装置602、激光器603和相机604都由控制器601进行控制。具体地，控制器601用于执行上述图2和图4所示实施例中的操作步骤。应理解，在该系统完成了上述图2和图4所示实施例中的操作步骤后，该系统还可以作为一种结构光成像系统来对物体进行结构光成像，具体可以参照现有技术中关于结构光成像技术的介绍，此处不再赘述。

图7为控制器的一种结构示意图。如图7所示，该控制器包括处理器701、存储器702以及收发器703。该处理器701、存储器702以及收发器703通过线路互相连接，其中，收发器703用于跟测距装置602、激光器603和相机604进行数据或指令交互。存储器702用于存储程序指令和数据。处理器701用于执行上述图2和图4所示实施例中的操作步骤。需要说明的是，上述图7中所示的处理器可以采用通用的中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，微处理器，应用专用集成电路ASIC，或者至少一个集成电路，用于执行相关程序，以实现本申请实施例所提供的技术方案。上述图7中所示的存储器可以存储操作系统和其他应用程序。在通过软件或者固件来实现本申请实施例提供的技术方案时，用于实现本申请实施例提供的技术方案的程序代码保存在存储器中，并由处理器来执行。在一实施例中，处理器内部可以包括存储器。在另一实施例中，处理器和存储器是两个独立的结构。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，随机接入存储器等。具体地，例如：上述处理单元或处理器可以是中央处理器，通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。上述的这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

当使用软件实现时，上述实施例描述的方法步骤可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

Claims (16)

1.一种相对位置关系确定方法，其特征在于，包括：

控制器控制测距装置向N个方向分别投射N个光斑，并分别获取所述N个光斑与所述测距装置之间的N个距离，所述N为大于或等于4的整数，所述N个光斑不共线；

所述控制器根据所述N个方向和所述N个距离分别确定以所述测距装置为原点的所述N个光斑的第一坐标；

所述控制器根据所述测距装置与激光器之间的偏移量，以及所述N个光斑的第一坐标确定以所述激光器为原点的所述N个光斑的第二坐标；

所述控制器控制相机对所述N个光斑进行成像，并分别确定在成像平面上所述N个光斑的第三坐标，再根据所述偏移量对所述N个光斑的第三坐标进行修正得到成像平面上所述N个光斑的第四坐标；

所述控制器根据所述N个光斑的第二坐标和所述N个光斑的第四坐标确定所述激光器的第一坐标系与所述相机的第二坐标系之间的坐标系变换参数；

所述控制器根据所述坐标系变换参数确定所述激光器和所述相机之间的相对位置关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述控制器控制所述测距装置向M个方向分别投射M个光斑，并分别获取所述M个光斑与所述测距装置之间的M个距离，所述M为大于或等于3的整数，所述M个光斑不共线；

所述控制器根据所述M个方向和所述M个距离分别确定以所述测距装置为原点的所述M个光斑的第五坐标；

所述控制器根据所述测距装置与所述激光器之间的偏移量，以及所述M个光斑的第五坐标确定以所述激光器为原点的所述M个光斑的第六坐标；

所述控制器根据所述M个光斑的第六坐标确定在所述第一坐标系下的第一光平面方程；

所述控制器根据所述第一光平面方程和所述坐标系变换参数确定在所述第二坐标系下的第二光平面方程。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述N个方向中每个方向对应的参数包括水平夹角θ和垂直俯仰角φ，其中，所述N个方向分别对应的水平夹角θ不同，且所述N个方向分别对应的垂直俯仰角φ不同。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述M个方向中每个方向对应的参数包括水平夹角θ和垂直俯仰角φ，其中，所述M个方向分别对应的水平夹角θ相同，且所述M个方向分别对应的垂直俯仰角φ不同；或者，

所述M个方向分别对应的水平夹角θ不同，且所述M个方向分别对应的垂直俯仰角φ相同。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述坐标系变换参数包括旋转矩阵和平移向量。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述测距装置包括点测距仪和光束偏转装置，控制器通过控制测距装置向N个方向分别投射N个光斑包括：

所述控制器控制所述点测距仪发射光束，并控制所述光束偏转装置调节所述光束的偏转方向以向N个方向分别投射所述N个光斑。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光束偏转装置包括振镜、硅基液晶Lcos、光学相控阵、超表面和微机电系统MEMS微镜中的一种。

8.一种结构光成像方法，其特征在于，基于权利要求2至7任意一项所述的相对位置关系确定方法，所述结构光成像方法包括：

控制器根据所述第二光平面方程控制所述测距装置对物体进行结构光成像。

9.一种相对位置关系确定系统，其特征在于，包括：控制器、测距装置、激光器和相机，所述控制器用于：

控制所述测距装置向N个方向分别投射N个光斑，并分别获取所述N个光斑与所述测距装置之间的N个距离，所述N为大于或等于4的整数，所述N个光斑不共线；

根据所述N个方向和所述N个距离分别确定以所述测距装置为原点的所述N个光斑的第一坐标；

根据所述测距装置与激光器之间的偏移量，以及所述N个光斑的第一坐标确定以所述激光器为原点的所述N个光斑的第二坐标；

控制所述相机对所述N个光斑进行成像，并分别确定在成像平面上所述N个光斑的第三坐标，再根据所述偏移量对所述N个光斑的第三坐标进行修正得到成像平面上所述N个光斑的第四坐标；

根据所述N个光斑的第二坐标和所述N个光斑的第四坐标确定所述激光器的第一坐标系与所述相机的第二坐标系之间的坐标系变换参数；

根据所述坐标系变换参数确定所述激光器和所述相机之间的相对位置关系。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器还用于：

控制所述测距装置向M个方向分别投射M个光斑，并分别获取所述M个光斑与所述测距装置之间的M个距离，所述M为大于或等于3的整数，所述M个光斑不共线；

根据所述M个方向和所述M个距离分别确定以所述测距装置为原点的所述M个光斑的第五坐标；

根据所述测距装置与所述激光器之间的偏移量，以及所述M个光斑的第五坐标确定以所述激光器为原点的所述M个光斑的第六坐标；

根据所述M个光斑的第六坐标确定在所述第一坐标系下的第一光平面方程；

根据所述第一光平面方程和所述坐标系变换参数确定在所述第二坐标系下的第二光平面方程。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述N个方向中每个方向对应的参数包括水平夹角θ和垂直俯仰角φ，其中，所述N个方向分别对应的水平夹角θ不同，且所述N个方向分别对应的垂直俯仰角φ不同。

12.根据权利要求10或11所述的系统，其特征在于，所述M个方向中每个方向对应的参数包括水平夹角θ和垂直俯仰角φ，其中，所述M个方向分别对应的水平夹角θ相同，且所述M个方向分别对应的垂直俯仰角φ不同，或者，所述M个方向分别对应的水平夹角θ不同，且所述M个方向分别对应的垂直俯仰角φ相同。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的系统，其特征在于，所述坐标系变换参数包括旋转矩阵和平移向量。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的系统，其特征在于，所述测距装置包括点测距仪和光束偏转装置，所述控制器具体用于：

控制所述点测距仪发射光束，并控制所述光束偏转装置调节所述光束的偏转方向以向N个方向分别投射所述N个光斑。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述光束偏转装置包括振镜、硅基液晶Lcos、光学相控阵、超表面和微机电系统MEMS微镜中的一种。

16.一种结构光成像系统，其特征在于，包括如权利要求10至14任意一项所述的相对位置关系确定系统，所述控制器还用于：

根据所述第二光平面方程控制所述测距装置对物体进行结构光成像。

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