專利名稱：：基于二維彩色標(biāo)靶的主動(dòng)投影三維測量系統(tǒng)快速標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及三維面形測量系統(tǒng)中的系統(tǒng)標(biāo)定領(lǐng)域，尤其涉及基于主動(dòng)投影照明三維測量系統(tǒng)的攝像機(jī)和投影儀同時(shí)標(biāo)定。
背景技術(shù)：
：攝像機(jī)標(biāo)定是三維重建中必不可少的一個(gè)步驟，標(biāo)定結(jié)果的好壞直接影響著三維測量的精度和三維重建結(jié)果的好壞，因此研究攝像機(jī)的標(biāo)定方法具有重要的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。攝像機(jī)模型解決的是二維圖像信息和三維空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的問題，一般來說有線性模型和非線性模型兩種。線性攝像機(jī)模型(針孔相機(jī)成像模型)是應(yīng)用最廣泛的一種，很多視覺測量技術(shù)都是建立在針孔成像模型的基礎(chǔ)之上。非線性模型也稱為畸變模型，是在線性模型的基礎(chǔ)上考慮成像鏡頭的光學(xué)畸變后建立的模型。(l)線性模型攝像機(jī)的標(biāo)定攝像機(jī)定標(biāo)，也就是求解其成像投影變換矩陣M，一般都需要在攝像機(jī)前放一個(gè)特制的標(biāo)定參照物，攝像機(jī)獲取該物體的圖像，并由此計(jì)算攝像機(jī)的投影變換矩陣i/。標(biāo)定參照物的每一個(gè)特征點(diǎn)相對(duì)于世界坐標(biāo)系Gcs的位置在制作時(shí)應(yīng)精確測定，世界坐標(biāo)系GCS^選為參照物的物體坐標(biāo)系。在得到這些己知點(diǎn)在圖像上的投影位置后，可以計(jì)算出攝像機(jī)的投影變換矩陣^r，之后無須計(jì)算出攝像機(jī)的全部內(nèi)外部參數(shù)，采用隱式校準(zhǔn)的辦法可以直接將像面坐標(biāo)映射成空間坐標(biāo)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，(U^Z^.)為空間第沖點(diǎn)的坐標(biāo)，("j")為第i點(diǎn)的圖像像素坐標(biāo),,為投影矩陣M的第i行第i列元素。公式l包含了三個(gè)方程2將公式2中的第一式除第三式，第二式除第三式分別消去4,后，可得如下兩個(gè)關(guān)于叫,的線性方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>3公式3表示，若標(biāo)定塊上有n個(gè)己知點(diǎn)，并己知它們的空間坐標(biāo)(X",1^，ZJ(—1，2,…,")與它們的圖像點(diǎn)坐標(biāo)(M&v,.)(—l，2，…,")，則就可獲得2"個(gè)關(guān)于礎(chǔ)巨陣元素的線性方程，其矩陣形式的方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>由4式可見，A^巨陣乘以任意不為零的常數(shù)并不影響(J^,^,Zw)與(w,v)的關(guān)系，因此，在上式中可以指定附34=1，從而得到關(guān)于JW矩陣其它元素的2"個(gè)線性方程，將4式簡寫成其中，K為上式左邊2"xii矩陣，m為未知的ll維向量，t/為右邊的2"維向量，《，t/為己知向量。當(dāng)2"〉11時(shí)，可用最小二乘法求出上述線性方程的解m=Crt)—6m向量與m3^1構(gòu)成了所求解的M矩陣。由上可見，由空間6個(gè)以上已知點(diǎn)與它們的圖像點(diǎn)坐標(biāo)，可以求出膽巨陣。在一般的定標(biāo)工作中，使標(biāo)定塊上有數(shù)十個(gè)已知點(diǎn)，使方程的個(gè)數(shù)大大超過未知數(shù)的個(gè)數(shù)，從而用最小二乘法求解以降低誤差造成的影響。(2)張正友的平面標(biāo)定法線性模型不能準(zhǔn)確的描述成像幾何關(guān)系，在精度要求比較高的場合需要考慮非線性的影響，即需要采用非線性模型。非線性模型考慮了鏡頭的光學(xué)畸變對(duì)成像的影響，故使精度有較大的提高。非線性模型需要解非線性方程，從而增大了解的難度和解的不確定度，從而也限制了非線性模型的應(yīng)用。基于上面的考慮，Tsai和Roger提出了著名的兩步法，該法先采用解析方法直接計(jì)算線性部分參數(shù)，然后以這些線性參數(shù)作為非線性優(yōu)化的初值，對(duì)其余參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，故稱為兩步法。該法一方面克服了傳統(tǒng)的線性模型的不足，考慮了徑向畸變，提高了標(biāo)定精度，另一方面又通過解析法得到初值，從而減少了優(yōu)化的次數(shù)，提高了運(yùn)算速度。1998年張正友針對(duì)徑向畸變，提出了一種可以利用多幅平面模板標(biāo)定攝像機(jī)所有內(nèi)外參數(shù)的方法。該方法需要攝像機(jī)從不同的角度拍攝平面模板的多幅圖像(至少三幅)，不過攝像機(jī)與平面模板間可以自由地運(yùn)動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)參數(shù)無需知道。由于平面模板上每個(gè)特征點(diǎn)與其圖像上相應(yīng)的像點(diǎn)之間存在一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，這個(gè)關(guān)系可用一個(gè)映射矩陣來表示，所以對(duì)于每幅圖像，就都可以確定一個(gè)映射矩陣，這就為內(nèi)部參數(shù)的求解提供了兩個(gè)約束條件。該算法也是基于兩步法的思想，即先有一個(gè)線性解法求出部分參數(shù)的初始值，然后考慮徑向畸變(一階和二階)并基于極大似然準(zhǔn)則對(duì)線性結(jié)果進(jìn)行非線性優(yōu)化最后利用計(jì)算好的內(nèi)部參數(shù)和平面模板映射矩陣求出外部參數(shù)。在主動(dòng)投影照明式光學(xué)三維面形測量系統(tǒng)中常用投影儀進(jìn)行光柵圖像的投影，其具有相移準(zhǔn)確、精度高等優(yōu)點(diǎn)。這樣的主動(dòng)投影照明式雙目立體視覺三維測量系統(tǒng)，投影儀的標(biāo)定就成為一個(gè)新的問題。文獻(xiàn)"Novelmethodforstructuredlightsystemcalibration"(SongZhang,PeisenS.Huang,OpticalEngineering,2006)提出一種投影儀標(biāo)定方法，其將投影儀看成是攝像機(jī)的倒置，這樣投影儀標(biāo)定模型就和攝像機(jī)相同。其利用投影儀投射出的正弦條紋的相位信息，按照張正友的平面方法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)定。該方法需要在兩個(gè)垂直方向上投影正弦條紋且使用條紋相移術(shù)，故在每一個(gè)平面標(biāo)定位置至少需要六幅條紋圖。此方法需要進(jìn)行相位展開運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理較繁瑣。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種基于二維彩色標(biāo)靶的主動(dòng)投影照明光學(xué)三維面形測量系統(tǒng)快速標(biāo)定方法。本發(fā)明適合現(xiàn)場快速標(biāo)定,可應(yīng)用于基于結(jié)構(gòu)光主動(dòng)投影的三維測量系統(tǒng)中。本發(fā)明釆用如下技術(shù)方案標(biāo)定靶上的圖案由三基色中任意兩種顏色組成，其一為背景色，另一為特征點(diǎn)的顏色。使用打印、印刷、光電制作或者機(jī)械制作方式獲得特征圖案，然后將該圖像附著在平面上即制作成標(biāo)靶。根據(jù)標(biāo)靶上的顏色組成，由顏料和光的混色原理，投影圖像中白色背景上的特征點(diǎn)顏色應(yīng)該為三基色中標(biāo)靶圖案不包含的那種顏色的補(bǔ)色。將投影圖像投影到標(biāo)靶上，投影圖像的光顏色和標(biāo)靶圖案本身的顏料顏色按照光和顏料的反射原理形成一個(gè)圖案，由RGB模型的圖像記錄原理，利用事先的顏色設(shè)計(jì)，標(biāo)靶上物理存在的特征點(diǎn)信息會(huì)包含在組成標(biāo)靶顏色的兩種基色相對(duì)應(yīng)的RGB顏色通道中，投影圖像在標(biāo)靶上的變形圖像則包含在另外的一個(gè)基色對(duì)應(yīng)的顏色通道中，從而達(dá)到了空間復(fù)用的目的。在對(duì)多個(gè)位置拍攝多幅標(biāo)靶上的混色圖像(每個(gè)位置只拍攝一幅圖像)后，分離出與組成標(biāo)靶圖案的兩基色相對(duì)應(yīng)的兩顏色通道信息，可知此即為標(biāo)定板上固有圖像的灰度圖，利用此兩圖像組中的任一組可以提取出特征點(diǎn)的信息，從而標(biāo)定出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。剩下的那個(gè)通道的圖像信息即是投影圖像在標(biāo)靶上的變形圖像，利用此圖像組，由標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，計(jì)算出拍攝的變形投影圖像像素坐標(biāo)系中一點(diǎn)(Up,Vp)在世界坐標(biāo)系中的位置，可由下式求得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中Mc為攝像機(jī)的投影變換矩陣，(UC，Ve)為點(diǎn)(Up，Vp)在攝像機(jī)拍攝圖像對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)。在得到投影圖像在標(biāo)靶上的變形圖像角點(diǎn)的世界坐標(biāo)位置后，可由8式求解出投影儀的投影變換矩陣Mp,從而完成投影儀的標(biāo)定。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>最后，在完成投影儀的標(biāo)定后，即可利用雙目立體標(biāo)定方法標(biāo)定出系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，從而完成系統(tǒng)的標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)證明，本方法具有標(biāo)定速度快，所需數(shù)據(jù)少的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于主動(dòng)光三維測量系統(tǒng)的標(biāo)定中。圖l測量系統(tǒng)中各坐標(biāo)關(guān)系的示意圖圖2采用紅藍(lán)顏色搭配、特征點(diǎn)為棋盤格的二維彩色f面標(biāo)靶圖圖3采用白、品紅顏色搭配、特征點(diǎn)為棋盤格的投影圖像圖4拍攝得到的空間復(fù)用的混色圖像圖5分離的紅通道圖像圖6分離的藍(lán)通道圖像圖7分離的綠通道圖像圖8采用上述顏色搭配和特征點(diǎn)的系統(tǒng)標(biāo)定流程圖圖9三維點(diǎn)數(shù)據(jù)在擬合平面上的分布圖10測量用的半圓柱物體圖ll測量物體的一幅變形條紋圖圖12彩色標(biāo)靶法標(biāo)定后重建的物體三維面形圖13本專利方法和傳統(tǒng)的相位方法恢復(fù)面形沿X軸的切線比較具體實(shí)施例方式下面結(jié)合一個(gè)具體實(shí)例進(jìn)行說明，本實(shí)例并不包括本專利的所有內(nèi)容。在本實(shí)例中，制作在平面標(biāo)靶上的圖像是紅藍(lán)相間的棋盤格，如圖2所示，投影到標(biāo)靶上的圖像是白和品紅相間的棋盤格圖像，如圖3所示，彩色攝像機(jī)獲取投影圖像到達(dá)標(biāo)靶后的混色圖像，如圖4所示，利用兩個(gè)棋盤格合理的顏色設(shè)計(jì)，可以在紅藍(lán)通道分離出如圖5和6所示的、對(duì)應(yīng)物理存在于標(biāo)耙上的棋盤格圖像，在綠通道分離出如圖7所示的、投影到標(biāo)靶上的棋盤格圖像；然后由標(biāo)靶上物理存在的棋盤格圖像標(biāo)定攝像機(jī)，由投影到標(biāo)靶上的棋盤格圖像標(biāo)定投影儀；最后利用雙目立體視覺原理標(biāo)定出攝像機(jī)和投影儀的相對(duì)位置關(guān)系，從而完成系統(tǒng)的標(biāo)定。下面結(jié)合圖8，具體說明標(biāo)定步驟第一步標(biāo)定數(shù)據(jù)的獲取投影儀投射出白和品紅相間的棋盤格圖像，紅藍(lán)相間的棋盤格特征標(biāo)靶分別放置在測量范圍內(nèi)若干不同位置，用攝像機(jī)拍攝記錄不同位置處的混色圖像，每個(gè)位置只需要拍攝一幅圖像。設(shè)利用攝像機(jī)獲得的任一幅彩色圖像為P，將P的RGB三通道信息分離，為三幅灰度圖像PR,PG，Pb，按照RGB彩色模型的原理并根據(jù)事先的顏色搭配設(shè)計(jì)，PR應(yīng)為標(biāo)定靶標(biāo)中的紅顏色信息，如圖5所示，同理PB應(yīng)為標(biāo)定靶標(biāo)中的藍(lán)色信息如圖6所示，Pc信息對(duì)應(yīng)于投影儀投影白品紅相間的圖像到標(biāo)定靶標(biāo)表面后形成的圖像，也成為黑白相間的棋盤格圖案，如圖7所示。第二步攝像機(jī)的標(biāo)定PR、PB中的標(biāo)定靶標(biāo)就成為黑白相間的棋盤格圖案，對(duì)應(yīng)于耙標(biāo)表面物理存在的棋盤格圖像，由角點(diǎn)提取算法提取出棋盤格圖案上的特征點(diǎn)求出投影變換矩陣，完成攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定。第三步借助攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)投影儀的標(biāo)定對(duì)PG提取角點(diǎn)的像素坐標(biāo)(Uc,Vc)，由第二步所求的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的世界坐標(biāo)系位置(Xw,Yw，4)，接著提取相對(duì)應(yīng)點(diǎn)在投影前圖像上的像素坐標(biāo)位置(up,vp)(即投影儀系統(tǒng)的像素坐標(biāo)系位置)，由(Xw,Yw，ZJ和(％Vp)求出投影變換矩陣，就可以標(biāo)定出投影儀的內(nèi)外參數(shù)。第四步由(Uc，Vc)、(XW，YW,ZW)、(Up，Vp)按雙目立體原理標(biāo)定出攝像機(jī)和投影儀的相對(duì)位置關(guān)系，從而完成系統(tǒng)的標(biāo)定。測量中使用的攝像機(jī)為佳能E503單反相機(jī)，使用的相機(jī)分辨率為1728x1152pixel。投影儀為三洋液晶投影儀，分辨率為1024x768pixel。標(biāo)定出的攝像機(jī)和投影儀的內(nèi)外參數(shù)如表l、表2和公式9、公式10所示。表l標(biāo)定出的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)矩陣如下:及=0.9246-0.03230.3796-0.01470.99870.0491-0.3807-0.03990.9238-281,7597-117.947386.9913」910在整個(gè)系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)束后，為了驗(yàn)證標(biāo)定方法的正確性，由投影儀投射一幅有計(jì)算機(jī)生成的有若干標(biāo)記點(diǎn)的圖像到白色平面上，再由攝像機(jī)拍攝獲取圖像。分別提取拍攝圖像和投影圖像相應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)的像素坐標(biāo)位置，由于系統(tǒng)已經(jīng)標(biāo)定，利用三角法計(jì)算得出這些點(diǎn)的三維坐標(biāo)，理論上其應(yīng)該位于同一個(gè)平面內(nèi)。利用這些點(diǎn)由最小二乘法擬合出一個(gè)平面,然后，分別計(jì)算這些點(diǎn)到這個(gè)平面的距離求出最大距離值。實(shí)驗(yàn)中提取并計(jì)算了156個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，點(diǎn)到擬合平面的最大距離為0.8039mm。圖9為用文中方法標(biāo)定系統(tǒng)后156個(gè)點(diǎn)在擬合平面兩側(cè)的分布情況。同時(shí)利用標(biāo)定后的系統(tǒng)測量了一個(gè)半圓柱物體的三維面形。傳統(tǒng)的相位標(biāo)定方法重建的半圓柱物體面形對(duì)應(yīng)的棱和直徑測量值為65.8798mm和65.4848mm，，本專利方法標(biāo)定后重建物體面形的棱和直徑測量值為65.4785mm和65.1873mm。圖13是用本專利方法和相位方法標(biāo)定的同一系統(tǒng)后，測量同一物體的重建面形在沿X軸方向的切線形狀比較。從測量結(jié)果可以看出分別使用本文方法和傳統(tǒng)方法標(biāo)定的同一系統(tǒng)測量的同一物體面形數(shù)據(jù)符合的較好。與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于標(biāo)定過程簡單快捷，標(biāo)定中每個(gè)平面位置只需要一幅圖像，所需要處理的數(shù)據(jù)少。權(quán)利要求1.一種用于主動(dòng)投影照明三維形貌測量系統(tǒng)中投影儀和攝像機(jī)同時(shí)快速標(biāo)定的方法，其特征在于在彩色圖像的RGB模型基礎(chǔ)上，利用合理的顏色設(shè)計(jì)，由測量系統(tǒng)中的投影儀將一幅具有彩色特征點(diǎn)的圖像投影(后面簡稱投影圖像)到一個(gè)用彩色特征點(diǎn)制作的二維平面標(biāo)靶(后面簡稱標(biāo)靶圖案)上，彩色攝像機(jī)一次同時(shí)獲取平面標(biāo)靶表面兩個(gè)特征顏色圖案的空間混色圖像，再按照RGB顏色模型分離此圖像，分別提取出相應(yīng)的標(biāo)靶圖案和投影圖像，然后用提取出來的標(biāo)靶圖案標(biāo)定攝像機(jī)，用提取出來的投影圖像標(biāo)定投影儀，最后利用雙目立體視覺原理標(biāo)定出攝像機(jī)和投影儀的相對(duì)位置關(guān)系，從而完成整個(gè)主動(dòng)投影照明三維形貌測量系統(tǒng)的標(biāo)定。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影儀和攝像機(jī)快速標(biāo)定方法，其特征在于通過顏色設(shè)計(jì)，利用RGB模型，將標(biāo)定兩個(gè)設(shè)備所需圖像信息混色進(jìn)行空間復(fù)用，從而在每一個(gè)標(biāo)定平面位置只需要拍攝一幅圖像，即可完成投影儀的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定和投影儀與攝像機(jī)的系統(tǒng)標(biāo)定，與傳統(tǒng)的基于相位方法的標(biāo)定方法相比，具有測量數(shù)據(jù)少，標(biāo)定速度快的優(yōu)點(diǎn)。3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的顏色空間混色，其特征在于利用顏料和光的混色原理，使RGB模型的三通道中分別包含標(biāo)靶圖案信息和投影圖像的彩色特征點(diǎn)顏色信息，從而達(dá)到空間復(fù)用的目的。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有彩色特征點(diǎn)的投影圖像(投影圖像)，其特征在于其可以是在一幅白色背景中排布有若干品紅色、青色或黃色特征點(diǎn)的圖像，使用測量系統(tǒng)中的數(shù)字投影儀或者幻燈投影儀投影到測量視場中。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用彩色特征點(diǎn)制作的二維平面標(biāo)耙(標(biāo)耙圖案)，其特征在于其可以從紅綠藍(lán)三基色中任意選取兩種顏色進(jìn)行搭配，如在紅色背景中排布有若干綠色或者藍(lán)色特征點(diǎn)的平面，或者在綠色背景中排布有若干藍(lán)色或者紅色特征點(diǎn)的平面，或者在藍(lán)色背景中排布有若干綠色或者紅色特征點(diǎn)的平面；可以使用打印、印刷、光電制作或者機(jī)械制作方式制作彩色特征點(diǎn)圖案，再將該圖案附著在平面上即制作成二維平面標(biāo)靶。6.根據(jù)權(quán)利要求1、4和5所述的投影圖像和標(biāo)靶圖案中的彩色特征點(diǎn)，其特征在于其可以是用顏色信息繪制的圓斑、實(shí)心方塊或十字叉。7.根據(jù)權(quán)利要求l、4和5所述的具有彩色特征點(diǎn)的投影圖像和標(biāo)靶圖案，其特征在于若標(biāo)耙圖案采用紅藍(lán)顏色搭配圖像，則投影圖像為白和品紅顏色搭配圖像；若標(biāo)耙圖案采用紅綠顏色搭配圖像，則投影圖像為白黃顏色搭配圖像;若標(biāo)靶圖案采用綠藍(lán)顏色搭配圖像，則投影圖像為白青顏色搭配圖像。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像分離，其特征在于若所采用的標(biāo)靶圖案本身為紅藍(lán)圖像、投影圖像本身為白品紅圖像，則拍攝的彩色圖像中紅、藍(lán)通道分離的圖像用來標(biāo)定攝像機(jī)，綠通道圖像可以用來標(biāo)定投影儀；若所采用的標(biāo)靶圖案本身為紅綠圖像、投影圖像本身為白黃圖像，則拍攝的彩色圖像中紅、綠通道分離的圖像用來標(biāo)定攝像機(jī)，藍(lán)通道圖像可以用來標(biāo)定投影儀；若所采用的標(biāo)靶圖案本身為綠藍(lán)圖像、投影圖像本身為白青圖像，則拍攝的彩色圖像中綠、藍(lán)通道分離的圖像用來標(biāo)定攝像機(jī)，紅通道圖像可以用來標(biāo)定投影儀。全文摘要一種用于主動(dòng)投影照明三維形貌測量系統(tǒng)中的投影儀和攝像機(jī)同時(shí)快速標(biāo)定方法，利用合理的顏色設(shè)計(jì)，在彩色圖像的RGB模型基礎(chǔ)上，利用投影儀將一幅具有彩色特征點(diǎn)的圖像投影到一個(gè)具有彩色特征點(diǎn)的二維平面標(biāo)靶上，彩色攝像機(jī)一次同時(shí)獲取標(biāo)靶上兩個(gè)彩色圖案經(jīng)顏色空間混色后的圖像，由圖像分離得到標(biāo)靶上制作的特征點(diǎn)圖像信息和投影的特征點(diǎn)圖像信息，然后分別用分離出的標(biāo)靶特征圖像標(biāo)定攝像機(jī)，用分離出的投影特征點(diǎn)圖像標(biāo)定投影儀，最后利用雙目立體視覺原理標(biāo)定出攝像機(jī)和投影儀的相對(duì)位置關(guān)系，從而完成整個(gè)主動(dòng)照明三維形貌測量系統(tǒng)的標(biāo)定。由于在每一個(gè)標(biāo)定位置只需要拍攝一幅圖像，該方法具有測量數(shù)據(jù)少，標(biāo)定速度快的優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)G01B11/25GK101576379SQ20091005925公開日2009年11月11日申請(qǐng)日期2009年5月12日優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日發(fā)明者劉元坤,張啟燦,王慶豐申請(qǐng)人:四川大學(xué)