[发明专利]一种新型的单个摄像机和单个投影光源同步标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及单个摄像机和单个投影光源高精度同步标定方法，更具体的说，本发明所提供的标定方法，可以同时获得单个摄像机和单个投影光源的内部和外部以及三维重建过程中所需要的参数信息。

背景技术

三维重建方法已广泛应用于工业检测、逆向工程、人体扫描、文物保护、服装鞋帽等多个领域，对自由曲面的检测具有速度快、精度高的优势。按照成像照明方式的不同，光学三维测量技术可分为被动三维测量和主动三维测量两大类。在主动三维测量技术中，结构光三维测量技术发展最为迅速，尤其是相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry，PMP)，也被称为相移测量轮廓术(Phase Shifting Profilometry，PSP)，是目前三维测量产品中常用的测量方法。相位测量方法是向被测物体上投射固定周期的按照三角函数(正弦或者余弦)规律变化的光亮度图像，此光亮度图像经过大于3步的均匀相移，最好为4-6步均匀相移，向物体投射4-6次光亮度图像，最终完成一个周期的相位移动。物体上面的每个点，经过相移图像的投射后，在图像中会分别获得几个不同的亮度值。此亮度值经过解相运算，会获得唯一的相位值。如果能够获得摄像机及投影光源的几何位置信息，就可以利用所获得的相位值及相关的几何位置信息，获得被测场景的三维坐标信息。摄像机及投影光源标定系统的任务，就是获取摄像机以及投影光源相关几何参数的方法。除了已有标定方法可以获得摄像机以及投影光源的内部参数(内部参数主要包括：焦距，相面中心，畸变参数等)和外部参数(外部参数主要包括：旋转矩阵和平移矩阵)之外，还必须标定出来的几个参数信息包括：

(1)投影光源与摄像机之间的距离D；

(2)摄像机与参考平面的距离L；

(3)投影光源投射的正弦或者余弦信号波的频率f₀；

(4)图像在X轴方向相邻像素点的距离值R_x；

(5)图像在Y轴方向相邻像素点的距离值R_y。

清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室韦争亮等给出了一种单摄像机单投影仪三维测量系统标定技术，该方法依靠具有黑底白色圆点图案的单平面标定块，采用Tsai两步法及非线性优化完成摄像机标定。通过双方向解相实现标志点在投影平面上的反向成像，把投影仪作为虚拟摄像机采用同样方法进行标定。解相时采用基于伪随机彩色条纹序列展开的时空域编码和3步相移法。该方法的缺点如下：

(1)该方法采用Tsai两步法进行摄像机标定，而Tsai两步法是建立在空间坐标点为非共面坐标点的基础之上，因此该方法必须要构造空间非共面的坐标信息点，仅仅依靠一幅平面标记点信息无法精确完成参数标定工作；

(2)该方法采用基于伪随机彩色条纹序列展开的时空域编码和3步相移法来进行投影光源的解相，在解相过程中，相移的步数越多，解相精度越高。3步相移法的解相精度远远低于6步相移法的解相精度。因此，用低精度的相位信息进行投影光源的标定，势必要影响投影光源的标定精度；

(3)没有给出D、L、f₀、R_x和R_y的标定方法。

华中科技大学李中伟博士在博士论文《基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究》中也给出一种摄像机和投影光源的标定方法，该方法首先对摄像机的参数进行标定，然后再通过投影光源，投射4步相移的外差多频图像，获得投影光源的相关标定参数。该方法的缺点是：

(1)采用4步相移的外差多频图像，在进行相位解相时的精度，也不如6步相移的解相精度高，因此无法保证投影光源的标定精度；

(2)该方法首先对摄像机进行标定，然后对投影光源进行标定，没有实现摄像机和投影光源信息的同步标定，对后续其他参数的运算带来一定的困难；

(3)没有给出D、L、f₀、R_x和R_y的标定方法。

在国际上，哈佛大学张松博士以及意大利E.Zappa博士等多位学者，也曾经对摄像机以及投影光源的标定进行过相关的研究。但是目前所有已有的标定方法中，都只是介绍了如何获得摄像机以及投影机的内部参数和外部参数信息，并没有给出如何获得在三维重建系统中所需要的五个重要参数的信息的标定方法。