一种三维成像系统深度数据修正装置及方法

本发明涉及三维成像系统，特别涉及一种三维成像系统深度数据修正装置及方法。

背景技术：

1、随着三维成像技术的广泛应用，从工业制造到文化遗产数字化再现，对深度数据的精度和可靠性要求不断提高。深度数据，作为三维成像系统的核心输出，其准确性直接影响到后续应用效果。然而，由于成像系统的硬件限制、外部环境干扰、物体表面特性等因素，获取的深度数据往往存在误差，包括空洞、噪声和测量偏差等。

2、传统的深度数据修正方法主要依赖于软件层面的后处理，如滤波、插值等技术，这些方法虽然在一定程度上改善了数据质量，但在处理复杂场景或要求高精度测量的应用中效果有限。尤其是对于空洞填补和测量偏差的修正，缺乏一种系统性和高效率的物理校准手段，使得深度数据的修正不够精确，难以满足高精度应用场景的需求。

3、此外，现有的修正技术往往未能充分考虑成像系统的物理特性和操作环境的变化，导致修正后的数据在不同成像条件下仍然存在波动和不一致性。因此，需要一种能够结合成像系统物理校准和深度数据修正的综合解决方案，以提高深度数据的准确性和可靠性。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种三维成像系统深度数据修正装置及方法，通过三维成像系统的工作距离和视场角计算平面板和棋盘格板的外形尺寸大小，并根据三维成像系统的测量精度确定棋盘格上黑白格的大小和数量；针对深度数据中的空洞值，采用平面板对深度数据进行插值填补，其次对成像系统中全像素的响应曲线进行校正，从而完成对深度数据的修正。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种三维成像系统深度数据修正装置，该装置包括平面板、棋盘格板、导轨、三自由度运动机构以及三维成像系统；

4、其中，三维成像系统固定在三自由度运动机构上，三自由度运动机构固定在导轨上，平面板和棋盘格板垂直放置在导轨正前方；

5、所述平面板表面白色平整无高度差；

6、所述棋盘格板上有黑白格，黑白格平面具有高度差，三自由度运动机构能够实现升降、俯仰、旋转等动作；

7、所述平面板和棋盘格板的外形尺寸通过三维成像系统的工作距离和视场角进行确定，确保平面板和棋盘格板能够覆盖整个成像视场；

8、根据三维成像系统的平面测量精度确定棋盘格板上黑白格的大小和数量，根据三维成像系统的纵向测量精度确定棋盘格上黑白格阶梯高度差。

9、一种三维成像系统深度数据修正方法，包含以下具体步骤：

10、(1)确定三维成像系统和平面板之间的物理空间距离，调节三自由度运动机构，确保三维成像系统与平面板之间保持平行，且平面板中心与三维成像系统的成像中心重合，使用三维成像系统对平面板进行成像获取深度数据；

11、(2)以平面板的平整度数值为基准，采用多项式拟合的方式对深度数据中空洞进行插值补全，确保三维成像系统中全像素下均有深度数据；

12、(3)更换平面板为棋盘格板，使用三维成像系统对棋盘格板进行成像，在成像时将棋盘格上黑白格的角点确定为特征点，确保三维成像系统的每个像素至少对应一个黑格或白格区域；选取相邻黑白格间的距离差作为参照值，对三维成像系统中对应的相邻像素进行纵向测量值的修正；选取相邻黑格或白格区域的尺寸作为参考值，对三维成像系统中对应的相邻像素进行平面测量值的修正；

13、(4)由近至远调节三维成像系统与棋盘格板之间距离，同时在测量距离时依次向左/向右旋转三维成像系统，获取三维成像系统全像素在不同角度下、不同距离处的响应曲线；

14、(5)获取到三维成像系统全像素在不同距离处的离散响应曲线后，采用双侧逼近法获取全像素的连续响应曲线，从而完成对三维成像系统深度数据的修正。

15、所述步骤(3)中，平面板和棋盘格板尺寸的选取包含以下特征：

16、平面板和棋盘格板的外形尺寸一致，且需满足：

17、a≥2dtanα

18、b≥2dtanβ

19、棋盘格板中格子的尺寸需满足：

20、

21、

22、式中，三维成像系统与平面板/棋盘格板之间距离为d，成像水平角为α，成像垂直角为β，三维成像系统像元数为x*y，平面板和棋盘格板的外形尺寸为a*b，棋盘格板中黑格和白格尺寸为a*b，横向测量精度σ；

23、棋盘格板中相邻黑白格间距离差应优于三维成像系统纵向测量精度；

24、若三维成像系统在测量过程中单个像素所对应n*n个黑白格，则选取整个黑白格平面的均值作为该像素值获取的深度值真值。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

26、1.高度准确的物理校正：本方法通过平面板和棋盘格板实现物理校正，结合三自由度运动机构精确调整，直接解决深度数据误差，保证修正数据的真实性和准确性，优于传统软件后处理。

27、2.增强的系统适应性：通过调节成像系统与标定板的距离和角度，适应不同成像条件，针对性修正深度误差，适用于多种三维成像系统和应用场景，提高深度数据的精确度。

28、3.全面优化的深度数据质量：全面修正深度数据中的空洞和测量偏差，获取连续响应曲线，优化数据质量，提升数据的连贯性和准确性，显著增强深度数据的可靠性。

29、4.本发明公开了一种三维成像系统深度数据修正装置及方法，该装置由平面板、棋盘格板、导轨、三自由度运动机构以及三维成像系统等组成，其中平面板表面为白色无高度差，棋盘格上的黑白格平面具有高度差，三自由度运动机构可实现升降、俯仰、旋转等动作；首先通过三维成像系统的工作距离和视场角计算平面板和棋盘格板的外形尺寸大小，确保平面板和棋盘格板覆盖整个成像视场，并根据三维成像系统的测量精度确定棋盘格上黑白格的大小和数量；针对深度数据中的空洞值，采用平面板对深度数据进行插值填补，其次对成像系统中全像素的响应曲线进行校正，从而完成对深度数据的修正。

技术特征：

1.一种三维成像系统深度数据修正装置，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种三维成像系统深度数据修正装置，其特征在于：

3.根据权利要求1或2所述的一种三维成像系统深度数据修正装置，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种三维成像系统深度数据修正装置，其特征在于：

5.一种三维成像系统深度数据修正方法，其特征在于包含以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种三维成像系统深度数据修正方法，其特征在于：

7.根据权利要求5所述的一种三维成像系统深度数据修正方法，其特征在于：

8.根据权利要求5所述的一种三维成像系统深度数据修正方法，其特征在于：

9.根据权利要求5所述的一种三维成像系统深度数据修正方法，其特征在于：

技术总结本发明公开了一种三维成像系统深度数据修正装置及方法，该装置由平面板、棋盘格板、导轨、三自由度运动机构以及三维成像系统等组成，其中平面板表面为白色无高度差，棋盘格上的黑白格平面具有高度差，三自由度运动机构可实现升降、俯仰、旋转等动作；首先通过三维成像系统的工作距离和视场角计算平面板和棋盘格板的外形尺寸大小，确保平面板和棋盘格板覆盖整个成像视场，并根据三维成像系统的测量精度确定棋盘格上黑白格的大小和数量；针对深度数据中的空洞值，采用平面板对深度数据进行插值填补，其次对成像系统中全像素的响应曲线进行校正，从而完成对深度数据的修正。技术研发人员：王炫权,张韶辉,郝群受保护的技术使用者：北京理工大学长三角研究院（嘉兴）技术研发日：技术公布日：2024/7/29