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      一種新型的單個攝像機(jī)和單個投影光源同步標(biāo)定方法

      文檔序號:6367262閱讀:349來源:國知局
      專利名稱:一種新型的單個攝像機(jī)和單個投影光源同步標(biāo)定方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及單個攝像機(jī)和單個投影光源高精度同步標(biāo)定方法,更具體的說,本發(fā)明所提供的標(biāo)定方法,可以同時(shí)獲得單個攝像機(jī)和單個投影光源的內(nèi)部和外部以及三維重建過程中所需要的參數(shù)信息。
      背景技術(shù)
      三維重建方法已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、逆向工程、人體掃描、文物保護(hù)、服裝鞋帽等多個領(lǐng)域,對自由曲面的檢測具有速度快、精度高的優(yōu)勢。按照成像照明方式的不同,光學(xué)三維測量技術(shù)可分為被動三維測量和主動三維測量兩大類。在主動三維測量技術(shù)中,結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)發(fā)展最為迅速,尤其是相位測量輪廓術(shù)(Phase MeasuringProf ilometry, PMP),也被稱為相移測量輪廓術(shù)(Phase Shifting Prof ilometry, PSP),是目前三維測量產(chǎn)品中常用的測量方法。相位測量方法是向被測物體上投射固定周期的按照三角函數(shù)(正弦或者余弦)規(guī)律變化的光亮度圖像,此光亮度圖像經(jīng)過大于3步的均勻相 物體上面的每個點(diǎn),經(jīng)過相移圖像的投射后,在圖像中會分別獲得幾個不同的亮度值。此亮度值經(jīng)過解相運(yùn)算,會獲得唯一的相位值。如果能夠獲得攝像機(jī)及投影光源的幾何位置信息,就可以利用所獲得的相位值及相關(guān)的幾何位置信息,獲得被測場景的三維坐標(biāo)信息。攝像機(jī)及投影光源標(biāo)定系統(tǒng)的任務(wù),就是獲取攝像機(jī)以及投影光源相關(guān)幾何參數(shù)的方法。除了已有標(biāo)定方法可以獲得攝像機(jī)以及投影光源的內(nèi)部參數(shù)(內(nèi)部參數(shù)主要包括焦距,相面中心,畸變參數(shù)等)和外部參數(shù)(外部參數(shù)主要包括旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣)之外,還必須標(biāo)定出來的幾個參數(shù)信息包括(I)投影光源與攝像機(jī)之間的距離D ;(2)攝像機(jī)與參考平面的距離L ;(3)投影光源投射的正弦或者余弦信號波的頻率f。;(4)圖像在X軸方向相鄰像素點(diǎn)的距離值Rx ;(5)圖像在Y軸方向相鄰像素點(diǎn)的距離值Ry。清華大學(xué)機(jī)械工程系先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韋爭亮等給出了一種單攝像機(jī)單投影儀三維測量系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù),該方法依靠具有黑底白色圓點(diǎn)圖案的單平面標(biāo)定塊,采用Tsai兩步法及非線性優(yōu)化完成攝像機(jī)標(biāo)定。通過雙方向解相實(shí)現(xiàn)標(biāo)志點(diǎn)在投影平面上的反向成像,把投影儀作為虛擬攝像機(jī)采用同樣方法進(jìn)行標(biāo)定。解相時(shí)采用基于偽隨機(jī)彩色條紋序列展開的時(shí)空域編碼和3步相移法。該方法的缺點(diǎn)如下(I)該方法采用Tsai兩步法進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定,而Tsai兩步法是建立在空間坐標(biāo)點(diǎn)為非共面坐標(biāo)點(diǎn)的基礎(chǔ)之上,因此該方法必須要構(gòu)造空間非共面的坐標(biāo)信息點(diǎn),僅僅依靠一幅平面標(biāo)記點(diǎn)信息無法精確完成參數(shù)標(biāo)定工作;(2)該方法采用基于偽隨機(jī)彩色條紋序列展開的時(shí)空域編碼和3步相移法來進(jìn)行投影光源的解相,在解相過程中,相移的步數(shù)越多,解相精度越高。3步相移法的解相精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于6步相移法的解相精度。因此,用低精度的相位信息進(jìn)行投影光源的標(biāo)定,勢必要影響投影光源的標(biāo)定精度;(3)沒有給出D、L、fQ、Rx和Ry的標(biāo)定方法。華中科技大學(xué)李中偉博士在博士論文《基于數(shù)字光柵投影的結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)與系統(tǒng)研究》中也給出一種攝像機(jī)和投影光源的標(biāo)定方法,該方法首先對攝像機(jī)的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,然后再通過投影光源,投射4步相移的外差多頻圖像,獲得投影光源的相關(guān)標(biāo)定參數(shù)。該方法的缺點(diǎn)是(I)采用4步相移的外差多頻圖像,在進(jìn)行相位解相時(shí)的精度,也不如6步相移的解相精度高,因此無法保證投影光源的標(biāo)定精度;(2)該方法首先對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,然后對投影光源進(jìn)行標(biāo)定,沒有實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)和投影光源信息的同步標(biāo)定,對后續(xù)其他參數(shù)的運(yùn)算帶來一定的困難;
      (3)沒有給出D、L、f。、Rx和Ry的標(biāo)定方法。在國際上,哈佛大學(xué)張松博士以及意大利E. Zappa博士等多位學(xué)者,也曾經(jīng)對攝像機(jī)以及投影光源的標(biāo)定進(jìn)行過相關(guān)的研究。但是目前所有已有的標(biāo)定方法中,都只是介紹了如何獲得攝像機(jī)以及投影機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)信息,并沒有給出如何獲得在三維重建系統(tǒng)中所需要的五個重要參數(shù)的信息的標(biāo)定方法。為了更好的提高三維重建系統(tǒng)的精度,本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新型的攝像機(jī)和投影光源同步標(biāo)定方法,在獲得攝像機(jī)以及投影光源內(nèi)部和外部參數(shù)的同時(shí),可以獲得三維重建中五個最重要的參數(shù)D、L、f0, Rx和Ry的標(biāo)定方法。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明提供一種單個攝像機(jī)和單個投影光源同步標(biāo)定方法,經(jīng)過標(biāo)定后的參數(shù)能夠應(yīng)用于高精度三維測量中,可以彌補(bǔ)已有標(biāo)定方法存在的缺陷,提高標(biāo)定和三維測量的精度。所述的單個攝像機(jī)和單個投影光源同步標(biāo)定系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括用于投射光信號的投影光源裝置,投影光源的分辨率為Lk X L。,投影光源的個數(shù)為I個;用于精度控制、圖像采集和數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī);用于采集圖像的彩色或者黑白攝像機(jī),圖像分辨率為CkXCc,攝像機(jī)個數(shù)為I個;用于放置所述的投影光源裝置和所述的彩色或者黑白攝像機(jī)的掃描平臺;本發(fā)明所設(shè)計(jì)的單個攝像機(jī)和單個投影光源同步標(biāo)定方法,具體操作步驟如下步驟I :將彩色或者黑白攝像機(jī)與投影光源(所述的投射光源的分辨率為LkXLc)固定在掃描平臺上,并確定在標(biāo)定結(jié)束后,三維測量時(shí),所述的彩色或者黑白攝像機(jī)與所述的投影光源的位置也不會被改變;將事先加工好的標(biāo)定靶標(biāo)放置于與被測物體距離相近,即距離被測物體±500mm范圍的位置,擺放好所述的標(biāo)定靶標(biāo),并確定所述的標(biāo)定靶標(biāo)能夠被所述的彩色或者黑白攝像機(jī)拍攝完全,且所述的投影光源能夠投射的光信號范圍能夠覆蓋所述的標(biāo)定靶標(biāo)所在的位置;調(diào)整好所述的彩色或者黑白攝像機(jī)以及所述的投影光源的焦距,使之處于最佳狀態(tài);步驟2 :利用所述的彩色或者黑白攝像機(jī)拍攝沒有投射相移光柵之前的所述的標(biāo)定靶標(biāo)圖像,并提取所述的標(biāo)定靶標(biāo)上面所有圓在所述的彩色或者黑白攝像機(jī)坐標(biāo)系下的圓心坐標(biāo)(xci, yci), (i = 0......98);步驟3 :在所述的標(biāo)定靶標(biāo)相同位置,利用所述的投影光源在所述的標(biāo)定靶標(biāo)上投射橫向和縱向的格雷碼及6步相移光柵,利用所述的彩色或者黑白攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝每幅圖像,在圓心位置的每個點(diǎn)(Xc;i,yj,利用解算出來的橫向相位9rf(Xc;i,yci)和縱向相位
      計(jì)算在所述的投影光源坐標(biāo)系中圓心位置所對應(yīng)的圓心坐標(biāo)UPi,yPi),(i =0......98),其中Xpi和ypi分別由下式確定
      權(quán)利要求
      1.一種單個攝像機(jī)和單個投影光源同步標(biāo)定方法,其特征是,包括下列步驟 步驟1 :將彩色或者黑白攝像機(jī)與投影光源(所述的投射光源的分辨率SLkXLc)固定在掃描平臺上,并確定在標(biāo)定結(jié)束后,三維測量時(shí),所述的彩色或者黑白攝像機(jī)與所述的投影光源的位置也不會被改變;將事先加工好的標(biāo)定靶標(biāo)放置于與被測物體距離相近,即距離被測物體±500mm范圍的位置,擺放好所述的標(biāo)定靶標(biāo),并確定所述的標(biāo)定靶標(biāo)能夠被所述的彩色或者黑白攝像機(jī)拍攝完全,且所述的投影光源能夠投射的光信號范圍能夠覆蓋所述的標(biāo)定靶標(biāo)所在的位置;調(diào)整好所述的彩色或者黑白攝像機(jī)以及所述的投影光源的焦距,使之處于最佳狀態(tài); 步驟2 :利用所述的彩色或者黑白攝像機(jī)拍攝沒有投射相移光柵之前的所述的標(biāo)定靶標(biāo)圖像,并提取所述的標(biāo)定靶標(biāo)上面所有圓在所述的彩色或者黑白攝像機(jī)坐標(biāo)系下的圓心坐標(biāo)(xci,yci),(i = 0......98);步驟3 :在所述的標(biāo)定靶標(biāo)相同位置,利用所述的投影光源在所述的標(biāo)定靶標(biāo)上投射橫向和縱向的格雷碼及6步相移光柵,利用所述的彩色或者黑白攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝每幅圖像,在圓心位置的每個點(diǎn)X?!?yj ,利用解算出來的橫向相位QrfUei, yci)和縱向相位計(jì)算在所述的投影光源坐標(biāo)系中圓心位置所對應(yīng)的圓心坐標(biāo)(xpi,ypi),(i =.0......98),其中Xpi和ypi分別由下式確定
      全文摘要
      本發(fā)明屬于三維機(jī)器視覺領(lǐng)域,涉及一種高精度單個攝像機(jī)和單個投影光源同步標(biāo)定方法。本發(fā)明可以同步獲得攝像機(jī)和投影光源的標(biāo)定參數(shù),減少標(biāo)定的復(fù)雜度,并且本發(fā)明可以直接獲得投影光源與攝像機(jī)之間的距離D、攝像機(jī)與參考平面的距離L、投影光源投射的正弦或者余弦信號波的頻率f0、圖像在X軸方向相鄰像素點(diǎn)的距離值Rx以及圖像在Y軸方向相鄰像素點(diǎn)的距離值Ry等與后續(xù)三維重建直接相關(guān)的標(biāo)定參數(shù),利用本發(fā)明所提供的標(biāo)定方法,可以直接進(jìn)行三維坐標(biāo)信息的計(jì)算,彌補(bǔ)了已有標(biāo)定方法缺少相關(guān)參數(shù)標(biāo)定方法的缺陷。
      文檔編號G06T7/00GK102708566SQ20121013938
      公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
      發(fā)明者宋麗梅, 張亮, 楊燕罡, 董虓霄, 陳昌曼 申請人:天津工業(yè)大學(xué)
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