[发明专利]一种相位偏折术测量系统标定方法及系统

说明书

本发明公开一种相位偏折术测量系统标定方法及系统，该方法采用平行阶梯平面镜对显示屏幕反射成像，位姿关系中旋转矩阵可通过一个平行平面镜位置获得，位姿关系中平移矩阵只需改变一次平行阶梯平面镜位置，通过线性求解，可大大简化标定过程和降低测量成本，使标定过程更加自由和高效。

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种相位偏折术测量系统标定方法及系统。

背景技术

针对镜面反射表面的三维测量，根据镜面反射特性，众多学者提出了利用相位测量偏折术来测量镜面面形，其原理是根据相位信息确定镜面表面的梯度信息，通过梯度积分或插值等方法确定面形。在相位测量偏折术测量方法中，不在相机视场中的显示屏幕和相机位姿关系的标定是其关键技术。

在现有的标定技术中，Petz提出采用表面贴上控制点的标定镜来标定偏折术测量系统的位姿关系，其上的控制点需要经过识别和摄影测量方法测得精确坐标。标志点的测量误差对系统位姿关系标定结果影响较大，且对标志点的测量会增加测量时间和测量成本。肖永亮等提出采用镜面标定法标定偏折术系统位姿关系，采用平面镜对显示屏幕反射成像，根据建立的显示屏幕和其在平面镜中虚像的位姿关系进行线性求解确定系统位姿关系。由于至少需要平面镜的位置改变3次，相机需要获取多幅镜面反射的条纹图案，操作较为复杂，效率较低。而且镜面标定法中线性求解通常对噪声敏感，系统位姿关系标定结果精度与平面镜到相机的距离和平面镜转动角度均有关系。付生鹏等提出采用圆环镜面标定系统位姿关系，首先通过椭圆检测确定圆环镜面在相机坐标系下的位姿，继而根据平面镜镜像原理确定显示屏幕和相机的位姿关系。环形镜面的加工较为复杂，并且由于环形镜面的特殊形状，导致在反射某些形状的参照物时(比如棋盘格标定板)，相机无法获取参照物的完整虚像。Xiao等采用姿态转换法标定系统位姿关系，通过引入辅助相机和辅助显示器，通过辅助显示器连接两个相机和辅助相机，通过姿态转换确定系统位姿关系。辅助相机和显示器的引入增加了成本，且使得标定过程变得复杂。如何进行有效简单的系统位姿关系标定，是相位偏折术测量的关键。

发明内容

本发明的目的在于通过一种相位偏折术测量系统标定方法及系统，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种相位偏折术测量系统标定方法，其包括如下步骤：

S101、相机通过平行阶梯平面镜观测到显示屏幕在平行阶梯平面镜中的两个虚像；

S102、通过PnP方法获得所述显示屏幕在平行阶梯平面镜中的两个虚像在相机坐标系下的位姿关系；所述两个虚像在相机坐标系下的位姿关系中平移矩阵的连线为平行阶梯平面镜法线；其中，所述PnP方法是通过已知n个控制点的空间位置信息以及他们的像点信息来计算这n个控制点在相机坐标系下的位置姿态。

S103、基于所述平行阶梯平面镜法线，通过镜像原理获得所述位姿关系中的旋转矩阵；

S104、改变一次平行阶梯平面镜位置，建立显示屏幕镜像平移矩阵的约束关系，通过线性求解获得所述位姿关系中的平移矩阵。

特别地，所述步骤S102具体包括：通过PnP方法获得所述显示屏幕在平行阶梯平面镜中的两个虚像在相机坐标系下的位姿关系和

建立显示屏幕上特征点p_i关于平行阶梯平面镜镜像点p_i'的齐次表达式：