專利名稱：一種多視圖結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)自標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算方法、數(shù)學(xué)、三維重建等領(lǐng)域，尤其是一種 多視圖結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)自標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
通過二維圖像來重建物體三維信息作為計(jì)算機(jī)視覺中一門重要學(xué)科已應(yīng)用到多 種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如障礙物檢測(cè)、圖像繪制、場(chǎng)景分析、逆向工程等。編碼結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)由一個(gè) 投影儀與一個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)組成，這個(gè)投影儀可代替雙目視覺中一個(gè)攝像機(jī)的作用，可避 免傳統(tǒng)雙目視覺三維信息獲取中因匹配而產(chǎn)生的誤差，同時(shí)結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)以重建精度高、魯 棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的重視。結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)基于三角測(cè)量原理，將投影儀產(chǎn)生的編碼 光模板(由唯一的光模塊編碼)投到待測(cè)物體上，攝像機(jī)獲取光照物體上光條紋信息來完 成三維重構(gòu)。為完成待測(cè)物的三維重構(gòu)，一個(gè)必不可少的任務(wù)就是通過標(biāo)定來得出攝像機(jī) 的內(nèi)參數(shù)以及攝像機(jī)與投影儀的外參數(shù)。
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)標(biāo)定需分兩部通過手動(dòng)操作來完成，首先攝像機(jī)標(biāo)定需依靠標(biāo) 定板由人工操作完成，標(biāo)定板由精確的標(biāo)定設(shè)備組成，通過標(biāo)定板上提供的精確的角點(diǎn)坐 標(biāo)可有效完成標(biāo)定任務(wù)，其次，通過獲取若干幅帶投影條紋的待測(cè)物圖像來完成投影儀標(biāo) 定。在上面這種方法中，當(dāng)投影儀或攝像機(jī)的位置發(fā)生改變時(shí)必須重新進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，這種 方法顯然不適合應(yīng)用在機(jī)器人進(jìn)行海底勘測(cè)，機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)爆破等一些不易人工操作的場(chǎng)合 中。因此，發(fā)明一種有效而合理的機(jī)器視覺自標(biāo)定算法便成為機(jī)器視覺領(lǐng)域亟待解決的一 個(gè)問題。通過這種方法，當(dāng)攝像機(jī)和投影儀內(nèi)參數(shù)或者位置發(fā)生變化時(shí)，結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)可以自 動(dòng)標(biāo)定攝像機(jī)和投影儀的內(nèi)外參數(shù)而不需要?jiǎng)e的外在設(shè)備來輔助完成。
機(jī)器視覺自標(biāo)定算法在近些年已經(jīng)得到深入研究，但是大部分自標(biāo)定算法都是基 于被動(dòng)視覺如雙目視覺等，對(duì)于主動(dòng)視覺標(biāo)定算法主要是基于靜態(tài)標(biāo)定和人工標(biāo)定。近幾 十年，在主動(dòng)立體視覺方面基于結(jié)構(gòu)光標(biāo)定的算法得到深入研究，i^ofi et al等提出一種 結(jié)構(gòu)光自標(biāo)定算法，該算法是在假設(shè)投影到物體上的投影模板為正方形的前提下進(jìn)行的， 但事實(shí)上這種情況并不是完全成立。在已獲得攝像機(jī)和投影儀內(nèi)參數(shù)的前提下，陳勝勇和 李有福等人提出了一種當(dāng)攝像機(jī)和投影儀之間的外參數(shù)發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)重標(biāo)定的算法，這 種算法局限于攝像機(jī)和投影儀內(nèi)參數(shù)須保持不變。Furukawa和Kawasaki提出了一種基于 多視圖幾何的自標(biāo)定方法，在這種算法中投影儀近似于一個(gè)攝像機(jī)，在獲得攝像機(jī)內(nèi)參數(shù) 并且保持不變的前提下，當(dāng)投影儀和攝像機(jī)的外參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)外參數(shù)矩陣可自動(dòng) 算出。在上面的自標(biāo)定方法在實(shí)現(xiàn)過程前均需要一些先驗(yàn)條件來幫助實(shí)現(xiàn)，這種特點(diǎn)使得 這些方法有一定的局限性。在假設(shè)投影儀的參數(shù)已知的前提下，Li和Lu提出了一種自標(biāo)定 算法可自動(dòng)得出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，然而當(dāng)工作環(huán)境光線改變需要改變投影儀焦距時(shí)該標(biāo) 定算法就顯局限性。i^ofi等提出一種結(jié)構(gòu)光無標(biāo)定重構(gòu)算法，該算法首先對(duì)等測(cè)圖像完成 射影重構(gòu)，然后利后各種約束條件完成歐氏重構(gòu)，這種算法雖然不需標(biāo)定完成重建，但假設(shè) 攝像機(jī)和投影儀為仿射模型并不是在任何條件下都滿足?；诙嘁晥D幾何理論，Li和Lee提出一種包括兩個(gè)攝像機(jī)和一個(gè)投影儀的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)分層自標(biāo)定方法，但該算法中假設(shè)圖 像象素為正方法并符合常理，同時(shí)兩個(gè)攝像機(jī)大大增加了系統(tǒng)的成本。發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有多視圖結(jié)構(gòu)光自標(biāo)定方法的計(jì)算復(fù)雜、適用性差、成本高的不足，本 發(fā)明提供一種簡(jiǎn)化計(jì)算、適用性良好、降低成本的多視圖結(jié)構(gòu)光自標(biāo)定方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
—種多視圖結(jié)構(gòu)光自標(biāo)定方法，包括以下步驟
1)所述多視圖結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)包含一個(gè)攝像機(jī)和一個(gè)投影儀，投影儀投出一個(gè)網(wǎng)格圖 案，所述網(wǎng)格圖案基于位置唯一原理進(jìn)行編碼產(chǎn)生，攝像機(jī)在三個(gè)不共線的位置獲取三幅 圖片，攝像機(jī)在三個(gè)不同位置記為C1, C2, C3 ；
2)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣標(biāo)定過程
定義K。為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，π工和π 2為兩條任意投影儀平面，Hi是攝像機(jī)在Cl 到c2以及cl到c3通過平面π ！透導(dǎo)得出的單應(yīng)矩陣，i = l，2，K。t為攝像機(jī)cl的極點(diǎn)表 示為K。t = ，其中t3是攝像機(jī)cl到攝像機(jī)c2的轉(zhuǎn)移矩陣t的第三個(gè)原素，％是歸一化 后的極點(diǎn)坐標(biāo)；
任一平面的消影線表示為
1 Κ:τη(1)
其中，“ ”代表和等號(hào)相差一個(gè)比例因子，1表示平面π在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的消 影線，η表示平面η的法向量；
H00是攝像機(jī)C1和C2通過無窮遠(yuǎn)平面π 透導(dǎo)的無窮單應(yīng)矩陣，兩攝像機(jī)通過平 間一平面η透導(dǎo)的單應(yīng)矩陣表示為
H IRK^+KjnVdlV1(2)
其中，d是攝像機(jī)光心到平面π的幾何距離，K1和K2分別是兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù) 矩陣，R是兩個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系矩陣，t是兩個(gè)攝像機(jī)的平移關(guān)系；
當(dāng)d為無窮大時(shí)(2)式表示為
Ha^YimH-K2RKx1(3)
假設(shè)1 = t3/dK。_Tn.，公式(2)式轉(zhuǎn)變成(4)
S1H1 = KcRKc_1+e2lT(4)
其中，S1是使單應(yīng)矩陣歸一化的比例系數(shù)，由(3)式可知⑷式等式右邊KeRKcT1近 似為一個(gè)由攝像機(jī)cl到c2的無窮單應(yīng)矩陣，將(4)式移到等式左邊得如式(5)
S1Hre2I1 = KcRKcT1 = Hooclc2(5)
其中Hooc^2表示平面π ！在攝像機(jī)cl中的消影線以及攝像機(jī)cl和c2通過平面 JI ！透導(dǎo)的單應(yīng)矩陣和極點(diǎn)e2，由旋轉(zhuǎn)矩陣性質(zhì)得到RRt = I，I是一個(gè)三階單位矩陣，聯(lián)立 (4)和(5)式，得出式(6)
(S1H1-^It) (KCKCT) (S1H1-^It) T = KCKCT (6)
設(shè)定攝像機(jī)和投影儀扭曲參數(shù)為0，攝像機(jī)光心坐標(biāo)為原點(diǎn)，矩陣Κ。Κ。Τ表示成如 下形式
權(quán)利要求
1. 一種多視圖結(jié)構(gòu)光自標(biāo)定方法，其特征在于所述自標(biāo)定方法包括以下步驟1)所述多視圖結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)包含一個(gè)攝像機(jī)和一個(gè)投影儀，投影儀投出一個(gè)網(wǎng)格圖案， 所述網(wǎng)格圖案基于位置唯一原理進(jìn)行編碼產(chǎn)生，攝像機(jī)在三個(gè)不共線的位置獲取三幅圖 片，攝像機(jī)在三個(gè)不同位置記為Cl，C2, C3 ；2)攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣標(biāo)定過程定義K。為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，π i和π 2為兩條任意投影儀平面，Hi是攝像機(jī)在cl至IJ c2以及cl到c3通過平面π ！透導(dǎo)得出的單應(yīng)矩陣，i = 1，2，K。t為攝像機(jī)cl的極點(diǎn)表示 為K。t = ，其中t3是攝像機(jī)cl到攝像機(jī)c2的轉(zhuǎn)移矩陣t的第三個(gè)原素, 是歸一化后 的極點(diǎn)坐標(biāo)；任一平面的消影線表示為 1 Κ:τη(1)其中，“ ”代表和等號(hào)相差一個(gè)比例因子，1表示平面η在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的消影線， η表示平面π的法向量；H是攝像機(jī)C1和C2通過無窮遠(yuǎn)平面π JS導(dǎo)的無窮單應(yīng)矩陣，兩攝像機(jī)通過平間一 平面η透導(dǎo)的單應(yīng)矩陣表示為H ^RKi^+K^nVdK^1(2)其中，d是攝像機(jī)光心到平面π的幾何距離，K1和K2分別是兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣， R是兩個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系矩陣，t是兩個(gè)攝像機(jī)的平移關(guān)系； 當(dāng)d為無窮大時(shí)(2)式表示為
2.如權(quán)利要求1所述的多視圖結(jié)構(gòu)光自標(biāo)定方法，其特征在于所述自標(biāo)定方法還包 括步驟3)投影儀內(nèi)參數(shù)矩陣標(biāo)定過程I1和I2分別是平面η工和η 2在攝像機(jī)C1視圖中的消影線，Ii1和Ii2分別為平面π ！和 JI2與投影儀圖像平面的交線，由此得Nt‘clpI1- i = 1，2(10)其中Nooclp是直線h與Ii之間的單應(yīng)矩陣，每組對(duì)應(yīng)關(guān)系得出兩個(gè)獨(dú)立方程，在獲得 至少四組對(duì)應(yīng)關(guān)系的前提下求出Noocap ；根據(jù)點(diǎn)和線之間單應(yīng)矩陣的關(guān)系得式(11)H =Nη °° cip 丄、cclp投影儀內(nèi)參數(shù)矩陣與無窮單應(yīng)HtKpKp1Hclp (KCKCT) H t‘clp(11)_之間的關(guān)系如下式所示 (12)通過(12)式求出矩陣KPKPT，其中，未知變量經(jīng)歸 Cholesky方程得出投影儀內(nèi)參數(shù)的矩陣Κρ。 化矩陣KDKDT來求得，然后再由全文摘要
一種多視圖結(jié)構(gòu)光自標(biāo)定方法，包括以下步驟1)多視圖結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)包含一個(gè)攝像機(jī)和一個(gè)投影儀，投影儀投出一個(gè)網(wǎng)格圖案，所述網(wǎng)格圖案基于位置唯一原理進(jìn)行編碼產(chǎn)生，攝像機(jī)在三個(gè)不共線的位置獲取三幅圖片；2)定義Kc為攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，π1和π2為兩條任意投影儀平面，Hi是攝像機(jī)在c1到c2以及c1到c3通過平面π1透導(dǎo)得出的單應(yīng)矩陣，i＝1，2，Kct為攝像機(jī)c1的極點(diǎn)表示為Kct＝t3e2；通過由條紋平面透導(dǎo)的單應(yīng)矩陣可確定投影儀條紋平面在第一個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系中的消影線，結(jié)合無窮單應(yīng)知識(shí)可得到攝像機(jī)和投影儀的內(nèi)參數(shù)矩陣。本發(fā)明能簡(jiǎn)化計(jì)算、適用性良好、降低成本。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102034234SQ20101051675
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者原長春, 李友福, 王萬良, 王鑫, 陳勝勇 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)