一种面结构光三维测量系统的校正方法和设备与流程

1.本技术涉及面结构光三维测量技术领域，尤其涉及一种面结构光三维测量系统的校正方法和设备。


背景技术：

2.面结构光三维测量系统包括摄像机和投影仪，但摄像机和投影仪的镜头均存在畸变，影响系统的测量精度；而在面结构光三维测量系统的实际应用中，高精度被测物的测量需求越来越高，使得面结构光三维测量系统的校正精度需求也越来越高。
3.面结构三维测量系统的校正主要是对摄像机和投影仪的畸变校正，将投影仪看作逆向摄像机，和摄像机构成双目系统，通过标定板分别标定出摄像机和投影仪的内参、畸变系数和外参；然后采用传统摄像机畸变模型处理径向畸变、切向畸变等不同类型的畸变，分别实现摄像机和投影仪的畸变校正。
4.然而，面结构三维测量系统通过对上述的畸变校正后的测量精度主要在十几微米到几百微米，难以达到高精度被测物的十微米的测量精度需求。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种面结构光三维测量系统的校正方法和设备，用于解决面结构三维测量系统的测量精度难以达到高精度测量需求被测物的测量精度需求的技术问题。
6.为了达到上述目的，第一方面，本技术实施例提供一种面结构光三维测量系统的校正方法，所述校正方法包括如下步骤：
7.校正系统中的畸变，获取无畸变测量点的世界坐标系。
8.将所述世界坐标系下第一方向的有效工作范围划分为n个区间。
9.获取标准校正块在每个区间的表面数据，所述标准校正块是已知表面形态的。
10.在每个子区域，确定对应的第一坐标值，所述子区域为在每个区间下按预设大小沿所述世界坐标系的第二方向和第三方向划分得到的，所述第一坐标值为子区域下对应的表面数据的平均值。
11.将每个区间下所有子区域的第一坐标值进行曲面拟合，确定基准校正面。
12.确定每个子区域的补偿量，所述补偿量为对应的表面数据与所述基准校正面的偏差量的平均值。
13.建立所述无畸变测量点的世界坐标系下查找表，所述查找表为不同区间下子区域与补偿量的对应关系。
14.在一种可能的实施方式中，所述校正系统中的畸变包括摄像机的畸变校正和投影仪的畸变校正。
15.在一种可能的实施方式中，所述摄像机的畸变校正，包括：
16.标定摄像机参数，所述标定摄像机参数包括先摄像机采集不同位置下的标定板图像；再根据所述标定板图像标定摄像机参数，所述摄像机参数包括所述摄像机的内参、外参
和畸变系数。
17.根据摄像机畸变模型和所述摄像机参数，对摄像机采集的图像进行畸变校正，确定畸变校正后的图像。
18.在一种可能的实施方式中，所述投影仪的畸变校正，包括如下步骤：
19.标定投影仪参数，所述标定投影仪参数，包括先投影仪向标定板投影图案，并通过所述摄像机采集投影到标定板上的图案；再根据所述投影到标定板上的图案和所述标定板的图案，标定投影仪参数，所述投影仪参数包括所述投影仪的内参、外参和畸变系数。
20.根据所述摄像机参数和所述投影仪参数，确定摄像机坐标系到投影仪坐标系的旋转矩阵和平移矩阵。
21.根据摄像机畸变模型、所述投影仪参数、所述旋转矩阵和所述平移矩阵，确定世界坐标系对应的投影仪像素坐标。
22.根据所述投影仪像素坐标和摄像机畸变模型，确定无畸变投影仪像素坐标。
23.根据所述旋转矩阵、所述平移矩阵和所述无畸变投影仪像素坐标，确定无畸变测量点的世界坐标系。
24.在一种可能的实施方式中，建立所述无畸变测量点的世界坐标系下查找表之后，所述校正方法还包括：
25.根据待测物上测量点的世界坐标在所述查找表中得到对应的补偿量；
26.根据所述对应的补偿量对所述测量点的世界坐标修正。
27.在一种可能的实施方式中，所述表面数据是所述标准校正块设置于每个区间的中心获得的。
28.如上述方法，本技术提供一种面结构光三维测量系统的校正方法，包括校正系统中的畸变，获取无畸变测量点的世界坐标系；将世界坐标系下第一方向的有效工作范围划分为n个区间；获取标准校正块在每个区间的表面数据，所述标准校正块是已知表面形态的；在每个子区域，确定对应的第一坐标值，所述子区域为在每个区间下按预设大小沿世界坐标系的第二方向和第三方向划分得到的，所述第一坐标值为子区域下对应的表面数据的平均值；将每个区间下所有子区域的第一坐标值进行曲面拟合，确定基准校正面；确定每个子区域的补偿量，所述补偿量为对应的表面数据与所述基准校正面的偏差量的平均值；建立无畸变测量点的世界坐标系下查找表，所述查找表为不同区间下子区域与补偿量的对应关系。本技术在摄像机和投影仪畸变校正的基础上还对系统误差消除，提高系统的测量精度，满足高精度被测物的测量需求。
29.第二方面，本技术还提供一种面结构光三维测量系统的校正设备，采用第一方面所述的一种面结构光三维测量系统的校正方法。
30.本技术提供一种面结构光三维测量系统的校正设备，采用面结构光三维测量系统的校正方法，在摄像机和投影仪畸变校正的基础上还对系统误差消除，提高系统的测量精度，满足高精度被测物的测量需求。
附图说明
31.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本技术实施例面结构光三维测量系统的成像示意图；
33.图2为本技术实施例一种面结构光三维测量系统校正方法的流程图；
34.图3为本技术实施例摄像机畸变校正的流程图；
35.图4为本技术实施例第一方向有效工作范围的区间划分示意图；
36.图5为本技术实施例测量点与拟合曲面距离示意图；
37.图6为本技术实施例又一种面结构光三维测量系统校正方法的流程图；
38.其中：1-摄像机；2-投影仪；3-摄像机像平面；4-投影仪像平面；5-空间平面；6、7-光轴。
具体实施方式
39.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
40.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
41.面结构光三维测量系统包括投影仪和摄像设备。校正面结构光三维测量系统的的畸变，可以通过将摄像设备和投影仪作为整体，使用高精度的立体靶标标定，采用这种畸变校正方法立体靶标的精度影响系统的测量精度；也可以投影仪可以作为逆向摄像设备，面结构光三维测量系统为双目系统，分别标定摄像设备和投影仪的参数，分别实现摄像设备的畸变校正和投影仪的畸变校正。
42.上述第一种方式需要高精度的立体靶标且需要对系统建模，而建模难度大，且高精度立体靶标成本高，制造难度也大。上述第二种方式，对于投影仪的标定精度不够，导致系统整体的测量精度降低，且系统的断差测量精度一般在几百微米到十几微米，其精度无法满足高精度被测物的测量需求。
43.为解决上述问题，本技术实施例提出一种面结构光三维测量系统的校正方法，通过校正系统畸变和消除系统误差，提高系统的测量精度，满足高精度被测物的测量需求。
44.面结构三维测量系统中摄像设备用于采集图像，投射设备用于投射特定结构光图像。在一些实施例中，所述摄像设备可以是摄像机，也可以是相机。
45.如图1所示，面结构光三维测量系统的成像示意图，面结构光三维测量系统包括投影仪2和摄像机1，世界坐标系xw-yw-zw所在的空间平面5内，待测物表面的空间点p坐标
(x
wp
，y
wp
，z
wp
)，对应摄像机像平面3中像素点pc，对应投影仪像平面4中像素点为p
p
，所述投影仪像平面4在投影仪的光轴6方向上成像，摄像机像平面3在摄像机的光轴7方向上成像。
46.如图2所示，面结构光三维测量系统的校正方法包括如下步骤：
47.s101、校正系统中的畸变，获取无畸变测量点的世界坐标系。
48.校正系统中的畸变包括摄像机畸变校正和投影仪畸变校正，所述无畸变测量点的世界坐标系，是在世界坐标系下重新调整了每个测量点的对应的坐标值。
49.其中，摄像机的畸变校正包括：首先需要标定摄像机参数，然后根据摄像机畸变模型和所述摄像机参数，对摄像机采集的图像进行畸变校正，确定畸变校正后的图像。
50.标定摄像机参数可以根据张正友标定法，选取适合的标定板，采集多组不同位置下的标定板图像，根据这些标定板图像标定出摄像机参数，摄像机参数包括摄像机内参、外参和畸变系数，其中内参包括摄像机镜头的等效焦距、主点坐标和镜头畸变；外参包括摄像机坐标系转换到原坐标系的旋转矩阵和平移向量。
51.在一些实施例中，标定板的图像可以是棋盘格，也可以是圆形点阵。
52.根据摄像机畸变模型，可以对径向畸变和切向畸变校正，在畸变校正的过程中，通过已知畸变图像，得到无畸变的图像，具体可通过摄像机畸变模型和摄像机参数得到畸变图像和无畸变图像的映射关系。
53.如图3所示，将摄像机参数加入摄像机畸变模型中，确定畸变校正对应表；在畸变校正对应表中，根据畸变图像坐标(ud，vd)确定其畸变量(
△
u，
△
v)；根据畸变量得到对应的无畸变图像坐标，并通过差值法得该坐标的灰度值，确定畸变校正后的图像。
54.通过上述步骤，摄像机采集的图像消除径向畸变和切向畸变，提高面结构光三维测量系统的测量精度。
55.其中，投影仪畸变校正，包括如下步骤：
56.标定投影仪参数。
57.由于投影仪无法采集图像，所以标定投影仪参数需要借助已完成标定和畸变校正的摄像机，具体包括如下步骤：首先投影仪向标定板投影图案，并通过所述摄像机采集投影到标定板上的图案；再根据所述投影到标定板上的图案和所述标定板的图案，标定投影仪参数，所述投影仪参数包括所述投影仪的内参、外参和畸变系数。
58.再根据所述摄像机参数和所述投影仪参数，确定摄像机坐标系到投影仪坐标系的旋转矩阵r和平移矩阵t。
59.对于投影仪的畸变校正也是对径向畸变和切向畸变的校正，由于投影仪作为逆向摄像机，因此需要坐标系转换后再校正。系统通过投影仪投射，摄像机采集特定的结构光图案，确定空间平面上空间点原世界坐标。
60.再根据摄像机畸变模型、所述投影仪参数、所述旋转矩阵和所述平移矩阵，确定世界坐标系对应的投影仪像素坐标，即投影仪像平面的像素坐标，类似于摄像机像平面的像素坐标。
61.然后根据所述投影仪像素坐标和摄像机畸变模型，确定无畸变投影仪像素坐标。
62.最后根据所述旋转矩阵、所述平移矩阵和所述无畸变投影仪像素坐标，确定无畸变测量点的世界坐标系。
63.在一些实施例中，对投影仪的校正步骤循环迭代多次可以达到更好的校正效果，
但是那样会消耗更多计算的时间，可以根据具体的测量来选择是否对校正的步骤进行循环迭代。
64.通过上述过程减少了投影仪畸变对面结构光三维测量系统的影响，确定无畸变测量点的世界坐标系精度更高，提升系统的测量精度。
65.s102、将世界坐标系下第一方向的有效工作范围划分为n个区间。
66.将面结构光三维测量系统在校正系统畸变中确定无畸变测量点的世界坐标系下，第一方向(z方向)的有效工作范围划分为n个区间，如图4所示，在z方向上有效工作范围为z＝-d到z＝d之间划分为n个区间，其中，中心z＝0，对于每个区间，区间的大小为
△
d。
67.s103、获取标准校正块在每个区间的表面数据。
68.所述标准校正块是已知表面形态的。所述标准校正块可以是平面块，可以是阶梯块，也可以是球面块等已知表面形态的校正块。
69.标准校正块的表面平整度好，制造误差小于10微米，且成本低，易于实现，且成像效果好。
70.所述表面数据是所述标准校正块设置于每个区间的中心获得的。如图4所示，将标准校正块的拍摄表面调整到对应的拍摄区域内，例如，对于n＝1的区间，将标准校正块用于拍摄的表面放置在区间内，采集对应的一组表面数据；直到对于n＝n的区间，将标准校正块用于拍摄的表面放置在区间内，采集对应的一组表面数据，上述所有的表面数据为3d曲面数据。通过标准校正块作为被拍摄物来采集3d曲面数据，确保采集数据的完整性。
71.s104、在每个子区域，确定对应的第一坐标值。
72.所述子区域为在每个区间下按预设大小沿世界坐标系的第二方向(x方向)和第三方向(y方向)划分得到的，所述第一坐标值为子区域下对应的表面数据的平均值。对于每个区间获得的表面数据沿xy方向划分为大小相同的子区域，所述子区域可根据预设大小来划分，预设大小在xy方向的单位为像素pixel；将每个子区域中对应表面数据的z值做均值，得到第一坐标值。
73.s105、将每个区间下所有子区域的第一坐标值进行曲面拟合，确定基准校正面。
74.在一些实施例纵，对于曲面拟合，可以将n个区间内拍摄的3d曲面数据拟合为n个独立的曲面进行校正量计算，也可以使用所有数据拟合为n个平行曲面进行校正量计算。
75.s106、确定每个子区域的补偿量。
76.所述补偿量为对应的表面数据与所述基准校正面的偏差量的平均值。如图5所示，计算每个子区域中表面数据中每个测量点与基准校正面(拟合曲面)的距离，即偏差量；将子区域中所有的偏差量做平均，得到该子区域的补偿量。
77.s107、建立无畸变测量点的世界坐标系下不同区间下子区域与补偿量的查找表。
78.所述查找表为不同区间下子区域与补偿量的对应关系。
79.例如，面结构光三维测量系统在z方向上有效工作范围是-10到 10mm，以1mm为间隔可将其划分为20个区间，在每个区间的拍摄范围内以标准校正块为被拍摄物采集3d曲面数据，对3d曲面数据的每个表面数据以10*10pixel的大小沿xy方向划分子区域，根据每个子区域中的z值的平均值作为该子区域的第一坐标值，通过一个区间中表面所有子区域的第一坐标值拟合曲面获得该区间的基准校正面，计算每个子区域到拟合曲面的偏差量的均值作为该高度区间下该区域的补偿量，根据高度区间、区域的xy坐标区间建立查找表，将补
偿量存入查找表中，供校正时使用。在一次具体的实施中，所述查找表为三维结构，其中在z方向区间为1mm-2mm对应的表如下：
80.表一
81.索引x,y0～910～1920～2930～39
……
0～90.0320.0260.0170.022
……
10～190.0210.0170.0450.026
……
20～290.0260.0220.0320.021
……
30～390.0450.0320.0210.017
……………………………………
82.其中，x,y方向的索引的单位为像素pixel，补偿量的单位为毫米mm。
83.在建立查找表之后，对被测物的测量点进行校正时，如图6所示，所述校正方法还包括如下步骤：
84.s108、根据待测物上测量点的世界坐标在所述查找表中得到对应的补偿量。
85.s109、根据所述对应的补偿量对所述测量点的世界坐标修正。
86.根据测量点的世界坐标查找到该点的高度区间和所在区域，再在查找表中找到对应的补偿量，使用补偿量对测量点的世界坐标进行修正，得到消除残留误差的测量点的世界坐标。
87.本实施例对系统中的摄像机和投影仪分别进行标定和校正，最后再利用标准校正块对系统整体进行校正。小系统的测量误差，提升测量精度。
88.本技术提供一种面结构光三维测量系统的校正方法，包括校正系统中的畸变，确定无畸变测量点的世界坐标系；将世界坐标系下第一方向的有效工作范围划分为n个区间；获取标准校正块在每个区间的表面数据，所述标准校正块是已知表面形态的；在每个子区域，确定对应的第一坐标值，所述子区域为在每个区间下按预设大小沿世界坐标系的第二方向和第三方向划分得到的，所述第一坐标值为子区域下对应的表面数据的平均值；将每个区间下所有子区域的第一坐标值进行曲面拟合，确定基准校正面；确定每个子区域的补偿量，所述补偿量为对应的表面数据与所述基准校正面的偏差量的平均值；建立无畸变测量点的世界坐标系下查找表，所述查找表为不同区间下子区域与补偿量的对应关系。本技术在摄像机和投影仪畸变校正的基础上还对系统误差消除，提高系统的测量精度，满足高精度被测物的测量需求，同时也提高了测量的稳定性。
89.本技术还提供一种面结构光三维测量系统的校正设备，采用第一方面所述的一种面结构光三维测量系统的校正方法。在摄像机和投影仪畸变校正的基础上还对系统误差消除，提高系统的测量精度，满足高精度被测物的测量需求。
90.以上内容仅为说明本技术的技术思想，不能以此限定本技术的保护范围，凡是按照本技术提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本技术权利要求书的保护范围之内。
91.此外，除非权利要求中明确说明，本技术所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本技术流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本技术实施
例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
92.同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
93.针对本技术引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本技术作为参考。与本技术内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本技术权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本技术中的)也除外。需要说明的是，如果本技术附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本技术所述内容有不一致或冲突的地方，以本技术的描述、定义和/或术语的使用为准。