[发明专利]一种灵活且高精度的结构光系统标定方法

说明书

本发明公开了一种灵活且高精度的结构光系统标定方法，使用计算机生成几种特定频率的条纹图进行四步相移，将各频率的四步相移图投射到带有特征点的标定板上；通过相移解包裹算法求解得到标定板的连续相位值；最后使用张正友标定法得到每个位置的标定板上圆心的像素坐标及相机内外参数，从而得到标定板上圆心在相机坐标系下的坐标，通过圆心相机坐标使用平面拟合算法拟合出标定板的成像平面，然后通过不同成像平面之间的距离及其连续相位的相位差进行测量系统标定。该方法可有效提高三维测量系统标定精度并且由于不需使用精密导轨，故操作方便，预算较小，在光学三维测量领域具有潜在的应用前景和实用价值。

技术领域

本发明涉及一种光学三维测量方法，属于光电检测技术领域，具体涉及一种灵活且高精度的结构光系统标定方法。

技术背景

结构光三维成像技术是以光学传感为主要的信息获取方式，以计算机图形图像处理为主要的信息处理手段，是计算成像与几何测量领域的重要研究内容之一。因其具有高精度、高速度和非接触式测量等优点，在工业检测、生物医学、机器视觉等领域得到广泛的应用。随着我国生产结构的工业化升级，对大型结构件三维测量的精度需求逐渐增加，在工件制造、装备、检测环节均离不开三维精密测量。

在相位测量轮廓术中，传统的相位-高度映射标定方法通常利用一个精密导轨带动一个标准平面在相机的景深范围内纵向移动，每一个平移位置代表一个不同的标定平面，根据标定平面位置及其连续相位分布进行系统标定。但在实际测量中，利用导轨多次移动标准平面耗时长且标准平面在移动的过程中会产生误差累积效应。因此，为解决耗时长，误差累积，设备不易携带等问题，研究出一种简洁快速且有灵活性的高精度标定方法也是三维测量领域亟待解决的一个关键问题。本发明正是在充分地考虑了上述问题而提出了一种具有灵活性的高精度相位-高度映射关系标定方法。该方法可有效提高三维测量系统标定精度并且由于不需使用精密导轨，故操作方便，预算较小。在光学三维测量领域具有潜在的应用前景和实用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种灵活且高精度的结构光系统标定方法，通过以下技术方案实现：

一种灵活且高精度的结构光系统标定方法，使用计算机生成几种特定频率的条纹图进行四步相移，将各频率的四步相移图投射到带有特征点的标定板上；由于在进行相机标定时需要多次随机移动标定板，因此每移动一次位置并拍完一组带有相位信息的图片后，再拍一张没有条纹的图用于拟合其成像平面；然后使用相移解包裹算法分别求解得到标定板每个位置的连续相位；最后使用张正友标定法得到每个位置的标定板上圆心的像素坐标及相机内外参数，从而得到标定板上圆心在相机坐标系下的坐标，通过圆心相机坐标使用平面拟合算法拟合出标定板的成像平面，然后通过不同成像平面之间的距离及其连续相位的相位差进行测量系统标定；具体包括以下步骤：

S1、建立三维测量系统：该系统包括DLP投影仪、CCD相机和圆标定板；其中DLP投影仪和CCD相机可以任意放置；

S2、使用计算机生成几种特定频率的条纹图进行四步相移，将各频率的四步相移图投射到带有特征点的圆标定板上；

S3、使用相机标定程序，多次向前任意移动圆标定板对相机进行标定，得到相机的内外参数；一个不考虑透镜畸变的标准针孔透镜模型用数学公式描述为：

对于每个标定板位置，由于世界坐标系设置在标定板上，因此在标定板上定义其Z_w＝0,相机坐标[X_c Y_c Z_c]表示为：

由于标定板上圆心点世界坐标系下的坐标是已知的，因此通过公式(2)得到每个位置的标定板上圆心的相机坐标系下的三维坐标X_c、Y_c、Z_c后，使用平面拟合算法对其进行拟合得到每个位置的标定板在相机坐标系下的成像平面；同样地，第一个位置的标定板为参考平面，其拟合平面表示为：