專利名稱：雙目攝像機和單個投影光源同步標定方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及雙目攝像機和單個投影光源高精度同步標定方法，更具體的說，本發(fā)明所提供的標定方法，可以同時獲得兩個攝像機和單個投影光源的內(nèi)部和外部參數(shù)，并自動將兩個攝像機拍攝到的三維信息進行拼接。
背景技術(shù)：
三維重建方法已廣泛應用于工業(yè)檢測、逆向工程、人體掃描、文物保護、服裝鞋帽等多個領域，對自由曲面的檢測具有速度快、精度高的優(yōu)勢。按照使用的攝像機的個數(shù)不同，三維重建方法分為單目、雙目和多目三維重建系統(tǒng)。單目系統(tǒng)一般包括單個攝像機和單個投影光源，主要是采用相位測量輪廓術(shù)(Phase Measuring Prof ilometry, PMP),也被稱為相移測量輪廓術(shù)(Phase ShiftingProfilometry,PSP)來進行三維測量。相位測量方法是向被測物體上投射固定周期的按照 三角函數(shù)(正弦或者余弦)規(guī)律變化的光亮度圖像，此光亮度圖像經(jīng)過大于3步的均勻相移，最好為4-6步均勻相移，向物體投射4-6次光亮度圖像，最終完成一個周期的相位移動。物體上面的每個點，經(jīng)過相移圖像的投射后，在圖像中會分別獲得幾個不同的亮度值。此亮度值經(jīng)過解相運算，會獲得唯一的相位值。通過單個攝像機和單個投影光源的標定方法，可以獲得攝像機及投影光源的幾何位置信息，就可以利用所獲得的相位值及相關的幾何位置信息，獲得被測場景的三維坐標信息。雙目系統(tǒng)一般包括兩個攝像機和一個投影光源，主要采用立體匹配的方法來進行三維重建。即物空間坐標系中的某一點P，會分別在兩個攝像機中拍攝到P點的成像點Pl和P2，利用物空間的P點和兩個成像點Pl和P2所構(gòu)成的三角關系，以及事先已經(jīng)標定好的兩個攝像機之間的位置關系及內(nèi)部參數(shù)信息，即可以解算出P點的三維坐標。多目系統(tǒng)一般是建立在多個單目或者雙目系統(tǒng)的基礎之上，其原理是對單目或者雙目系統(tǒng)的拼接和集成。已有的雙目系統(tǒng)由于是利用物空間P點和兩個成像點Pl和P2的三角關系來獲得三維坐標信息，其優(yōu)點是無需對投影光源進行標定。其缺點是只有兩個攝像機都能拍攝到的部分，才能獲得三維坐標信息，如果只有一個攝像機能夠拍攝的范圍，由于無法構(gòu)成三維測量關系，因此無法獲得三維點云，也就是說，已有的雙目系統(tǒng)只能獲得兩個攝像機拍攝場景的交集。本發(fā)明給出了一種雙目攝像機和單個投影光源的同步標定方法，無需增加硬件成本，但該方法與已有雙目系統(tǒng)的最大差別是，只要有一個攝像機能夠拍攝到的物空間點，都可以獲得三維坐標信息，因此本發(fā)明所提供的標定方法，可以獲得兩個攝像機拍攝到的場景的并集，增加了測量范圍，減少測量次數(shù)，節(jié)省測量時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種單個攝像機和單個投影光源同步標定方法，經(jīng)過標定后的參數(shù)能夠應用于高精度三維測量中，可以彌補已有標定方法存在的缺陷，提高標定和三維測量的精度。所述的單個攝像機和單個投影光源同步標定系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括用于投射光信號的投影光源裝置，投影光源的分辨率為Lk X L。，投影光源的個數(shù)為I個；用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計算機；用于采集圖像的彩色或者黑白攝像機，圖像分辨率為CkXCc,攝像機個數(shù)為I個；
用于放置所述的投影光源裝置和所述的彩色或者黑白攝像機的掃描平臺；本發(fā)明所設計的兩個攝像機和單個投影光源同步標定方法，具體操作步驟如下步驟I :將兩個彩色或者黑白攝像機與投影光源(所述的投射光源的分辨率為LeXLc)固定在掃描平臺上，并確定在標定結(jié)束后，三維測量時，所述的彩色或者黑白攝像機與所述的投影光源的位置也不會被改變，其中放置在所述投影光源左面的彩色或者黑白攝像機稱為左攝像機，放置于所述投影光源右面的彩色或者黑白攝像機稱為右攝像機，所述的投影光源雖然只有一個，但是其與左攝像機和右攝像機均可以構(gòu)成單目三維測量系統(tǒng)，所述投影光源與左攝像機構(gòu)成三維測量系統(tǒng)時，所述投影光源稱為左投影光源，所述投影光源與右攝像機構(gòu)成三維測量系統(tǒng)時，所述的投影光源稱為右投影光源，物空間坐標系在與左攝像機構(gòu)成的三維測量系統(tǒng)稱為左物空間坐標系，與右攝像機構(gòu)成的三維測量系統(tǒng)時稱為右物空間坐標系；將事先加工好的標定靶標放置于與被測物體距離相近的位置，即距離被測物體±500mm范圍的位置，擺放好所述的標定靶標，并確定所述的標定靶標能夠被所述的兩個彩色或者黑白攝像機拍攝完全，且所述的投影光源能夠投射的光信號范圍能夠覆蓋所述的標定靶標所在的位置；調(diào)整好所述的兩個彩色或者黑白攝像機以及所述的投影光源的焦距，使之處于最佳狀態(tài)；步驟2 :將所述的標定靶標調(diào)整超過3次以上的位置，最好為5-8次，并確保所述的標定靶標調(diào)整后的每個位置，都能被所述的兩個彩色或者黑白攝像機拍攝完全，且所述的投影光源能夠投射的光信號范圍能夠覆蓋所述的標定靶標所在的位置；每次靶標調(diào)整位置后，都要利用所述的兩個彩色或者黑白相機進行靶標圖像的采集，并利用所述的投影光源向所述的標定靶標投射一系列的格雷碼加6步相移圖像，通過所述的兩個彩色或者黑白相機采集所述的投影光源投射后的每幅圖像；步驟3:利用張正友的平板標定方法，獲得左攝像機坐標系Xa、右攝像機坐標系Xc2、左投影光源坐標系Xpi、右投影光源坐標系Xp2、左物空間坐標系Xm和右物空間坐標系Xw2之間的坐標關系如下公式所示
權(quán)利要求
1. 一種雙目攝像機和單個投影光源同步標定方法，其特征是，包括下列步驟 步驟I :將兩個彩色或者黑白攝像機與投影光源(所述的投射光源的分辨率為LkXLc)固定在掃描平臺上，并確定在標定結(jié)束后，三維測量時，所述的彩色或者黑白攝像機與所述的投影光源的位置也不會被改變，其中放置在所述投影光源左面的彩色或者黑白攝像機稱為左攝像機，放置于所述投影光源右面的彩色或者黑白攝像機稱為右攝像機，所述的投影光源雖然只有一個，但是其與左攝像機和右攝像機均可以構(gòu)成單目三維測量系統(tǒng)，所述投影光源與左攝像機構(gòu)成三維測量系統(tǒng)時，所述投影光源稱為左投影光源，所述投影光源與右攝像機構(gòu)成三維測量系統(tǒng)時，所述的投影光源稱為右投影光源，物空間坐標系在與左攝像機構(gòu)成的三維測量系統(tǒng)稱為左物空間坐標系，與右攝像機構(gòu)成的三維測量系統(tǒng)時稱為右物空間坐標系；將事先加工好的標定靶標放置于與被測物體距離相近的位置，即距離被測物體±500mm范圍的位置，擺放好所述的標定靶標，并確定所述的標定靶標能夠被所述的兩個彩色或者黑白攝像機拍攝完全，且所述的投影光源能夠投射的光信號范圍能夠覆蓋所述的標定靶標所在的位置；調(diào)整好所述的兩個彩色或者黑白攝像機以及所述的投影光源的焦距，使之處于最佳狀態(tài)； 步驟2 :將所述的標定靶標調(diào)整超過3次以上的位置，最好為5-8次，并確保所述的標定靶標調(diào)整后的每個位置，都能被所述的兩個彩色或者黑白攝像機拍攝完全，且所述的投影光源能夠投射的光信號范圍能夠覆蓋所述的標定靶標所在的位置；每次靶標調(diào)整位置后，都要利用所述的兩個彩色或者黑白相機進行靶標圖像的采集，并利用所述的投影光源向所述的標定靶標投射一系列的格雷碼加6步相移圖像，通過所述的兩個彩色或者黑白相機采集所述的投影光源投射后的每幅圖像； 步驟3 :利用張正友的平板標定方法，獲得左攝像機坐標系Xa、右攝像機坐標系夂。2、左投影光源坐標系Xpi、右投影光源坐標系Xp2、左物空間坐標系Xwi和右物空間坐標系Xw2之間的坐標關系如下公式所示 Xci = RlXwi+T1(I) Xpi = R2Xwi^(2) Xc2 = R3^W2+T3(3) Xp2 =尺4^2+丁4(4) 步驟4 :利用下面公式將右攝像機坐標系轉(zhuǎn)換到左攝像機坐標系，實現(xiàn)兩個視圖的坐標統(tǒng)一 Xc2 = R^1R3R2RX1 +Ri1R3CT2 -T4 +R4R-1T3 -R2RI1T1)(5) 至此，標定過程結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明屬于三維機器視覺領域，涉及一種高精度兩個攝像機和單個投影光源同步標定方法。本發(fā)明將兩個攝像機和單個投影光源視為兩個單目三維測量系統(tǒng)，在對攝像機和投影光源坐標位置進行標定的同時，可以獲得兩個攝像機坐標系之間的坐標變換關系，進而將兩個攝像機采集到的三維坐標數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系下。本發(fā)明在不增加硬件成本的基礎上，可以改變已有雙目視覺測量系統(tǒng)只能測量兩個攝像機采集三維場景交集的弊端，通過本發(fā)明所介紹的兩個攝像機和投影光源的同步標定方法，可以獲得兩個攝像機所采集到的三維場景的并集，增大了測量范圍，減少測量次數(shù)，節(jié)省測量時間。
文檔編號G01B11/00GK102878925SQ201210344108
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者宋麗梅, 楊燕罡, 陳卓 申請人:天津工業(yè)大學