CN110849268A - 一种快速的相位-高度映射标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速的相位‑高度映射标定方法，包括以下步骤：建立三维测量系统；运用Harris角点检测算法检测相机所拍摄的棋盘格特定点的像素坐标值的差值来调整CCD相机光轴与参考平面达到垂直；通过基于周期校正的时间相位展开方法，分别得到高精度的旋转前后标准平面的绝对相位值；运用质心法对旋转后的标准平面上的标记点进行二维识别得到像素坐标，在对应的标准平面绝对相位值数据中搜索到其对应的标志点绝对相位值；利用旋转之前标准平面的斜率和标志点的绝对相位值拟合出若干虚拟平面，利用最小二乘法优化求解系统参数来完成相位‑高度标定。本发明极大地提高三维测量系统标定速度并且在桌面三维扫描仪领域将具有潜在的应用前景和实用价值。

Description

一种快速的相位-高度映射标定方法

技术领域

本发明涉及一种光学三维测量方法，属于光电检测技术领域。尤其涉及一种快速的相位-高度映射标定方法。

背景技术

结构光三维成像技术具有高精度、高速度和非接触式测量等优点，在工业检测、质量控制、3D打印、文物保护等领域得到广泛的应用。随着我国生产结构的工业化升级，对大型结构件三维测量的精度需求逐渐增加，在航空航天、大型船舶、汽车车身和轨道交通等加工制造、过程装备和产品检测环节均离不开快速三维精密测量来保证产品质量。

在相位测量轮廓术中，传统的相位-高度映射标定方法通常利用一个位移台带动标准平面在相机的景深范围内纵向移动，每一个平移位置代表一个不同的标定平面，根据标定平面位置及相位分布进行系统标定。但在实际大视场测量中，利用位移台多次移动标准平面比较耗时且移动标准平面的过程中会产生更多的累积误差。同时，利用旋转台参数标定实现多视角点云拼接可以完成被测物体的全貌三维测量，但采用一个位移台和标准平面的传统标定方法对该测量系统标定时也存在标定过程耗时、设备不易携带和累积误差等问题。因此，研究出一种快速且高精度的标定方法也是三维测量领域亟待解决的一个关键问题。本发明正是在充分地考虑了上述问题而提出了一种快速的相位-高度映射标定方法。该方法可极大地提高三维测量系统标定速度并且在桌面三维扫描仪领域将具有潜在的应用前景和实用价值。

发明内容

为得到被测物体的三维高度信息，本发明在基于高精度电动转台的基础上，提出一种快速的相位-高度映射标定方法。其具体技术方案为：一种快速的相位-高度映射标定方法，包括以下步骤：

(1)建立三维测量系统：该系统包括DLP投影仪、CCD相机和参考平面；其中DLP投影仪光轴和CCD相机光轴相交于O点，DLP投影仪和CCD相机为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为L；

(2)运用Harris角点检测算法检测相机所拍摄的棋盘格特定点的像素坐标值的差值来调整CCD相机光轴与参考平面达到垂直；

(3)通过基于周期校正的时间相位展开方法，分别得到高精度电动转台带动标准平面旋转一次前后标准平面的绝对相位值，最后将标记点粘贴在标准平面上；

(4)运用质心法对旋转后的标准平面上的标记点进行二维识别得到像素坐标，再根据像素坐标就可以在对应的标准平面绝对相位值数据中搜索到其对应的标志点相位值；

(5)利用旋转之前标准平面的斜率和标志点的绝对相位值拟合出若干虚拟平面，利用最小二乘法优化求解系统参数来完成相位-高度的标定。

优选的，所述的步骤(5)中拟合虚拟平面的方法为：首先利用旋转之前标准平面的绝对相位值信息拟合其平面方程，然后采用这个拟合平面的斜率和标志点的绝对相位值拟合出过标志点处且平行于参考平面的虚拟平面。

本发明的优点：(1)本发明运用一种基于高精度电动转台的相位-高度映射标定方法只需要将标准平面旋转一次即可完成系统标定，极大地提高了系统标定速度；(2)由于基于标准平面拟合了虚拟平面，从而有效地降低了传统方法中移动标准平面带来的随机误差，从而有效地提高了标定精度；(3)本发明在不需要额外的位移台的情况下可以有效解决在利用旋转台参数标定实现被测物体整体三维形貌恢复过程中的系统标定问题。

附图说明

图1为本发明的三维测量系统示意图。

图2为本发明的相机垂直度标定图

图3为本发明的电动转台结构图。

图4为本发明的标志点像素坐标图。

图5为本发明的原理图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

一种快速的相位-高度映射标定方法包括以下步骤：

(1)建立三维测量系统。如图1所示，该系统包括DLP投影仪、CCD相机和参考平面；其中DLP投影仪光轴和CCD相机光轴相交于O点，DLP投影仪和CCD相机为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为L；

(2)垂直度标定。采用黑白相间的标准棋盘格进行垂直度标定，棋盘格格子为正方形，棋盘格紧贴参考平面放置。CCD相机采集棋盘格图像，黑白相间的格子形成了角点，使用Harris检测算法检测格子角点的像素坐标，使用像素坐标计算格子对应边的像素长度。由于CCD相机存在畸变，取相机视场中央的包含若干个格子的正方形进行测量，可以测量棋盘格的实际长度和像素长度，并进行像素当量标定。当满足AB＝CD，则CCD相机垂直与参考平面，如果AB！＝CD，则继续调整CCD相机的方向直至满足条件，一般来说标定误差不超过一个像素即可。标定完成后，需要固定CCD相机的位置，垂直度标定效果如图2所示。

(3)获得标准平面的绝对相位值。DLP投影仪采用倾斜投影的方式，因此会出现周期性正弦条纹在参考平面上投影不均匀的条纹展宽现象，先采用基于条纹周期校正的条纹四步相移法，再采用基于条纹周期校正的时间相位展开法即可精确地测量在转台上旋转前后标准平面的绝对相位值。

(4)获得每个标志点处的绝对相位值。选用标准的圆形标志点，首先通过霍夫变换算法检测出基于电动转台旋转前后标准平面上的圆形标志点圆心的像素坐标，如图3所示。然后在对应的标准平面绝对相位值数据中搜索到其对应的标志点相位值，如图4所示。

(5)获得拟合平面。若已知一个平面的斜率和过该平面的一点的坐标，那么，我们就可以得到这个平面的方程，也就得到了这个平面上所有点的数据信息。首先，利用旋转之前的标准平面绝对相位值拟合出虚拟平面。

平面拟合的原理如下：

假设拟合平面方程的一般表达式为：

z＝a₀x+a₁y+a₂,(a₀,a₁,a₂为任意常数) (1)

对于旋转之前标准平面上的n个点：P_i(x_i,y_i,z_i),i＝0,1,…,n-1，利用这n个点拟合计算上述平面方程，则使：

最小。

要使得S最小，应满足：

即：

有：

解上述线性方程组，得到：a₀,a₁,a₂为旋转前标准平面的斜率，z＝a₀x+a₁y+a₂为旋转之前拟合平面方程的表达式。然后，利用该斜率和前面得到的标志点处的绝对相位值拟合平行于标准平面的若干虚拟平面，该平面可替代传统方法中由机械移动装置控制带动的标准平面。

(6)相位-高度标定，又称为系统几何参数标定。实质就是标定CCD相机和参考平面之间的距离L，投影仪和CCD相机之间的距离d。被测物体相位差

和其高度的对应关系如式(3)

其中，f是系统参数。

根据相位-高度公式，通过在高精度电动转台上旋转标准平面，完成L、d标定。高精度电动转台只需旋转一次，利用拟合出的虚拟平面和旋转之前标准平面的相位差，记录多组实验数据，建立L、d为未知数的标定方程，理论上两组实验数据即可完成L、d标定。为了提高标定精度，一般选取5个标志点，并拟合相关的虚拟平面，利用最小二乘法优化求解系统几何参数L、d，标定过程如图5所示。系统几何参数标定的推导过程如下：

相位-高度关系的变形公式为：

令

上式简化为：

由变形公式可知

和成线性关系，因此，通过确定出每个位置处的对应的C1和C2值，降低运算量。

如图5所示，其中，O为转台的圆心，θ为参考平面绕轴心旋转的角度，p₁、p₂、…、p_n为标记点，h_i(i＝1,2,…,n)分别为过标记点的平面到参面的距离。且第一个标志点到圆心的距离为a,标志点之间的距离为l。由几何关系推得：

h_i＝asinθ+(n-1)lsinθ(i＝1,2,3,…,n) (8)

联立

式

对式(9)，使用最小二乘法优化算法，求出C1和C2的值，进而求的L、d系统参数，完成相位-高度的标定。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种快速的相位-高度映射标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立三维测量系统：该系统包括DLP投影仪、CCD相机和参考平面；其中DLP投影仪光轴和CCD相机光轴相交于O点，DLP投影仪和CCD相机为同一高度，它们之间的距离为d，它们到参考平面的距离为L；

(2)运用Harris角点检测算法检测相机所拍摄的棋盘格特定点的像素坐标值的差值来调整CCD相机光轴与参考平面达到垂直；

(3)通过基于周期校正的时间相位展开方法，分别得到高精度电动转台带动标准平面旋转一次前后标准平面的绝对相位值，最后将标记点粘贴在标准平面上；

(4)运用质心法对旋转后的标准平面上的标记点进行二维识别得到像素坐标，再根据像素坐标就可以在对应的标准平面绝对相位值数据中搜索到其对应的标志点相位值；

(5)利用旋转之前标准平面的斜率和标志点的绝对相位值拟合出若干虚拟平面，利用最小二乘法优化求解系统参数来完成相位-高度的标定。

2.根据权利要求1所述的一种快速的相位-高度映射标定方法，其特征在于，所述的步骤(5)中拟合虚拟平面的方法为：首先利用旋转之前标准平面的绝对相位值信息拟合其平面方程，然后采用这个拟合平面的斜率和标志点的绝对相位值拟合出过标志点处且平行于参考平面的虚拟平面。

Images