一种三维测量系统的标定方法及介质与流程

本技术涉及三维测量领域，特别涉及一种三维测量系统的标定方法及介质。

背景技术：

1、主动式结构光投影法因精度高、点云密度大、对弱纹理表面适应性强，成为工业精密测量的主流方案。其中面结构光三维测量技术（条纹投影轮廓术，fringe projectionprofilometry，fpp）是主动式结构光中应用最广泛的方案，其核心是向被测物体全场投射编码条纹图案并根据条纹形变解算深度。按照条纹图案的类型和编解码策略，fpp技术可划分为相移法和线移法。其中线移法由于采用二值高对比度图案进行扫描测量，对高动态范围表面具有更强的鲁棒性。

2、尽管线移法在测量时表现出较高的精度，但线扫测量系统的标定是一个尚未得到有效解决的难题。zheng等人（zheng f，kong b. calibration of linear structuredlight system by planar checkerboard）通过平面标定板标定出线移条纹所在的投影光平面，重建时通过计算相机射线与光平面的交点恢复3d坐标。该方法首先使用平面标定板来完成相机的标定，然后通过投影光平面上的两条相交线扫条纹在相机坐标系的三维线段坐标计算出线扫条纹所在的光平面。该方法虽然只需一个平面标定板即可完成光平面的标定，但是需要在2d图案的空间域上进行条纹中心像素坐标的提取，这会引入部分提取误差。特别是在使用棋盘格标定板时，黑白格子边缘处的线扫条纹会因为背景板颜色干扰产生弯曲。此外该方法获取的光平面是离散的，导致重建点云分辨率受限于投影线扫设备的扫描分辨率。

3、除了标定出光平面计算三维坐标，还有一种思路是直接拟合三维坐标与相机像素坐标以及线扫编号之间的函数关系，yang等人（yang s c，yang t，wu g x，et al.flexible and fast calibration method for uni-directional multi-linestructured light system）通过投射格雷码编码为每根线扫条纹赋予全局唯一编号，并通过额外辅助测量系统获取每个编号的条纹在不同高度差平面上的三维坐标的观测值，然后通过迭代拟合建立线扫编号以及相机像素坐标与三维坐标之间的多项式函数，并将每条线扫的多项式函数保存为查找表，重建时先解码出当前线扫条纹的编号，然后根据查找表确定相机像素坐标到相机坐标系三维坐标的多项式函数，最后直接将该编号线扫条纹上的所有条纹中心像素坐标带入多项式函数即可获取该条线扫条纹的重建三维坐标。该方案虽无需显示的标定光平面，但其标定时需要额外的辅助测量系统获取三维坐标作为拟合过程的观测值。而且基于该标定方案的重建也只能获取线扫设备扫描分辨率的点云。以高精度光学测量领域常用的dlp投影仪来说，其分辨率最高一般在1920*1080，即使投影画幅被全部利用其重建的点云分辨率在扫描方向上最多也只有1920列三维坐标点。这个分辨率在很多高精度测量场景下是远远不够的。

4、为了获取相机分辨率的重建点云（即重建出每个相机像素的三维点，而不仅仅是被线扫条纹命中的相机像素），zeng等人（zeng q，huang z，yu x，et al. temporal line-shifting structured light for robust high-precision 3d reconstruction）通过将每个相机像素的线扫条纹图案转换为一维时域信号进行线扫时间极值的求解，获取到了每个相机像素的亚扫描分辨率的线扫条纹编号，然后通过拟合线扫时间极值与深度之间的多项式函数关系进行后续每个相机像素点的三维坐标重建。该方案可以重建出每个相机像素的三维点，但线扫时间极值与深度之间的关系并非线性相关，因此需要大量的线扫时间极值与深度信息观测值才可以拟合出精度足够的多项式函数，对数据采样量有较高要求。此外每个相机像素点的多项式函数都不一样，在相机分辨率较高时标定结果参数量较大。

5、综上，对于线移重建方法的标定方法，目前还没有一种操作方便，计算轻量，且可以获取相机全局分辨率点云的高效标定方法，严重制约了线移fpp重建方法在工业高精度测量中的推广应用。

技术实现思路

1、本技术旨在解决现有线移面阵结构光投影三维测量系统依赖条纹中心提取、离散光平面标定或经验拟合，导致任意行或任意列投影光平面参数难以连续、解析且轻量化确定的问题。

2、本技术的一个方面提供一种三维测量系统的标定方法，三维测量系统包括面结构光投影仪和相机，包括：

3、获取面结构光投影仪的投影仪内参，以及面结构光投影仪与相机之间的外参关系；

4、根据投影仪内参和外参关系，建立投影仪扫描坐标与投影光平面方程参数之间的映射关系；

5、根据映射关系生成用于线移面阵结构光三维重建的标定结果，标定结果用于根据目标扫描坐标确定对应的投影光平面方程参数；

6、其中，投影仪扫描坐标为面结构光投影仪的图像坐标系中的行坐标或列坐标，投影光平面方程参数为投影仪扫描坐标对应的投影光平面在相机坐标系下的平面方程参数，投影光平面为面结构光投影仪的光心与投影仪扫描坐标对应的像素行或像素列确定的空间平面；

7、进一步的，获取面结构光投影仪的投影仪内参，以及面结构光投影仪与相机之间的外参关系，包括：

8、获取平面标定板处于多个姿态下的标定图像，标定图像包括角点成像图像和投影编码成像图像；其中，投影编码成像图像包括由面结构光投影仪投射的行坐标编码成像图像和列坐标编码成像图像；

9、根据角点成像图像获取平面标定板的角点阵列在相机图像坐标系中的相机角点坐标；

10、根据投影编码成像图像获取角点阵列在投影仪图像坐标系中的投影仪角点坐标；

11、根据多个姿态下的相机角点坐标和投影仪角点坐标，获取投影仪内参和外参关系；

12、进一步的，根据投影编码成像图像获取角点阵列在投影仪图像坐标系中的投影仪角点坐标，包括：

13、根据行坐标编码成像图像确定行坐标绝对相位场，并根据列坐标编码成像图像确定列坐标绝对相位场；

14、根据相机角点坐标，对行坐标绝对相位场和列坐标绝对相位场进行插值处理，得到相机角点坐标对应的投影仪行坐标和投影仪列坐标；

15、根据投影仪行坐标和投影仪列坐标，确定角点阵列在投影仪图像坐标系中的投影仪角点坐标；

16、其中，投影仪角点坐标用于将面结构光投影仪作为逆相机进行标定；

17、进一步的，建立投影仪扫描坐标与投影光平面方程参数之间的映射关系，包括：

18、确定投影仪扫描坐标对应的像素行或像素列；

19、根据投影仪内参，确定像素行或像素列对应的投影光平面；

20、确定投影光平面在投影仪坐标系下的平面方程参数；

21、根据外参关系，将投影仪坐标系下的平面方程参数转换为相机坐标系下的平面方程参数；

22、根据投影仪扫描坐标和相机坐标系下的平面方程参数，建立投影仪扫描坐标与投影光平面方程参数之间的映射关系；

23、进一步的，建立投影仪扫描坐标与投影光平面方程参数之间的映射关系，包括：

24、根据线移面阵结构光三维重建时的投影扫描方向，确定投影仪扫描坐标；

25、根据投影仪扫描坐标，确定对应的行坐标映射关系或列坐标映射关系；

26、将行坐标映射关系或列坐标映射关系，作为投影仪扫描坐标与投影光平面方程参数之间的映射关系；

27、其中，映射关系用于在线移面阵结构光三维重建时，根据目标表面点对应的投影仪扫描坐标，直接计算目标表面点所在的投影光平面在相机坐标系下的平面方程参数；

28、进一步的，行坐标映射关系和列坐标映射关系为线性映射关系；

29、进一步的，确定对应的行坐标映射关系或列坐标映射关系，包括：

30、根据投影仪扫描坐标和投影仪内参，计算投影仪扫描坐标对应的投影光平面在投影仪坐标系下的平面方程参数；

31、根据外参关系，将投影仪坐标系下的平面方程参数转换为相机坐标系下的平面方程参数；

32、根据投影仪扫描坐标和相机坐标系下的平面方程参数，建立对应的行坐标映射关系或列坐标映射关系；

33、进一步的，平面方程参数包括法向量和距离；

34、其中，法向量用于表征投影光平面在相机坐标系下的法线方向；

35、距离用于表征投影光平面相对于相机坐标系原点的位置；

36、进一步的，标定结果包括相机内参，相机内参用于在线移面阵结构光三维重建时确定相机图像坐标对应的相机射线；

37、本技术的另一个方面还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时实现一种三维测量系统的标定方法。

38、相比于现有技术，本技术的优点在于：

39、本技术针对现有线移面阵结构光投影三维测量系统的标定方法依赖二维线扫条纹中心提取、离散光平面标定或扫描时间极值与深度之间的经验拟合，导致投影光平面参数难以沿投影扫描方向连续统一表示、标定及重建过程易受中心线提取误差影响、拟合观测数据量较大且重建点云分辨率受限的问题，提供一种三维测量系统的标定方法，能够基于面结构光投影仪的投影仪内参以及面结构光投影仪与相机之间的外参关系，建立投影仪扫描坐标与投影光平面方程参数之间的映射关系，使得线移面阵结构光三维重建过程中可根据目标扫描坐标直接确定对应的投影光平面方程参数，从而实现任意行或任意列投影光平面在相机坐标系下的连续、解析、轻量化标定。