專利名稱：：基于二維彩色標靶的主動投影三維測量系統快速標定方法
技術領域：
：本發明涉及三維面形測量系統中的系統標定領域，尤其涉及基于主動投影照明三維測量系統的攝像機和投影儀同時標定。
背景技術：
：攝像機標定是三維重建中必不可少的一個步驟，標定結果的好壞直接影響著三維測量的精度和三維重建結果的好壞，因此研究攝像機的標定方法具有重要的理論研究意義和實際應用價值。攝像機模型解決的是二維圖像信息和三維空間坐標轉換的問題，一般來說有線性模型和非線性模型兩種。線性攝像機模型(針孔相機成像模型)是應用最廣泛的一種，很多視覺測量技術都是建立在針孔成像模型的基礎之上。非線性模型也稱為畸變模型，是在線性模型的基礎上考慮成像鏡頭的光學畸變后建立的模型。(l)線性模型攝像機的標定攝像機定標，也就是求解其成像投影變換矩陣M，一般都需要在攝像機前放一個特制的標定參照物，攝像機獲取該物體的圖像，并由此計算攝像機的投影變換矩陣i/。標定參照物的每一個特征點相對于世界坐標系Gcs的位置在制作時應精確測定，世界坐標系GCS^選為參照物的物體坐標系。在得到這些己知點在圖像上的投影位置后，可以計算出攝像機的投影變換矩陣^r，之后無須計算出攝像機的全部內外部參數，采用隱式校準的辦法可以直接將像面坐標映射成空間坐標。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，(U^Z^.)為空間第沖點的坐標，("j")為第i點的圖像像素坐標,,為投影矩陣M的第i行第i列元素。公式l包含了三個方程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，可得如下兩個關于叫,的線性方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>3公式3表示，若標定塊上有n個己知點，并己知它們的空間坐標(X",1^，ZJ(—1，2,…,")與它們的圖像點坐標(M&v,.)(—l，2，…,")，則就可獲得2"個關于礎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并不影響(J^,^,Zw)與(w,v)的關系，因此，在上式中可以指定附34=1，從而得到關于JW矩陣其它元素的2"個線性方程，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2"〉11時，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構成了所求解的M矩陣。由上可見，由空間6個以上已知點與它們的圖像點坐標，可以求出膽巨陣。在一般的定標工作中，使標定塊上有數十個已知點，使方程的個數大大超過未知數的個數，從而用最小二乘法求解以降低誤差造成的影響。(2)張正友的平面標定法線性模型不能準確的描述成像幾何關系，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畸變對成像的影響，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算線性部分參數，然后以這些線性參數作為非線性優化的初值，對其余參數進行迭代優化，故稱為兩步法。該法一方面克服了傳統的線性模型的不足，考慮了徑向畸變，提高了標定精度，另一方面又通過解析法得到初值，從而減少了優化的次數，提高了運算速度。1998年張正友針對徑向畸變，提出了一種可以利用多幅平面模板標定攝像機所有內外參數的方法。該方法需要攝像機從不同的角度拍攝平面模板的多幅圖像(至少三幅)，不過攝像機與平面模板間可以自由地運動，而且運動參數無需知道。由于平面模板上每個特征點與其圖像上相應的像點之間存在一個對應關系，這個關系可用一個映射矩陣來表示，所以對于每幅圖像，就都可以確定一個映射矩陣，這就為內部參數的求解提供了兩個約束條件。該算法也是基于兩步法的思想，即先有一個線性解法求出部分參數的初始值，然后考慮徑向畸變(一階和二階)并基于極大似然準則對線性結果進行非線性優化最后利用計算好的內部參數和平面模板映射矩陣求出外部參數。在主動投影照明式光學三維面形測量系統中常用投影儀進行光柵圖像的投影，其具有相移準確、精度高等優點。這樣的主動投影照明式雙目立體視覺三維測量系統，投影儀的標定就成為一個新的問題。文獻"Novelmethodforstructuredlightsystemcalibration"(SongZhang,PeisenS.Huang,OpticalEngineering,2006)提出一種投影儀標定方法，其將投影儀看成是攝像機的倒置，這樣投影儀標定模型就和攝像機相同。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現系統的標定。該方法需要在兩個垂直方向上投影正弦條紋且使用條紋相移術，故在每一個平面標定位置至少需要六幅條紋圖。此方法需要進行相位展開運算，數據處理較繁瑣。
發明內容本發明提供一種基于二維彩色標靶的主動投影照明光學三維面形測量系統快速標定方法。本發明適合現場快速標定,可應用于基于結構光主動投影的三維測量系統中。本發明釆用如下技術方案標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，另一為特征點的顏色。使用打印、印刷、光電制作或者機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靶。根據標靶上的顏色組成，由顏料和光的混色原理，投影圖像中白色背景上的特征點顏色應該為三基色中標靶圖案不包含的那種顏色的補色。將投影圖像投影到標靶上，投影圖像的光顏色和標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圖案，由RGB模型的圖像記錄原理，利用事先的顏色設計，標靶上物理存在的特征點信息會包含在組成標靶顏色的兩種基色相對應的RGB顏色通道中，投影圖像在標靶上的變形圖像則包含在另外的一個基色對應的顏色通道中，從而達到了空間復用的目的。在對多個位置拍攝多幅標靶上的混色圖像(每個位置只拍攝一幅圖像)后，分離出與組成標靶圖案的兩基色相對應的兩顏色通道信息，可知此即為標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的信息，從而標定出攝像機的內外參數。剩下的那個通道的圖像信息即是投影圖像在標靶上的變形圖像，利用此圖像組，由標定的攝像機內外參數，計算出拍攝的變形投影圖像像素坐標系中一點(Up,Vp)在世界坐標系中的位置，可由下式求得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中Mc為攝像機的投影變換矩陣，(UC，Ve)為點(Up，Vp)在攝像機拍攝圖像對應特征點的像素坐標。在得到投影圖像在標靶上的變形圖像角點的世界坐標位置后，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定。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>最后，在完成投影儀的標定后，即可利用雙目立體標定方法標定出系統相關參數，從而完成系統的標定。實驗證明，本方法具有標定速度快，所需數據少的優點，可以應用于主動光三維測量系統的標定中。圖l測量系統中各坐標關系的示意圖圖2采用紅藍顏色搭配、特征點為棋盤格的二維彩色f面標靶圖圖3采用白、品紅顏色搭配、特征點為棋盤格的投影圖像圖4拍攝得到的空間復用的混色圖像圖5分離的紅通道圖像圖6分離的藍通道圖像圖7分離的綠通道圖像圖8采用上述顏色搭配和特征點的系統標定流程圖圖9三維點數據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彩色標靶法標定后重建的物體三維面形圖13本專利方法和傳統的相位方法恢復面形沿X軸的切線比較具體實施例方式下面結合一個具體實例進行說明，本實例并不包括本專利的所有內容。在本實例中，制作在平面標靶上的圖像是紅藍相間的棋盤格，如圖2所示，投影到標靶上的圖像是白和品紅相間的棋盤格圖像，如圖3所示，彩色攝像機獲取投影圖像到達標靶后的混色圖像，如圖4所示，利用兩個棋盤格合理的顏色設計，可以在紅藍通道分離出如圖5和6所示的、對應物理存在于標耙上的棋盤格圖像，在綠通道分離出如圖7所示的、投影到標靶上的棋盤格圖像；然后由標靶上物理存在的棋盤格圖像標定攝像機，由投影到標靶上的棋盤格圖像標定投影儀；最后利用雙目立體視覺原理標定出攝像機和投影儀的相對位置關系，從而完成系統的標定。下面結合圖8，具體說明標定步驟第一步標定數據的獲取投影儀投射出白和品紅相間的棋盤格圖像，紅藍相間的棋盤格特征標靶分別放置在測量范圍內若干不同位置，用攝像機拍攝記錄不同位置處的混色圖像，每個位置只需要拍攝一幅圖像。設利用攝像機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事先的顏色搭配設計，PR應為標定靶標中的紅顏色信息，如圖5所示，同理PB應為標定靶標中的藍色信息如圖6所示，Pc信息對應于投影儀投影白品紅相間的圖像到標定靶標表面后形成的圖像，也成為黑白相間的棋盤格圖案，如圖7所示。第二步攝像機的標定PR、PB中的標定靶標就成為黑白相間的棋盤格圖案，對應于耙標表面物理存在的棋盤格圖像，由角點提取算法提取出棋盤格圖案上的特征點求出投影變換矩陣，完成攝像機的內外參數標定。第三步借助攝像機實現投影儀的標定對PG提取角點的像素坐標(Uc,Vc)，由第二步所求的攝像機內外參數可以計算出對應像素點的世界坐標系位置(Xw,Yw，4)，接著提取相對應點在投影前圖像上的像素坐標位置(up,vp)(即投影儀系統的像素坐標系位置)，由(Xw,Yw，ZJ和(％Vp)求出投影變換矩陣，就可以標定出投影儀的內外參數。第四步由(Uc，Vc)、(XW，YW,ZW)、(Up，Vp)按雙目立體原理標定出攝像機和投影儀的相對位置關系，從而完成系統的標定。測量中使用的攝像機為佳能E503單反相機，使用的相機分辨率為1728x1152pixel。投影儀為三洋液晶投影儀，分辨率為1024x768pixel。標定出的攝像機和投影儀的內外參數如表l、表2和公式9、公式10所示。表l標定出的攝像機內參數<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>系統旋轉矩陣如下:及=0.9246-0.03230.3796-0.01470.99870.0491-0.3807-0.03990.9238-281,7597-117.947386.9913」910在整個系統標定結束后，為了驗證標定方法的正確性，由投影儀投射一幅有計算機生成的有若干標記點的圖像到白色平面上，再由攝像機拍攝獲取圖像。分別提取拍攝圖像和投影圖像相應標記點的像素坐標位置，由于系統已經標定，利用三角法計算得出這些點的三維坐標，理論上其應該位于同一個平面內。利用這些點由最小二乘法擬合出一個平面,然后，分別計算這些點到這個平面的距離求出最大距離值。實驗中提取并計算了156個標記點，點到擬合平面的最大距離為0.8039mm。圖9為用文中方法標定系統后156個點在擬合平面兩側的分布情況。同時利用標定后的系統測量了一個半圓柱物體的三維面形。傳統的相位標定方法重建的半圓柱物體面形對應的棱和直徑測量值為65.8798mm和65.4848mm，，本專利方法標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定的同一系統后，測量同一物體的重建面形在沿X軸方向的切線形狀比較。從測量結果可以看出分別使用本文方法和傳統方法標定的同一系統測量的同一物體面形數據符合的較好。與現有方法相比，本發明的優點在于標定過程簡單快捷，標定中每個平面位置只需要一幅圖像，所需要處理的數據少。權利要求1.一種用于主動投影照明三維形貌測量系統中投影儀和攝像機同時快速標定的方法，其特征在于在彩色圖像的RGB模型基礎上，利用合理的顏色設計，由測量系統中的投影儀將一幅具有彩色特征點的圖像投影(后面簡稱投影圖像)到一個用彩色特征點制作的二維平面標靶(后面簡稱標靶圖案)上，彩色攝像機一次同時獲取平面標靶表面兩個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，分別提取出相應的標靶圖案和投影圖像，然后用提取出來的標靶圖案標定攝像機，用提取出來的投影圖像標定投影儀，最后利用雙目立體視覺原理標定出攝像機和投影儀的相對位置關系，從而完成整個主動投影照明三維形貌測量系統的標定。2.根據權利要求1所述的投影儀和攝像機快速標定方法，其特征在于通過顏色設計，利用RGB模型，將標定兩個設備所需圖像信息混色進行空間復用，從而在每一個標定平面位置只需要拍攝一幅圖像，即可完成投影儀的內部參數標定和投影儀與攝像機的系統標定，與傳統的基于相位方法的標定方法相比，具有測量數據少，標定速度快的優點。3.根據權利要求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靶圖案信息和投影圖像的彩色特征點顏色信息，從而達到空間復用的目的。4.根據權利要求1所述的具有彩色特征點的投影圖像(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、青色或黃色特征點的圖像，使用測量系統中的數字投影儀或者幻燈投影儀投影到測量視場中。5.根據權利要求1所述的用彩色特征點制作的二維平面標耙(標耙圖案)，其特征在于其可以從紅綠藍三基色中任意選取兩種顏色進行搭配，如在紅色背景中排布有若干綠色或者藍色特征點的平面，或者在綠色背景中排布有若干藍色或者紅色特征點的平面，或者在藍色背景中排布有若干綠色或者紅色特征點的平面；可以使用打印、印刷、光電制作或者機械制作方式制作彩色特征點圖案，再將該圖案附著在平面上即制作成二維平面標靶。6.根據權利要求1、4和5所述的投影圖像和標靶圖案中的彩色特征點，其特征在于其可以是用顏色信息繪制的圓斑、實心方塊或十字叉。7.根據權利要求l、4和5所述的具有彩色特征點的投影圖像和標靶圖案，其特征在于若標耙圖案采用紅藍顏色搭配圖像，則投影圖像為白和品紅顏色搭配圖像；若標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;若標靶圖案采用綠藍顏色搭配圖像，則投影圖像為白青顏色搭配圖像。8.根據權利要求1所述的圖像分離，其特征在于若所采用的標靶圖案本身為紅藍圖像、投影圖像本身為白品紅圖像，則拍攝的彩色圖像中紅、藍通道分離的圖像用來標定攝像機，綠通道圖像可以用來標定投影儀；若所采用的標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定攝像機，藍通道圖像可以用來標定投影儀；若所采用的標靶圖案本身為綠藍圖像、投影圖像本身為白青圖像，則拍攝的彩色圖像中綠、藍通道分離的圖像用來標定攝像機，紅通道圖像可以用來標定投影儀。全文摘要一種用于主動投影照明三維形貌測量系統中的投影儀和攝像機同時快速標定方法，利用合理的顏色設計，在彩色圖像的RGB模型基礎上，利用投影儀將一幅具有彩色特征點的圖像投影到一個具有彩色特征點的二維平面標靶上，彩色攝像機一次同時獲取標靶上兩個彩色圖案經顏色空間混色后的圖像，由圖像分離得到標靶上制作的特征點圖像信息和投影的特征點圖像信息，然后分別用分離出的標靶特征圖像標定攝像機，用分離出的投影特征點圖像標定投影儀，最后利用雙目立體視覺原理標定出攝像機和投影儀的相對位置關系，從而完成整個主動照明三維形貌測量系統的標定。由于在每一個標定位置只需要拍攝一幅圖像，該方法具有測量數據少，標定速度快的優點。文檔編號G01B11/25GK101576379SQ20091005925公開日2009年11月11日申請日期2009年5月12日優先權日2009年5月12日發明者劉元坤,張啟燦,王慶豐申請人:四川大學