[发明专利]一种结合标定与校正的摄像机三维测量装置、系统及方法

说明书

技术领域

本发明一种结合标定与校正的摄像机三维测量装置、系统及方法属于三维结构光测量领域。

背景技术

结构光三维测量技术，需要从多角度采集标定模型数据，确定摄像机标定参数，完成摄像机的标定工作。为了达到多角度这一目的，需要不断移动标定设备，由于每次移动都会存在测量误差，而该误差会随移动次数的增加而累加，这就会影响标定参数计算的准确性，从而影响最终的测量精度。可见，如何降低测量次数，是避免误差累计，提高测量精度的有效技术手段。然而，还没有查阅到相关的技术手段。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种结合标定与校正的摄像机三维测量装置、系统及方法，通过设定立方体标定物，充分利用立方体标定物的多个标定面，达到一次采集数据即能够得到摄像机从多角度采集数据的效果，有效减少了测量次数，避免了误差的累加；同时，结合了牛顿迭代的畸变矫正算法，进一步提高了标定参数计算值的稳定性，最终达到了提高三维测量精度的目的。

本发明的内容是这样实现的：

一种结合标定与校正的摄像机三维测量装置，包括待测物体、设置在待测物体上方的立体标定模块、用于对待测物体和立体标定模块同时成像的摄像机和用于接收摄像机图像数据的PC机；所述立体标定模块为正六面体，每个面均为10×10的白色和彩色相间的方格矩阵，六个面中的彩色颜色各异；所述摄像机能够同时拍摄到立体标定模块的三个面。

一种结合标定与校正的摄像机三维测量装置，包括待测物体、设置在待测物体上方的立体标定模块、用于对待测物体和立体标定模块同时成像的摄像机和用于接收摄像机图像数据的PC机；所述立体标定模块为正六面体，每个面具有10×10的方格，所述方格中，有1×3的区域采用异色图案排列组合的形式，其它区域采用异色图案相间的方格矩阵；所述摄像机能够同时拍摄到立体标定模块的三个面。

一种结合标定与校正的摄像机三维测量系统，包括标定模块和校正模块；

所述标定模块用于计算摄像机的内参数和外参数，包括：

信息获取单元：用于获取立体标定模块上的标定点世界坐标值(x_w,y_w,z_w)；摄像机对立体标定模块拍摄图像，将图像数据传递给PC机，所述PC机用于获得立体标定模块图像中三个面的标定点图像像素坐标测量值(u',v')；

参数计算单元：用于计算摄像机的内参数和外参数；利用信息获取单元计算得到的标定点坐标来计算摄像机的内参数和外参数；

所述校正模块用于计算畸变系数，校正畸变，得到测量值，包括：

信息整合单元：用于确定畸变校正系数的种类和数量；将标定模块中得到的内参数和外参数代入到畸变校正算法模型中，确定畸变校正系数的种类和数量；

参数计算单元：用于计算畸变校正系数；根据信息整合单元得到的畸变校正系数的种类和数量，利用畸变校正算法计算畸变校正系数；

实体测量单元：用于校正实物图像；将参数计算单元得到的畸变校正系数代入到牛顿迭代畸变校正法，并对事物图像进行畸变校正，得到最终图像。

上述结合标定与校正的摄像机三维测量系统，参数计算单元中采用的畸变校正算法，如下：

步骤a、建立图像像素坐标理论值(u,v)、图像像素坐标测量值(u',v')、图像像素坐标系原点坐标值(u₀,v₀)、图像物理坐标值(x,y)、畸变系数k₁和畸变系数k₂之间的关系方程：

步骤b、在摄像机拍摄到立体标定模块的3个面中，每个平面取n个像素标定角点，第i个像素标定角点的图像像素坐标理论值为(u_i,v_i)，图像像素坐标测量值为(u_i',v_i')，对于立体标定模块的第i个面的第j个像素标定角点，方程组为：

令：

有：DK＝d

按照K＝(D^TD)^-1D^Td，求解K中的畸变系数k₁和畸变系数k₂。

一种在以上结合标定与校正的摄像机三维测量装置上实现的结合标定与校正的摄像机三维测量方法，包括以下步骤：