[发明专利]纹理摄像机标定装置与方法及其纹理图像几何校正方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种摄像机的标定装置与方法及其图像几何校正方法，尤其涉及一种光学三维测量中的纹理摄像机标定装置与方法及其纹理图像几何校正方法。

背景技术

光学三维测量技术，是指以光学方法为手段测量物体面形,获取物面三维点云数据的技术。该技术以其非接触的优点，在工业检测、生物学与医学、人类文化遗产保护、以及计算机视觉等方面都有着十分广阔的应用前景。主动式光学三维测量技术采用主动照明光源向物体投射结构光编码图案，利用摄像机从另一角度拍摄变形图案，从中计算出物面三维点云数据。被动式光学三维测量技术利用环境照明，采用两台或多台摄像机从多个角度拍摄物体，利用立体视觉原理重建物面三维点云数据。利用测得的三维点云数据可以重建物体的三维模型。在测量系统中，为避免颜色校正或颜色平衡操作等引起的灰度畸变降低测量精度，一般选用黑白摄像机作为的测量摄像机,重建的三维点云数据与测量摄像机像素具有直接对应关系。

为了增强三维测量结果显示时的视觉真实感，可将被测三维物体的照片通过纹理贴图映射至重建的三维模型表面。在光学三维测量中，获取纹理照片的方式主要有三种。其一，直接用测量摄像机拍摄物体纹理照片。这种方法点云数据与纹理数据由同一摄像机获得，可以精确配准，贴图时没有位置误差。但由于测量摄像机一般为黑白摄像机，丢失了颜色信息。如果采用彩色相机进行测量（S Zhang and S-T Yau, “Simultaneous three-dimensional geometry and color texture acquisition using a single-chip color camera,” Opt. Eng. 47(12), 123604, 2008），Bayer滤色片及摄像机颜色平衡计算会引起灰度畸变，从而降低测量精度。其二，利用分光装置将物面反射的光束分为两路。在其中一路，用彩色摄像机拍摄纹理照片（S. Zhang and P. S. Huang, “High-resolution, real-time threedimensional shape measurement,” Opt. Eng. 45, 123601，2006）。这种方法不仅需要增加分光器件，还需要将纹理摄像机像素与测量摄像机像素精确对应，调整较为困难。其三，彩色纹理摄像机安装于测量摄像机旁边任意位置。这种方法简便易行，但由于纹理摄像机和测量摄像机的视角存在差异。直接拍摄的纹理照片不能直接用于纹理贴图，需要通过图像的配准或几何校正，将该纹理照片变换至测量摄像机所在视角才能实现贴图。

上述第三种方法简便易行，最为实用，但须通过标定建立纹理摄像机视角图像与测量摄像机视角图像之间的映射关系，再利用该映射关系将纹理摄像机拍摄到的彩色纹理图像变换至测量摄像机所在视角。由于测量摄像机像素与重建点云之间具有直接对应关系，那么就可以利用变换后的图像实现纹理贴图。但一般的摄像机标定方法（例如Z.Zhang，“Flexibel camera calibration by viewing a plane from unknown orientation,” International conference on computer vision(ICCV’99), Corfu, Greece. 666-673,1999）适用于获取一个摄像机的内外参数，不能直接用于确定上述两个视角图像像素之间的映射关系。

发明内容

本发明的目的，是提供一种用于光学三维测量的纹理摄像机标定装置和方法及其纹理图像的几何校正方法。通过上述装置和方法，可以确定光学三维测量系统中纹理摄像机视角图像和测量摄像机视角图像之间的像素映射关系。通过该映射关系，可以将纹理摄像机拍摄到的彩色纹理图像变换至测量摄像机视角，从而实现三维模型的纹理贴图，增强三维测量结果显示时的视觉真实感。

为达到上述目的，本发明采用下述方案：

一种光学三维测量中的纹理摄像机标定装置，包括一块表面带有二维圆点标记阵列的参考平板和一个移动工作台。参考平板上的圆点标记阵列沿X、Y两个垂直方向分布。各圆点圆心坐标（X_k，Y_k）精确已知，其中k（k=1,2,…,K）为圆点序号。为提高图像对比度，圆点标记与背景颜色分别为黑白两色。参考平板固定于移动工作台上，并使参考平板平面与移动工作台移动方向垂直，于是移动工作台可驱动参考平板沿Z轴方向移动，移动距离可以精确读取。