[发明专利]应用于高精度三维测量的单目激光散斑投影系统标定及深度估计方法

说明书

本发明涉及应用于高精度三维测量的单目激光散斑投影系统标定及深度估计方法。解决单目激光散斑投影系统校正不准带来额外误差问题。本方法构造无畸变虚拟左相机，并利用平面单应性矩阵计算标准参考左视图散斑图像作为标准参考图像。根据虚拟左相机和参考左视图散斑图像，对相机坐标系和相机拍摄的散斑图像进行校正，得到图像极线校正转换矩阵。本发明避免了采用传感器确定参考图像深度带来的额外误差，采用单相机和激光散斑投射器构造等效双目系统，降低成本，方法简单、精度更高。

技术领域

本发明涉及三维测量领域的单目激光散斑投影系统标定和深度估计方法，具体地说是基于单目相机和激光散斑投射器构造等效双目激光散斑投影系统的系统标定和深度估计方法。

背景技术

基于结构光原理的散斑投影系统，是一种近年来应用广泛的深度信息估计方法，具有测量范围大、结构简单、速度快、精度高等优点。激光器产生的激光，经过散斑光栅，可以在空间形成具有高度随机性的散斑。利用这一特征，可以对整个空间进行标记，进而利用立体视觉的理论与方法实现标记空间的深度感知。根据相机数量，激光散斑投影系统可分为双目激光散斑投影系统和单目激光散斑投影系统。

双目激光散斑投影系统，是激光散斑投影系统的最常用的一种。传统的双目视觉方法，无法测量表面缺乏纹理的空间物体，且易受环境光的干扰。将散斑投影引入双目立体视觉系统，可以为待测空间增加丰富的特征点，极大的增强双目立体视觉系统的稳定性和适应性，提高测量精度。

单目激光散斑投影系统，只用一个相机和一个激光散斑投射器，即可实现空间三维信息感知。相对于双/多目激光散斑投影系统，单目激光散斑投影系统更简洁、成本更低。单目激光散斑投影系统的典型应用是2011年美国微软公司推出的Kinect红外散斑场景传感系统。发明人在其专利（专利号US8150142B2）中将深度的测量描述为三角测量过程。

设参考平面上一个斑点与传感器的距离为，投影至物体表面上为点，点与传感器的距离为。如果将物体移近传感器（或远离传感器），则斑点在图像平面上的位置将在方向上移动。移动的偏移量为点对应的视差。根据三角形的相似性：

(1)

(2)

其中，是基线长度，是红外相机的焦距，是点在物体空间中方向的位移，是观察到的图像空间中的视差。将从（2）代入（1）并用其他变量表示，得出：

(3)

分析Kinect红外散斑场景传感系统的标定和测量过程，其不足主要在于：参考平面距离校正不准带来额外误差；由于安装精度导致图像轴方向与基线方向存在不可避免的偏差；基线长度校准存在误差等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有的单目激光散斑投影系统存在的不足，提出了基于单目激光散斑投影系统的系统标定和深度估计的新方法：利用单目相机和激光散斑投射器构造等效双目激光散斑投影系统，通过计算得到相机和图像的校正转换矩阵，以及标准参考图像；根据双目立体匹配原理进行深度估计和物体三维数据测量。

本发明的技术方案主要包括以下步骤：

第一步，装置安装，采集标定图像

安装相机与激光散斑投射器；制作棋盘格标定板，在相机视场内固定标定板，打开激光散斑投射器，向标定板投射散斑图案。调整标定板位置和姿态，利用相机采集幅标定板散斑图像；其中，第幅为白板散斑图像，其余为棋盘格散斑图像。

第二步，标定相机，散斑点检测

采用张氏标定法标定相机，得到相机内参数、外参数和畸变系数。同时，对幅标定板散斑图像进行特征点检测，得到图像上散斑点的二维坐标。

第三步，同名散斑点匹配