投射条纹几何分布特征结构光测量系统标定方法
专利汇可以提供投射条纹几何分布特征结构光测量系统标定方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及视觉检测技术，为提出一种结构光测量系统的标定方法，该标定模型适用范围宽，测量 精度 高，标定过程简单。为此，本发明采用的技术方案是，投射条纹几何分布特征结构光测量系统标定方法，首先利用不确定视 角 标定方法获取摄像机 坐标系 下的已知空间点的坐标，再利用这些点的摄像机坐标系坐标和图像坐标及其编码值进行系统标定，分别建立Z方向坐标与图像信息的关系和XY方向坐标与图像信息的关系。本发明主要应用于视觉检测场合。，下面是投射条纹几何分布特征结构光测量系统标定方法专利的具体信息内容。
1.一种投射条纹几何分布特征结构光测量系统标定方法，其特征是，首先利用不确定视角标定方法获取摄像机坐标系下的已知空间点的坐标，再利用这些点的摄像机坐标系坐标和图像坐标及其编码值进行系统标定，分别建立Z方向坐标与图像信息的关系和XY方向坐标与图像信息的关系；标定Z方向的具体步骤是，测量系统的Z方向数值由图像坐标(u,v)以及对应的编码值p共同确定，投影仪镜头光轴和CCD摄像机镜头光轴具有一定夹角α且假定投影仪投射出的条纹变化方向与摄像机的u方向平行，三个平面h1,h2,h3代表三个与相机成像面平行的平面，平面h1,h2和平面h2,h3的距离相同，均为△h，平面h3与摄像机光轴交点至投影仪位置A连线与平面h2、h1的焦点依次为D、B，平面h1、h2、h3与投影仪光轴交点依次为C、E、G，在投影仪投射出的同一条光线上的编码值p相同，在摄像机的同一深度上的u随着p的改变的变化率符合关系式：
du/dp＝kp+b (1)
其中du/dp为u随着p的改变的变化率，k为斜率，b为截距，又由于在摄像机同一深度上u不随着v的变化而变化，所以又有
du/dv＝0 (2)
其中du/dv为u随着v的改变的变化率；利用式(1)和式(2)进行积分
u＝∫(kp+b)dp (3)
获得在摄像机的同一深度上的图像坐标(u,v)与对应的编码值p的关系函数，其中：A0是关于编码值p的二次项系数，B0是关于编码值p的一次项系数，D0是常数项；
u＝A0p2+B0p+D0 (4)
考虑到在摄像机坐标系uov和投影仪坐标系u'o'v'中，坐标轴o'u'与ou会有夹角β存在，需要对uov坐标系做旋转变换：
u0＝ucosβ+vsinβ (5)
带入式(4)可得
ucosβ+vsinβ＝A0p2+B0p+D0
u＝A0p2/cosβ+B0p/cosβ-vtanβ+D0/cosβ (6)
即为
u＝A1p2+B1p+C1v+D1 (7)
其中A1是关于编码值p的二次项系数，B1是关于编码值p的一次项系数，C1是关于图像坐标v的一次项系数，D1是常数项；
同一摄像机深度的(u,v,p)处在一个抛物面上，且A1随着投影仪与摄像机镜头光轴的夹角α和摄像机深度的增大而增大，利用获取的图像信息结合最小二乘法对式(7)的未知参数进行计算；
由相似三角形原理知△ABC～△ADE～△AFG,得到
其中p0为投影仪光轴上的编码值，l表示两点间的长度，由几何光学知识可知条纹周期宽度也和摄像机深度呈线性关系，即：
其中r1为分式中分子项关于h的一次项系数，r2为分式中分母项的常数项，r3为分式中分母项关于h的一次项系数，r4为分式中分母项的常数项；
对曲面方程式(7)中的系数A1做归一化处理，即消除条纹粗细变化对摄像机不同深度的编码差值的影响，得：
其中u/A1和v/A1是归一化后的图像坐标，由于消除条纹粗细变化对编码差值的影响，所以B1/A1随着摄像机深度h呈线性变化，常数项D1/A1随着摄像机深度h呈二次函数的规律变化，即：
B1/A1＝s1h+s2
D1/A1＝t0h2+t1h+t2 (11)其中s1是一次式的一次项系数，s2是一次式的常数项，t0是二次式的二次项系数，t1是二次式的一次项系数，t2是二次式的常数项；
将式(9)和式(11)带入式(7)可以得到
考虑消除摄像机镜头畸变以及投影仪和摄像机镜头的光轴在水平面上不共面带来的影响，采用二次误差补偿模型，其中k0～k5，l0～l5是误差校正系数；
因此式(12)变为
其中a0，a1分别是关于h的二次项系数中的常数项和一次项系数，b0～b7分别是关于h的二次项系数中的常数项，一次项系数和二次项系数，c0～c7分别是关于h的二次项系数中的常数项，一次项系数和二次项系数；
获得的N组已知空间点在摄像机坐标系下Z方向的坐标ZCi和图像对应信息(ui,vi,pi)满足式(14)条件，即为
PX＝Q (15)
其中X是系数矩阵，是18×1的列向量，P是的形式为N×18的矩阵，Q是形式为N×1的列向量，其中
X＝[g0 g1…gi…g17]T
构造误差函数
利用Levenburg-marquardt算法求出式(17)中未知参数，因此通过图像信息(u,v,p)结合一元三次方程求解公式解方程获得摄像机坐标系下Z方向的坐标ZC；
标定XY方向的具体步骤是：
系统的XY方向数值由经畸变校正的图像坐标(u,v)和摄像机坐标系下Z方向数值ZC共同确定，利用公式
式中s是尺度因子，m11～m34是多项式参数，在标定时，利用已知空间点在摄像机坐标系下的坐标(XC,YC,ZC)和经畸变校正的图像坐标点(u,v)结合最小二乘法即可计算出多项式参数m11～m34，在测量时，利用图像坐标(u,v)和Z方向数值ZC带入多项式即可得出XY方向分别对应的坐标值(XC,YC)，因此利用图像信息(u,v,p)得出了被测物在摄像机坐标系下的三维信息(XC,YC,ZC)。
2.如权利要求1所述的投射条纹几何分布特征结构光测量系统标定方法，其特征是，要获得世界坐标系下的坐标(XW,YW,ZW)，利用坐标转换公式(20)获得的摄像机坐标系下的坐标转换为世界坐标系下的坐标，其中R是旋转矩阵，T是平移矩阵；
标定时，将靶标放置在摄像机视场内，移动靶标，每移动一个位置需要投射结构光条纹并拍摄图像，利用不确定视角标定方法获得靶标上特征点在摄像机坐标系下的坐标，通过图像处理获得特征点的图像坐标及其特征值，将已知量带入式(17)和式(19)通过计算获取系统参数，实际测量时，即可通过式(18)和式(19)获取被测点在摄像机坐标系下的坐标，再通过式(20)即可得到这些点在世界坐标系下的坐标。
投射条纹几何分布特征结构光测量系统标定方法
技术领域
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发明内容
具体实施方式
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