一種基于散斑圖案的單目測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法及裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于散斑圖案的單目測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法，包括以下步驟：標(biāo)定板圖像采集、標(biāo)定板圖像檢測(cè)、散斑圖像采集、投影儀標(biāo)定圖像生成、單相機(jī)和投影儀組成的測(cè)量系統(tǒng)的自標(biāo)定。還公開(kāi)了一種標(biāo)定裝置，包括數(shù)字光柵投影儀(1)、工業(yè)CCD相機(jī)(3)和計(jì)算機(jī)(5)等，所述計(jì)算機(jī)包括圖像采集控制單元、投影儀投射控制單元、標(biāo)定板圖像檢測(cè)單元、相機(jī)參數(shù)標(biāo)定單元。本發(fā)明可以快速高效的完成對(duì)單目測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行高精度標(biāo)定，具有操作方便簡(jiǎn)單、實(shí)用靈活、結(jié)果準(zhǔn)確可靠的特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于散斑圖案的單目測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法及裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器視覺(jué)中的單相機(jī)標(biāo)定領(lǐng)域，特別涉及一種基于散斑圖案的單目測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法及裝置。
【背景技術(shù)】[0002]標(biāo)定是測(cè)量系統(tǒng)能夠獲得精確結(jié)果的前提。對(duì)由單相機(jī)和投影儀組成的單目測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，傳統(tǒng)的單攝像機(jī)、單投影儀三維掃描系統(tǒng)，利用相位值計(jì)算被測(cè)物體的高度信息，可操作性差，且測(cè)量精度不高。
[0003]將立體視覺(jué)的三維重構(gòu)技術(shù)引入到單攝像機(jī)、單投影儀掃描系統(tǒng)，利用散斑圖像實(shí)現(xiàn)投影儀與攝像機(jī)的匹配，根據(jù)雙目視覺(jué)的原理進(jìn)行三維重構(gòu)，有望提高測(cè)量精度，其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是投影儀標(biāo)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于散斑圖案的單目測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法，包括以下步驟:
[0005]第一步，采集相機(jī)標(biāo)定圖像:將帶有特征點(diǎn)的標(biāo)定板置于單目測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)，利用C⑶相機(jī)采集標(biāo)定板在某一位置下的圖像；
[0006]第二步，采集標(biāo)定板散斑圖像:固定標(biāo)定板位置，利用投影儀向標(biāo)定板投射一幅與標(biāo)定板大小相應(yīng)的散斑圖案，同時(shí)利用CCD相機(jī)同步采集帶有上述散斑圖案的標(biāo)定板圖像，也即標(biāo)定板散斑圖像；
[0007]第三步，檢測(cè)標(biāo)定板圖像:對(duì)第一步中采集的相機(jī)標(biāo)定圖像進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)檢測(cè)，識(shí)別出相機(jī)標(biāo)定圖像上特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)和類(lèi)型，并計(jì)算特征點(diǎn)的中心坐標(biāo)，并計(jì)算出標(biāo)定板散斑圖像中對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)中心的亞像素級(jí)坐標(biāo)；
[0008]第四步，調(diào)整標(biāo)定板位置，重復(fù)上述第一步到第三步，直到采集到標(biāo)定板在預(yù)定數(shù)目的不同位置下的相機(jī)標(biāo)定圖像和標(biāo)定板散斑圖像；
[0009]第五步，將CXD相機(jī)采集的標(biāo)定板散斑圖像作為參考圖像，投影儀柵片上的散斑圖像作為變形圖像，利用數(shù)字圖像相關(guān)法建立參考圖像和變形圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到用于投影儀標(biāo)定的投影儀標(biāo)定圖像；
[0010]第六步，確定測(cè)量系統(tǒng)參數(shù):利用第一步采集的相機(jī)標(biāo)定圖像和第五步生成的投影儀標(biāo)定圖像，分別求解出相機(jī)和投影儀的標(biāo)定參數(shù)，然后將世界坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在相機(jī)光心位置，計(jì)算出投影儀坐標(biāo)系在世界坐標(biāo)系下的位置。
[0011]本發(fā)明的另一目的是提出一種用于實(shí)現(xiàn)所述單目測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法的標(biāo)定裝置，包括數(shù)字光柵投影儀(I)、工業(yè)C⑶相機(jī)(3)和計(jì)算機(jī)(5)等，所述計(jì)算機(jī)(3)包括圖像采集控制單元、投影儀投射控制單元、標(biāo)定板圖像檢測(cè)單元、相機(jī)參數(shù)標(biāo)定單元，其中，
[0012]所述圖像采集控制單元用于控制CXD相機(jī)采集圖像；
[0013]所述投影儀投射控制單元用于控制投影儀向標(biāo)定板投射所述散斑圖案；[0014]所述標(biāo)定板圖像檢測(cè)單元用于執(zhí)行所述第三步的處理；
[0015]所述相機(jī)參數(shù)標(biāo)定單元用于執(zhí)行所述第五步和第六步的處理，完成單目測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0017](I)采用單相機(jī)單投影儀測(cè)量系統(tǒng)，投影儀被看作相機(jī)來(lái)使用，相比傳統(tǒng)的雙目系統(tǒng)而言少用一個(gè)CCD相機(jī),硬件設(shè)備成本更低。
[0018](2)物體表面重建時(shí)同一狀態(tài)只需向物體表面投射一副散斑圖像，故可以重建動(dòng)態(tài)的物體。
[0019](3)相比于雙目立體三維掃描技術(shù)而言，本發(fā)明不需要在物體表面粘貼特征點(diǎn)，避免了復(fù)雜的特征點(diǎn)提取和匹配。
[0020](4)本發(fā)明中的單目測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)小物體和深孔部分進(jìn)行外形的的重建和測(cè)量。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的單目測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；
[0022]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的單目測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的標(biāo)定流程圖；
[0024]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中使用的標(biāo)定板實(shí)物圖；
[0025]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中采集的8個(gè)位置下的標(biāo)定散斑圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的標(biāo)定方法涉及的裝置主要由數(shù)字光柵投影儀1、工業(yè)CXD相機(jī)(包括鏡頭)3、橫梁2、線束4、計(jì)算機(jī)5組成。
[0028]基于散斑圖案的單目測(cè)量系統(tǒng)屬于一種非接觸的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，因此，該裝置中用一個(gè)數(shù)字光柵投影儀I代替了雙目立體視覺(jué)中的一個(gè)CCD相機(jī)，用散斑圖案代替激光或結(jié)構(gòu)光來(lái)對(duì)投影儀進(jìn)行標(biāo)定。參考圖2，其中，將投影儀的投影過(guò)程看作一個(gè)逆向的相機(jī)，因此就構(gòu)成了傳統(tǒng)的雙目視覺(jué)系統(tǒng)，然后可以采用文獻(xiàn)1(用于三維變形測(cè)量的數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)，唐正宗等，光學(xué)精密工程，2010年第10期)中提出的十參數(shù)相機(jī)畸變模型，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。
[0029]參見(jiàn)圖3，本發(fā)明實(shí)施例的一種基于散斑圖案的單目測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法，包括以下步驟:
[0030]第一步，采集相機(jī)標(biāo)定圖像:將帶有特征點(diǎn)的標(biāo)定板(如圖4所示)置于單目測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)，利用CCD相機(jī)采集標(biāo)定板在某一位置下的圖像。
[0031]其中，所述特征點(diǎn)包括環(huán)形編碼特征點(diǎn)和圓形非編碼特征點(diǎn)。另外，標(biāo)定板斜對(duì)角線上兩對(duì)編碼特征點(diǎn)的距離精確已知。標(biāo)定板大小的選取根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的幅面和被測(cè)物的大小確定，例如，如果測(cè)量距離是lm，可以采用400*300mm的標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定。
[0032]第二步，采集標(biāo)定板散斑圖像:固定標(biāo)定板位置，利用投影儀向標(biāo)定板投射一幅與標(biāo)定板大小相應(yīng)的散斑圖案，同時(shí)利用CCD相機(jī)同步采集帶有所述散斑圖案的標(biāo)定板圖像，也即標(biāo)定板散斑圖像。
[0033]其中，第二步中標(biāo)定板的擺放位置和第一步中的擺放位置是相同的，并且投影儀投出的所有散斑圖案是固定的。
[0034]第三步，檢測(cè)標(biāo)定板圖像:對(duì)第一步中采集的相機(jī)標(biāo)定圖像進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)檢測(cè)，識(shí)別相機(jī)標(biāo)定圖像上特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)和類(lèi)型，并計(jì)算特征點(diǎn)的中心坐標(biāo)，由于采集過(guò)程中標(biāo)定板位置不動(dòng)，可計(jì)算出標(biāo)定板散斑圖像中對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)中心的亞像素級(jí)坐標(biāo)。其中，所述圖像處理包括濾波降噪、閥值分割、邊緣檢測(cè)、中心定位處理。對(duì)于編碼特征點(diǎn)，還對(duì)其進(jìn)行解碼得到編碼值。
[0035]第四步，調(diào)整標(biāo)定板位置，重復(fù)上述第一步到第三步，直到采集到標(biāo)定板在預(yù)定數(shù)目的不同位置下的相機(jī)標(biāo)定圖像和標(biāo)定板散斑圖像。
[0036]其中，所述預(yù)定數(shù)目大于3。在本實(shí)施例中，不同位置的數(shù)目為8個(gè)，如圖5所示。
[0037]第五步，將CXD相機(jī)采集的標(biāo)定板散斑圖像作為參考圖像，投影儀柵片上的散斑圖像作為變形圖像，利用數(shù)字圖像相關(guān)法建立參考圖像和變形圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到用于投影儀標(biāo)定的投影儀標(biāo)定圖像。具體包括以下步驟；
[0038](I)將標(biāo)定板散斑圖像作為參考圖像，投影儀柵片上的散斑圖像作為變形圖像，并將檢測(cè)相機(jī)標(biāo)定板獲得的特征點(diǎn)坐標(biāo)位置作為參考圖像上的種子點(diǎn)，根據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)原理在變形圖像上尋找種子點(diǎn)的整像素對(duì)應(yīng)點(diǎn)。 [0039]利用(X，y)和(X % y*)分別表示子圖像在變形前后的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，用U、V、
與、—,#和&表示子區(qū)中心點(diǎn)的位移量和相應(yīng)的導(dǎo)數(shù)，則兩點(diǎn)之間的位置關(guān)系可表
dx dy Bx By
示為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于散斑圖案的單目測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法，包括以下步驟: 第一步，采集相機(jī)標(biāo)定圖像:將帶有特征點(diǎn)的標(biāo)定板置于單目測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)，利用CXD相機(jī)采集標(biāo)定板在某一位置下的圖像； 第二步，采集標(biāo)定板散斑圖像:固定標(biāo)定板位置，利用投影儀向標(biāo)定板投射一幅與標(biāo)定板大小相應(yīng)的散斑圖案，同時(shí)利用CCD相機(jī)同步采集帶有上述散斑圖案的標(biāo)定板圖像，也即標(biāo)定板散斑圖像； 第三步，檢測(cè)標(biāo)定板圖像:對(duì)第一步中采集的相機(jī)標(biāo)定圖像進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)檢測(cè)，識(shí)別出相機(jī)標(biāo)定圖像上特征點(diǎn)的個(gè)數(shù)和類(lèi)型，并計(jì)算特征點(diǎn)的中心坐標(biāo)，并計(jì)算出標(biāo)定板散斑圖像中對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)中心的亞像素級(jí)坐標(biāo)； 第四步，調(diào)整標(biāo)定板位置，重復(fù)上述第一步到第三步，直到采集到標(biāo)定板在預(yù)定數(shù)目的不同位置下的相機(jī)標(biāo)定圖像和標(biāo)定板散斑圖像； 第五步，將CCD相機(jī)采集的標(biāo)定板散斑圖像作為參考圖像，投影儀柵片上的散斑圖像作為變形圖像，利用數(shù)字圖像相關(guān)法建立參考圖像和變形圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到用于投影儀標(biāo)定的投影儀標(biāo)定圖像； 第六步，確定測(cè)量系統(tǒng)參數(shù):利用第一步采集的相機(jī)標(biāo)定圖像和第五步生成的投影儀標(biāo)定圖像，分別求解出相機(jī)和投影儀的標(biāo)定參數(shù)，然后將世界坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在相機(jī)光心位置，計(jì)算出投影儀坐標(biāo)系在世界坐標(biāo)系下的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，所述第一步中，標(biāo)定板的大小根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的幅面和被測(cè)物的大小確定。
3.如權(quán)利要求1所述`的方法，所述第一步中，所述特征點(diǎn)包括環(huán)形編碼特征點(diǎn)和圓形非編碼特征點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，所述第二步中，標(biāo)定板的擺放位置和第一步中的擺放位置相同，并且投影儀投射的所有散斑圖案是固定的。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，所述第三步中，所述標(biāo)志點(diǎn)檢測(cè)包括濾波降噪、閥值分害I]、邊緣檢測(cè)、中心定位處理。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，所述第四步中，所述不同位置的數(shù)目大于3。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述數(shù)目為8。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，所述第五步具體包括以下步驟: (1)將檢測(cè)相機(jī)標(biāo)定圖像獲得的特征點(diǎn)坐標(biāo)位置作為參考圖像上的種子點(diǎn)，根據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)原理在變形圖像上尋找種子點(diǎn)的整像素對(duì)應(yīng)點(diǎn)； (2)根據(jù)最小二乘迭代算法，計(jì)算種子點(diǎn)在變形圖像上的亞像素位置； (3)基于步驟(2)的結(jié)果，建立標(biāo)定板散斑圖像中每個(gè)特征點(diǎn)中心與投影儀柵片上的散斑圖像上像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到用于投影儀標(biāo)定的投影儀標(biāo)定圖像。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，所述第六步具體包括: (1)利用攝影測(cè)量理論中的相對(duì)定向和絕對(duì)定向分別確定出相機(jī)和投影儀的標(biāo)定參數(shù)初值； (2)根據(jù)鏡頭畸變模型和攝像機(jī)的中心投影模型，分別建立相機(jī)和投影儀的完整成像模型，利用光束平差法分別對(duì)相機(jī)和投影儀進(jìn)行標(biāo)定，以調(diào)整和優(yōu)化標(biāo)定參數(shù)初值； (3)以相機(jī)所在位置為世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，建立相機(jī)坐標(biāo)系和投影儀坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單目測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定。
10.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述單目測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法的標(biāo)定裝置，包括數(shù)字光柵投影儀(I)、工業(yè)CCD相機(jī)(3)和計(jì)算機(jī)(5)等，所述計(jì)算機(jī)(5)包括圖像采集控制單元、投影儀投射控制單元、標(biāo)定板圖像檢測(cè)單元、相機(jī)參數(shù)標(biāo)定單元，其中， 所述圖像采集控制單元用于控制CCD相機(jī)采集圖像； 所述投影儀投射控制單元用于控制投影儀向標(biāo)定板投射所述散斑圖案； 所述標(biāo)定板圖像檢測(cè)單元用于執(zhí)行所述第三步的處理； 所述相機(jī)參數(shù)標(biāo)定單元用于執(zhí)行所述第五步和第六步的處理，完成單目測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定。`
【文檔編號(hào)】G01C25/00GK103868524SQ201310731719
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】唐正宗, 任茂棟, 魏斌 申請(qǐng)人:西安新拓三維光測(cè)科技有限公司