[发明专利]一种光场偏折术测量系统标定镜及其应用方法

说明书

技术领域

本发明设计光学测量领域，涉及一种光场偏折术测量系统标定镜及其应用方法。

背景技术

光学三维形貌测量技术以其非接触、精度高、速度快等的优点在航空航天、汽车制造业、反向工程、计算机辅助设计、计算机辅助制造等领域得到了广泛的应用。结构光投影获取物体三维面形具有快速全场测量，测量精度较高等优点，已被广泛地应用于漫反射表面的三维测量。现在制造领域，针对镜面，近镜面等高反射表面的测量需求也很多，如光学制造领域的光学元件表面，镜面以及抛光磨具等，对这些高反射表面，常采用相位偏折术法进行测量。

由单投影设备和CCD摄像机组成的相位偏折术测量系统，具有求解法线不唯一的特点，测量系统有较大误差。目前国内外基于相位偏折术提出了多种实现对高反射物体表面的形貌测量的解决方案，但是都存在着一定的不足。在提出的光场偏折术测量系统中，解决了求解法线‘不唯一问题’，并且该系统在光场相机模式下对物体表面高度变化，以及由此引起的反射光线变化具有更高的响应特性，因此能获得关于待测物体表面更高的测量精度。在光场偏折术测量系统中，需要对双层平面调制器和相机的位姿关系以及双层平面调制器间的位姿关系进行标定，由于双层平面调制器不在相机的视野范围内，给标定带来了困难，目前国内外关于标定方法存在着明显不足。比如，Petz采用在标定镜上面贴控制点的方法，这些控制点需要通过摄影测量方法测得，很明显利用摄影测量测得控制点的坐标会增加测量时间和测量成本。而且目前来说，国内外针对光场偏折术测量系统的光场相机模式下的标定还没有出现。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种光场偏折术测量系统标定镜及其应用方法，给出该标定镜的形状结构，以及应用该标定镜进行的标定方法，使得光场偏折术的感知系统和投射系统的位姿关系可通过一次拍摄来实现，为光场偏折术系统进行高精度测量高反射物体提供了基础。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光场偏折术测量系统标定镜，用于标定光场偏折术系统的位姿关系，适用于相机和双层光平面调制器间的关系以及双层光平面调制器间的关系，它包括一个反射组由标准棋盘格镜面和平面反射镜镜面两部分并联组成；所述标准棋盘格刻画在一个平面反射镜镜面的一部分上，使其同时具有标定棋盘格和反射功能。

所述标定相机和双层光平面调制器的位姿关系，本发明针对相机和双层平面调制器位姿关系有两种情况，普通相机模式和光场相机模式，相应的标定算法分为普通相机标定算法和光场相机标定算法。

所述普通相机标定算法通过在双层平面调制器上分时显示与标定镜刻画棋盘格同尺寸的标准棋盘格，并由相机拍摄得到同时具有标定镜棋盘格和标定镜反射双层平面调制器显示的棋盘格图案，然后通过二维平面棋盘格标定法完成标定。标定后，经过参数转换，可以得到标定镜棋盘格和标定镜内棋盘格在相机坐标系下的位置姿态关系。由镜面镜像理论可知，实际双层平面调制器棋盘格和标定镜内反射棋盘格关于标定镜镜面对称，因此对标定镜内棋盘格关于标定镜进行镜像计算就可以得到相机和双层平面调制器和的位姿关系，当两层调制器相对相机的位姿关系计算完成后，经过参数变换就可以得到双层平面调制器间的位姿关系。由上述可知一次拍摄就可以得到相机和双层平面调制器的位姿关系以及双层平面调制器间的位姿关系。

所述光场相机标定算法，首先需要对光场相机参数进行标定。这里的光场相机参数标定主要是指标定微透镜的中心位置，在之后的标定实验中主要用到提取光场微透镜中心像素组成的子孔径图像。根据光场成像模型，当三维空间物体经光场相机主透镜在微透镜阵列面上清晰成像，即微透镜阵列上每个位置仅仅来源于物面上同一点的光线。经微透镜的空间复用，CCD或CMOS传感器上像素是来自于此点不同方向的光线信息。确定像素与微透镜的对应关系转化为确定像素与空间物面点的对应关系。采用多频相移的方法确定物面点和像素的关系，通过光场相机拍摄多频相移条纹图像，计算其平均相移条纹图像亮度，由于微透镜的渐晕效应导致微透镜中心位置亮度较高，而边缘处较弱，因此可以通过峰值检测算法确定微透镜的中心像素。由于光场相机制造完成后其物理参数是确定的，因此对微透镜中心参数标定一次即可。标定光场相机和双层平面调制器的位姿关系采用光场相机拍摄标定镜和标定镜内反射调制器上显示的具有与标定镜同尺寸的棋盘格图案，提取每幅光场图像的子孔径图像，子孔径图像的像素坐标用其微透镜中心下的像素坐标代替，最后采用二维平面棋盘格标定法进行标定。相机与双层平面调制器的位姿关系通过棋标定镜内棋盘格关于标定镜面镜像获得，通过参数转换进而可以得到双层平面调制器间的位姿关系。