[发明专利]快速标定TOF深度相机多种参数的设备及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一摄影测量的光学仪器，尤其涉及一快速标定TOF深度相机多种参数的设备及其标定方法。

背景技术

随着光学测量以及计算机视觉的发展，光学三维测量技术逐渐成熟，已逐渐出现在手势控制、3D(Three-Dimension三维)建模、汽车雷达以及机器人视觉系统等领域中，也成为当前光学测量领域中的热点。其中，摄像模组的方向朝着实现3D成像、测距、体感交互等功能新应用领域进发。各种新功能应接不暇，其中最引人注目的当属3D摄像头的诞生。

摄像机标定技术中，对于TOF深度相机参数的标定是一很重要的方面。TOF是飞行时间(Time of Flight)技术的缩写，即传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。

TOF深度相机技术是诸多光学三维测量技术中表现较为突出的一种技术。其基本原理是主动光源的光由被测物体反射后被TOF深度相机捕获，根据光由发出到捕获的这段时间来计算物体与TOF深度相机的距离。在获取空间目标的深度信息的同时，TOF深度相机还能获取空间目标的灰度信息。与其他光学三维测量技术相比，TOF深度相机技术具有计算量小、实时性强、精度适中等优点。

在现有技术中，TOF深度相机的主要误差来源有以下三种：1、由奇次谐波带来的周期性误差，亦简称为“wiggling”。2、由入射光强度变化而引起的误差。3、由于积分时间不同而带来的误差。要获取精确地获得深度信息必须对这些误差进行校正(Lindner M,Kolb A.Calibration of the intensity-related distance error of the PMD ToF-camera[C]//Optics East 2007.International Society for Optics and Photonics,2007:67640W-67640W-8.)。同时又由于制造上的原因每个像素点不可 能完全相同，在TOF深度相机矫正时往往会对每个像素的偏移进行校正，再对其他误差进行全局的标定。

TOF深度相机获取的深度信息为球坐标系(球坐标是三维坐标系的一种，用以确定三维空间中点、线、面以及体的位置，它以坐标原点为参考点，由方位角、仰角和距离构成)下的值，而在实际应用中往往需要用到空间直角坐标系下的深度值。因此，对TOF深度相机进行相机内参(相机内参为确定摄像机从三维空间到二维图像的投影关系)标定是非常必要的一步。空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，这些几何模型参数就是摄像机参数。在多数条件下，这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个过程被称为摄像机定标。摄像机的标定过程就是确定摄像机的几何和光学参数，以及摄像机相对于世界坐标系的方位。由于标定精度的大小，直接影响着机器视觉系统的精度。因此，只有做好了摄像机标定工作，后续工作才能正常展开，可以说，提高标定精度也是当前科研工作的重要方面之一。相机标定时需建立相机成像的几何模型，通过相机拍摄带有固定间距图案阵列平板、经过标定算法的计算，可以得出相机的几何模型，从而得到高精度的测量和重建结果。而带有固定间距图案阵列的平板就是标定板(Calibration Target)，也称标定模板。

对TOF深度相机进行相机内参的标定方法主要有以下两类：

一是基于平面标志物的相机标定方式。例如一个传统方法的标定过程可以简略总结为以下六个步骤：(1)打印一张棋盘格，把它贴在一个平面上，作为标定物；(2)通过调整标定物或摄像机的方向，为标定物拍摄一些不同方向的照片；(3)从照片中提取特征点(如角点)；(4)估算理想无畸变的情况下，五个内参和所有外参(外参决定摄像机坐标与外部坐标系之间相对位置关系)；(5)应用最小二乘法估算。实际存在径向畸变下的畸变系数；(6)极大似然法，优化估计，提升估计精度。二是基于复杂特征立体标志物的相机标定方式。例如采用不同深度的立方块进行标定(Tsai R Y.A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses[J].Robotics and Automation,IEEE Journal of,1987,3(4):323-344.)。