专利名称：双目摄像机和单个投影光源同步标定方法
技术领域：
本发明涉及双目摄像机和单个投影光源高精度同步标定方法，更具体的说，本发明所提供的标定方法，可以同时获得两个摄像机和单个投影光源的内部和外部参数，并自动将两个摄像机拍摄到的三维信息进行拼接。
背景技术：
三维重建方法已广泛应用于工业检测、逆向工程、人体扫描、文物保护、服装鞋帽等多个领域，对自由曲面的检测具有速度快、精度高的优势。按照使用的摄像机的个数不同，三维重建方法分为单目、双目和多目三维重建系统。单目系统一般包括单个摄像机和单个投影光源，主要是采用相位测量轮廓术(Phase Measuring Prof ilometry, PMP),也被称为相移测量轮廓术(Phase ShiftingProfilometry,PSP)来进行三维测量。相位测量方法是向被测物体上投射固定周期的按照 三角函数(正弦或者余弦)规律变化的光亮度图像，此光亮度图像经过大于3步的均匀相移，最好为4-6步均匀相移，向物体投射4-6次光亮度图像，最终完成一个周期的相位移动。物体上面的每个点，经过相移图像的投射后，在图像中会分别获得几个不同的亮度值。此亮度值经过解相运算，会获得唯一的相位值。通过单个摄像机和单个投影光源的标定方法，可以获得摄像机及投影光源的几何位置信息，就可以利用所获得的相位值及相关的几何位置信息，获得被测场景的三维坐标信息。双目系统一般包括两个摄像机和一个投影光源，主要采用立体匹配的方法来进行三维重建。即物空间坐标系中的某一点P，会分别在两个摄像机中拍摄到P点的成像点Pl和P2，利用物空间的P点和两个成像点Pl和P2所构成的三角关系，以及事先已经标定好的两个摄像机之间的位置关系及内部参数信息，即可以解算出P点的三维坐标。多目系统一般是建立在多个单目或者双目系统的基础之上，其原理是对单目或者双目系统的拼接和集成。已有的双目系统由于是利用物空间P点和两个成像点Pl和P2的三角关系来获得三维坐标信息，其优点是无需对投影光源进行标定。其缺点是只有两个摄像机都能拍摄到的部分，才能获得三维坐标信息，如果只有一个摄像机能够拍摄的范围，由于无法构成三维测量关系，因此无法获得三维点云，也就是说，已有的双目系统只能获得两个摄像机拍摄场景的交集。本发明给出了一种双目摄像机和单个投影光源的同步标定方法，无需增加硬件成本，但该方法与已有双目系统的最大差别是，只要有一个摄像机能够拍摄到的物空间点，都可以获得三维坐标信息，因此本发明所提供的标定方法，可以获得两个摄像机拍摄到的场景的并集，增加了测量范围，减少测量次数，节省测量时间。

发明内容
本发明提供一种单个摄像机和单个投影光源同步标定方法，经过标定后的参数能够应用于高精度三维测量中，可以弥补已有标定方法存在的缺陷，提高标定和三维测量的精度。所述的单个摄像机和单个投影光源同步标定系统的硬件系统包括用于投射光信号的投影光源装置，投影光源的分辨率为Lk X L。，投影光源的个数为I个；用于精度控制、图像采集和数据处理的计算机；用于采集图像的彩色或者黑白摄像机，图像分辨率为CkXCc,摄像机个数为I个；
用于放置所述的投影光源装置和所述的彩色或者黑白摄像机的扫描平台；本发明所设计的两个摄像机和单个投影光源同步标定方法，具体操作步骤如下步骤I :将两个彩色或者黑白摄像机与投影光源(所述的投射光源的分辨率为LeXLc)固定在扫描平台上，并确定在标定结束后，三维测量时，所述的彩色或者黑白摄像机与所述的投影光源的位置也不会被改变，其中放置在所述投影光源左面的彩色或者黑白摄像机称为左摄像机，放置于所述投影光源右面的彩色或者黑白摄像机称为右摄像机，所述的投影光源虽然只有一个，但是其与左摄像机和右摄像机均可以构成单目三维测量系统，所述投影光源与左摄像机构成三维测量系统时，所述投影光源称为左投影光源，所述投影光源与右摄像机构成三维测量系统时，所述的投影光源称为右投影光源，物空间坐标系在与左摄像机构成的三维测量系统称为左物空间坐标系，与右摄像机构成的三维测量系统时称为右物空间坐标系；将事先加工好的标定靶标放置于与被测物体距离相近的位置，即距离被测物体±500mm范围的位置，摆放好所述的标定靶标，并确定所述的标定靶标能够被所述的两个彩色或者黑白摄像机拍摄完全，且所述的投影光源能够投射的光信号范围能够覆盖所述的标定靶标所在的位置；调整好所述的两个彩色或者黑白摄像机以及所述的投影光源的焦距，使之处于最佳状态；步骤2 :将所述的标定靶标调整超过3次以上的位置，最好为5-8次，并确保所述的标定靶标调整后的每个位置，都能被所述的两个彩色或者黑白摄像机拍摄完全，且所述的投影光源能够投射的光信号范围能够覆盖所述的标定靶标所在的位置；每次靶标调整位置后，都要利用所述的两个彩色或者黑白相机进行靶标图像的采集，并利用所述的投影光源向所述的标定靶标投射一系列的格雷码加6步相移图像，通过所述的两个彩色或者黑白相机采集所述的投影光源投射后的每幅图像；步骤3:利用张正友的平板标定方法，获得左摄像机坐标系Xa、右摄像机坐标系Xc2、左投影光源坐标系Xpi、右投影光源坐标系Xp2、左物空间坐标系Xm和右物空间坐标系Xw2之间的坐标关系如下公式所示
权利要求
1. 一种双目摄像机和单个投影光源同步标定方法，其特征是，包括下列步骤 步骤I :将两个彩色或者黑白摄像机与投影光源(所述的投射光源的分辨率为LkXLc)固定在扫描平台上，并确定在标定结束后，三维测量时，所述的彩色或者黑白摄像机与所述的投影光源的位置也不会被改变，其中放置在所述投影光源左面的彩色或者黑白摄像机称为左摄像机，放置于所述投影光源右面的彩色或者黑白摄像机称为右摄像机，所述的投影光源虽然只有一个，但是其与左摄像机和右摄像机均可以构成单目三维测量系统，所述投影光源与左摄像机构成三维测量系统时，所述投影光源称为左投影光源，所述投影光源与右摄像机构成三维测量系统时，所述的投影光源称为右投影光源，物空间坐标系在与左摄像机构成的三维测量系统称为左物空间坐标系，与右摄像机构成的三维测量系统时称为右物空间坐标系；将事先加工好的标定靶标放置于与被测物体距离相近的位置，即距离被测物体±500mm范围的位置，摆放好所述的标定靶标，并确定所述的标定靶标能够被所述的两个彩色或者黑白摄像机拍摄完全，且所述的投影光源能够投射的光信号范围能够覆盖所述的标定靶标所在的位置；调整好所述的两个彩色或者黑白摄像机以及所述的投影光源的焦距，使之处于最佳状态； 步骤2 :将所述的标定靶标调整超过3次以上的位置，最好为5-8次，并确保所述的标定靶标调整后的每个位置，都能被所述的两个彩色或者黑白摄像机拍摄完全，且所述的投影光源能够投射的光信号范围能够覆盖所述的标定靶标所在的位置；每次靶标调整位置后，都要利用所述的两个彩色或者黑白相机进行靶标图像的采集，并利用所述的投影光源向所述的标定靶标投射一系列的格雷码加6步相移图像，通过所述的两个彩色或者黑白相机采集所述的投影光源投射后的每幅图像； 步骤3 :利用张正友的平板标定方法，获得左摄像机坐标系Xa、右摄像机坐标系夂。2、左投影光源坐标系Xpi、右投影光源坐标系Xp2、左物空间坐标系Xwi和右物空间坐标系Xw2之间的坐标关系如下公式所示 Xci = RlXwi+T1(I) Xpi = R2Xwi^(2) Xc2 = R3^W2+T3(3) Xp2 =尺4^2+丁4(4) 步骤4 :利用下面公式将右摄像机坐标系转换到左摄像机坐标系，实现两个视图的坐标统一 Xc2 = R^1R3R2RX1 +Ri1R3CT2 -T4 +R4R-1T3 -R2RI1T1)(5) 至此，标定过程结束。
全文摘要
本发明属于三维机器视觉领域，涉及一种高精度两个摄像机和单个投影光源同步标定方法。本发明将两个摄像机和单个投影光源视为两个单目三维测量系统，在对摄像机和投影光源坐标位置进行标定的同时，可以获得两个摄像机坐标系之间的坐标变换关系，进而将两个摄像机采集到的三维坐标数据统一到一个坐标系下。本发明在不增加硬件成本的基础上，可以改变已有双目视觉测量系统只能测量两个摄像机采集三维场景交集的弊端，通过本发明所介绍的两个摄像机和投影光源的同步标定方法，可以获得两个摄像机所采集到的三维场景的并集，增大了测量范围，减少测量次数，节省测量时间。
文档编号G01B11/00GK102878925SQ201210344108
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者宋丽梅, 杨燕罡, 陈卓 申请人:天津工业大学