[doc格式] 单摄像机结构光扫描系统中投影仪标定技术

[doc] 单摄像机结构光扫描系统中投影仪标定技术 单摄像机结构光扫描系统中投影仪标定技 术 一 194一 机械设计与制造 MachineryDesign&Manufacture 第8期 2008年8月 文章编号:1001—3997(2008)08—0194—03 单摄像机结构光扫描系统中投影仪标定技术 戴小林钟约先袁朝龙马扬飚 (清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室,北京100084) Researchonprojectorcalibrationinone-camera3_D measurementsystems DAIXiao—lin,ZHONGYue—xian,YUANChao—long,MAYang—biao (DepartmentofMechanicalEngineering,TsinghuaUniversity,KeyLaborat oryforAdvancedMaterials ProcessingTechnology,MinistryofEducation,Beijing100084,China) 【摘要】传统的单摄像机,单投影仪三维扫描系统,利用相位值计算被测物体的高度信息,可操 作性差,且测量精度不高.将立体视觉的三维重构技术引入到单摄像 机,单投影仪扫描系统,利用相位 值实现投影仪与摄像机的匹配,根据双目视觉的原理进行三维重构, 测量精度明显提高.该技术的关 键是投影仪的定标,研究了基于相位匹配技术的投影仪标定算法,实 验结果验证了该算法的可行性. 关键词:投影仪定标;结构光;三维测量 【Abstract]Thetraditionalone-camerasystemll~esthephasevaluetocalculatetheheight information,thedisadvantageisthatthemaneuverabilityandthemeasurementaccuracyisnotSOgood. The3Dreconstructionmethodbasedonstereovisionisintroducedtotheone--camera——one-t9rojector system.Phasevalueisusedtoaccomplishthetaskofmatchingthecameraandtheprojector.The principleofbinocularvisionisusedtoreconstructtheobject,itcausesthatreconstructionprecisionis obviouslyelevated.Thecalibrationofone——camera-one-projectorsyste mhasbeenstudiedandthemethod ojprojectorcalibrationbasedonphasematchingisproposed.Thetargetsofwhichthecoordinatesare knownexactlyisused.Experimentresultsshowthisphaseunwrappingmetho disfeasible. Keywords:Projectorcalibration;Structuredlight:3一Dmeasurement 中图分类号:TH16,029文献标识码:A 1亩.信息,为实物数字化提供了一种手段.此技术在机械零件测量,1恿检麻洲暑持求可豫一雄扫捕持舌亘音在爰秉襄蒿.物体外轮廓的测量技术(又称三维扫描技术)的重要意义在?水上任,髟仇付仅刺,垭似头.寸/J叫何刘川用. 于,它能将真实世界的立体信息转换为计算机直接处理的数字传统的单摄像机结构光三维测量方法采用单目视觉原理 ?来稿日期:2007—10—12 度优于?2m,刀尖角度测量精度小于2. 表1环境下的单点重复实验结果 Tab.1Simplepointrepetitionexperimentresult understandardenvironment 6结论 刀具几何参数检测装置的光学系统的研究为传统的投影 屏式测量向CCD视觉检测的改进提供了基础,使二维刀具检 测仪器实现了刀形检测功能.本系统采用CCD光学成像系统, 从而克服了光学十字瞄准时误差大的问.最后经过误差补 偿和硬件,软件等互相校正环节,系统误差大为减小,重复测 量精度达到?2tzm,使刀具检测装置的测量精度和自动化程度 大大提高. 参考文献 1孙学珠,付维乔.高精度CCD尺寸自动检测系统的光学系统设计[J]. 光学技术,1995(5):4,6 2J.M.Zuo,J.PacedExperimentalmeasurementofelectrondiffuse scatteringinmagnetiteusingenergy—filterandimagingplates【JJ. Micron,2000:527,532 第8期戴小林等:单摄像机结构光扫描系统中投影仪标定技术一195一 为:把结构光投影到被测物体表面,结构光栅由于受物体三维形3投影仪标定方法 状的调制而发生变形,通过对变形的结构光栅场进行处理,解调出在对投影仪标定之前 ,需要先对摄像机进行标定.关于摄像 代表物体高度的相位信息,再经过相展开和系统标定就可以获得机标定的方法在很多文献中都有详细论述,在此不再赘述. 物体的三维几何信息.本文采用标定块(图略)来对投影仪进行标定,标定图案由 这样的方法存在约束过强,标定精度不高,可操作性不强等11列9行圆点所组成 ,采用印刷的方法制作在有机玻璃板上, 问题,这在很大程度上影响了该技术的实用”. 本文将立体视觉的三维重构技术引入到单摄像机,单投影 仪扫描系统,提出基于相位匹配技术的投影仪定标算法,提高了 系统的标定精度和可操作性. 在该系统中,投影仪标定是其中一个重要的环节,解决投影 仪装置与摄像机图像上点的对应问题和反求三维物体点的坐标 信息都要用到投影仪标定的结果. 从测量精度上来说,投影仪标定的精度是决定系统测量精 度的关键因素之一. 2投影仪模型 由于投影仪不是图像采集设备,因此无法通过拍摄图像 和图像处理的方法进行标定. 但是,考察投影仪的投射原理可以发现,投影仪可以看作 一 个逆向的摄像机. 这样,就可以建立一个与摄像机类似的数学模型,如图1 所示.不同的是投影仪只能投射光栅,不能拍摄光栅,因此需 要借助摄像机来对投影仪进行标定. C 图1投影仪模型 如图1所示,为计算机图像经投影仪成像到三维世界坐标 系中的模型,该模型使用了3个坐标系. 2.1计算机图像坐标系 此坐标系为二维坐标系,对应于图1中的像素图像平面,其 原点在图像的左上角,单位为像素.图像上点的坐标表示为 (u,To 2.2投影仪坐标系 此坐标系为三维坐标系,像素图像平面上的点在投影仪坐 标系中的坐标表示为Pc=(X,Y,)r.此坐标系的原点定义在 镜头的光心,其轴为光轴,.和y.分别平行于图像平面的 水平和垂直轴. 2.3世界坐标系 在世界坐标系中三维空间中的一点表示为: = (,y,z) 其行列间距设定值为40mm. 投影仪标定步骤如下. 3.1检测标志点 计算标志点圆心在摄像机中的图像坐标.采用亚像素定位 并用误差补偿的方法检测标志点的空间坐标. 3.2计算相位值 向标定块投射相移图片,如图2所示,编码结构光图片.通 过解相与相展开两个步骤计算各标志点圆心处的相位值(u, ) 图2结构光编码与周期对应 3.3建立相机成像与投影栅线的对应关系 根据相位值计算标志点在投影栅片中虚拟成像的坐标: () 对于标定块上某标志点i,其相位值(u,)r与圆心处的 世界坐标存在一一对应关系: (u,))(1) 又,标志点i在投影仪栅片中的虚拟成像坐标()r;与 其相位值也存在一一对应关系: uJ=(12盯)U F(12盯)(2) 式中:U,V一光栅图像在u,方向上一个周期的像素数. 因此,对于标志块上的标志点,其圆心处的世界坐标系与其 在光栅图像上的虚拟成像坐标间也存在一一对应关系. 3.4计算投影仪内外参数 根据投影仪模型,采用两阶段法日,计算投影仪的内外参数. 像素图像平面上的点P投射到世界坐标系中的点可由 以下4步完成,这4步中所用到的参数也就是投影仪定标所要 解决的问题. 3.4.1像素图像向投影栅图像转换 像素图像片光面坐标P到投影栅片图像坐标p=(), 其转变关系如下: (u一‰)d y~=(v--v0)*ay(3) 式中:(.)一主点(光轴与图像平面的交点)在计算机图像 坐标系中的坐标; ?. 196—— No.8 机械设计与制造Aug.2008 ——————————————’...—’——’————...............’........ .......______________?-____?-???____.?_____--?__一 点圆心在投影栅片中的虚拟成像,如图3所示.和—像素之间水平和 垂直方向的距离. 3.4.2投影栅图像向投影仪坐标系转换 利用针孔模型将P投射到投影仪坐标系中的变换关 系为: Xzxu Yz学04 式中头的焦距. 3,43引入投影仪镜头畸变 考虑到径向镜头畸变,将非畸变坐标变为畸变坐标.由于镜 头畸变的因素,投影得到的实际坐标为=(,Y,)r,其关系 如下: Xd=Xc+SX, yyfy, zzc (5) 式中:SX和6y一畸变量. 镜头畸变包括径向畸变,切向畸变和离心畸变等,如式(6) 所示: 21,lX2py 8X=k1Xc-kc’— 8Y=kIYc ycr4+zP2+21,1XoYz~-Xva(6) r=-X/~ 式中:.,厂径向畸变; P1,p厂离心畸变; 向畸变. 一 般来说使用k.,k就足以描述畸变了. 3.44投影仪坐标系向世界坐标系转换 从投影仪坐标系实际坐标到世界坐标系的变换, (7) 式中:和表旋转矩阵和移动向量; , 3×3的旋转矩阵,是3个旋转角,,的函数,= (,,TYo 总之,投影仪定标是利用投射图像坐标与物体点三维坐标 来求得投影仪内外参数的过程,其中外参数包括旋转矩阵, 平移向量;内参数包括焦距. 厂’径向畸变系数k.,k,主点坐标 (uo,%). 4标定实验结果分析 投影仪的内外参数,如表1所示. 表1投影仪内外参数 实验中使用的投影仪为ULTRALIGHT$540,分辨率选取 1024×768.计算标志点在投影仪栅片上的虚拟成像,其在投影 仪图像平面上的残差在水平和垂直方向上均为0.1像素.标志 -’-I?l-l一-一 0000000000口 00000000000 ooooo0ooo00 00000.000.o 000000:00000 00000000000 oo000000o0o 0oooo00000o 0000000ooo0| 图3标志点圆心在投影仪栅片上的虚拟成像 利用投影仪标定的结果,采用立体视觉重构的方法,对精确 知道三维坐标点的测试块(500mm×400mm)进行测量,测量距 离为800mm时,绝对精度达到0.4mm.投影仪定标的相对精度 为在空间的绝对精度与测量距离的比值,因而相对精度达到 1:2000. 5结论 采用立体视觉原理构成的单摄像机,单投影仪三维扫描系 统,除了对摄像机进行标定外,投影仪的标定是关键.本文建立 了投影仪的分析模型,提出了基于相位匹配技术的投影仪标定 方法. 实验表明,投影仪标定的绝对精度达到0.4mm,相对精度达 到1:2000.该方法比传统的投影栅相位法具有较高的测量精 度和可操作性,能够满足系统实用化的要求. 参考文献 1许庆红,钟约先,由志福.光学投影轮廓测量的系统标定技术.光学 技术,2000,26(2):126,132,133 2TsaiRY.Aversatilecameracalibrationtechniqueforhigh— accuracy3-Dmachinemetrologyusingoff-theshelfTVcameras andlens[J].IEEEJonRoboticsandAutomation,1987,RA一3(4): 323,344 3ShiSheng—Wen.Accuratelineartechniqueforcameracalibration consideringlensdistortionbysolvinganeigenvalueproblem[J】. 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