一種水下投影儀標定方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于測量【技術(shù)領(lǐng)域】，將提供一種水下投影儀結(jié)構(gòu)光標定方法。包括以下步驟：在至少三個位置拍攝位于同一平面的防水靶標和投射靶標的圖像對；在攝像機坐標系下,計算平面法向向量和投射靶標三維坐標，采用單視點模型初步標定投影儀及結(jié)構(gòu)參數(shù)，將投射靶標三維坐標轉(zhuǎn)換至投影儀坐標系作為參考值；在投影儀坐標系下，建立投射靶標的入射光線以及折射光線模型，計算投射靶標三維坐標；以計算出的投射靶標三維坐標與參考值之間的距離建立目標函數(shù)，對所有參數(shù)進行遞歸優(yōu)化。本發(fā)明考慮投影儀光線從空氣介質(zhì)傳播到水介質(zhì)時發(fā)生的折射現(xiàn)象，以及投影儀光軸與防水裝置窗口法向向量不平行的情況，能夠滿足水下投影儀標定需求。
【專利說明】一種水下投影儀標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水下投影儀標定方法，屬于測量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]投影儀與攝像機結(jié)合的結(jié)構(gòu)光模式，是視覺測量中一種重要的三維測量方法和技術(shù)。其原理是采用投影儀結(jié)構(gòu)光傳感器，投影儀根據(jù)測量需要主動投射特征，如點陣、光柵條紋、編碼格網(wǎng)等等，攝像機捕獲的圖像包含因物體表面形貌變化而產(chǎn)生形變的投射特征，根據(jù)結(jié)構(gòu)光三角測量原理恢復(fù)物體表面的三維信息。由于攝像機拍攝的一幅圖像可以包含大量特征信息，因此對于近距離的水下三維測量應(yīng)用，投影儀結(jié)構(gòu)光技術(shù)是一種恢復(fù)被測物體三維信息的有效手段。
[0003]水下投影儀結(jié)構(gòu)光測量環(huán)境有別于陸地上的空氣介質(zhì)環(huán)境。水下環(huán)境作業(yè)的投影儀需要固定在密封的防水裝置內(nèi)，通過位于投影儀鏡頭前的透明窗口向位于水中的被測物體投射特征。由于防水裝置的使用，使得被測物體與投影儀圖像平面分別位于不同介質(zhì)中，即被測物體位于水介質(zhì)中，而投影儀圖像平面位于防水裝置內(nèi)的空氣介質(zhì)中，光線從投影儀光心經(jīng)過窗口平面進入水介質(zhì)時會產(chǎn)生折射現(xiàn)象。此時，建立在光線沿直線傳播基礎(chǔ)上的單視點模型已不再適用。
[0004]投影儀的投射過程與攝像機的成像過程相反，可以看做逆向的攝像機。由于折射使光線發(fā)生了折彎，用單視點模型描述的投影儀光心位置和實際光心位置不一致。Treibitz 等在文章 “Flat Refractive Geometry.1EEE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence, 2012，34(I):51-65”分析指出，折射產(chǎn)生的畸變?nèi)Q于被測物體與攝像機之間的距離，若采用單視點模型或用徑向畸變模型表示這種畸變，則會產(chǎn)生較大誤差，因此單視點模型不能準確描述水下投影儀投射過程。但該文只考慮了光軸與窗口平面法向向量平行時的情況，當光軸與窗口平面法向向量不平行時，基于該文分析建立模型仍會有偏差。
[0005]從上述分析可知，由于防水裝置窗口對光線產(chǎn)生的折射效應(yīng)，以及投影儀光軸與窗口平面法向向量不平行的影響，傳統(tǒng)的投影儀單視點模型已不再適用。因此，研究一種適用于水下投影儀結(jié)構(gòu)光視覺測量傳感器的模型和標定方法具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種用于水下投影儀結(jié)構(gòu)光傳感器的投影儀參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化標定方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種水下投影儀標定方法，其特征在于該方法包含以下步驟:
[0008]1.1、調(diào)整位于水下的投影儀結(jié)構(gòu)光傳感器，保證攝像機在測量范圍內(nèi)能夠拍攝清晰圖像且投影儀在測量范圍內(nèi)能夠投射清晰圖像，在投影儀和已標定攝像機的公共視場范圍內(nèi)，采用一附有防水靶標的平板，同時投影儀對該平板投射另一靶標，稱為投射靶標，調(diào)整平板位置，直到兩個靶標特征點都位于公共視場范圍內(nèi)；自由移動靶標至少三個位置，每移動一個位置，拍攝含有兩個靶標的圖像對；
[0009]1.2、提取圖像中防水靶標特征點的圖像坐標，根據(jù)已標定攝像機的參數(shù)，求取平板所在平面在攝像機坐標系下的法向向量；
[0010]1.3、提取圖像中投射靶標特征點的圖像坐標，利用步驟1.2中求得的法向向量，由攝像機參數(shù)和特征點的圖像坐標，計算投射靶標投射在平板上的對應(yīng)空間點位于攝像機坐標系下的三維坐標；
[0011]1.4、根據(jù)投射靶標在圖像坐標，以及步驟1.3中求得的其對應(yīng)空間點的三維坐標，利用單視點模型初步標定投影儀參數(shù)以及投影儀與攝像機之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0012]1.5、使用步驟1.4中得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將步驟1.2中所求的法向向量表示在投影儀坐標系下；
[0013]1.6、在投影儀坐標系下，給定投影儀光心沿光軸方向到防水裝置窗口平面的距離初值，建立投影儀圖像上每個特征點發(fā)出的光線在防水裝置中的空氣介質(zhì)傳播時光線模型，稱為入射光線；
[0014]1.7、建立折射光線的單位向量，根據(jù)幾何約束求解出尺度因子，確定折射光線長度，求解投影儀坐標系下投影靶標特征點的三維坐標；
[0015]1.8、將步驟1.3中計算出的三維坐標利用步驟1.4中的結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)換至投影儀坐標系下作為參考值；
[0016]1.9、給定投影儀光軸相對于窗口平面法向向量之間偏角和轉(zhuǎn)角的初值，以步驟
1.7中所述的三維坐標與1.8所述的參考值之間的距離建立目標函數(shù)，對投影儀參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，并進行遞歸優(yōu)化，即求得的結(jié)構(gòu)參數(shù)用于步驟1.5?1.8，直到目標函數(shù)值滿足設(shè)定閾值，閾值根據(jù)測量精度要求設(shè)定，一般為1E-5至0.1mm。
[0017]2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下投影儀標定方法，其特征在于:
[0018]2.1、步驟1.1所述的防水靶標為防水材質(zhì)制成的平面靶標，固定在一平板上，防水靶標厚度與測量距離相比可忽略不計，靶標特征點為平面上的格點，格點之間距離的設(shè)計由實際測量距離和攝像機視場等確定，一般為10?IOOmm ;所述的投射靶標，其格點之間的圖像坐標距離根據(jù)投影儀圖像的分辨率確定，一般為10?100像素；
[0019]2.2、步驟1.1所述的防水靶標和投射靶標，在攝像機合理使濾光器件如濾光片的前提下，兩靶標在平板上所占區(qū)域可重疊；當平板在同一位置時，攝像機不使用濾光器件且投影儀不投射靶標時，攝像機拍攝只得到防水靶標圖像，當攝像機使用濾光器件且投影儀投射靶標時，該靶標與防水靶標有重疊區(qū)域，攝像機拍攝只得到投射靶標圖像；
[0020]2.3、步驟1.1所述的拍攝含有兩個靶標的圖像對，其特征在于，當使用濾光器件時，每一個位置拍攝兩幅圖像，為分別含有防水靶標和投射靶標的圖像對。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0022]第一，考慮投影儀在水下作業(yè)時光線從防水裝置中的空氣介質(zhì)傳播至防水裝置外的水介質(zhì)時產(chǎn)生的折射現(xiàn)象，建立了投影儀光線折射模型；
[0023]第二，考慮投影儀光軸與防水裝置窗口平面法向向量不平行時的情況，以光軸相對于法向向量的偏角和轉(zhuǎn)角描述該現(xiàn)象，并通過優(yōu)化方法得出兩個角度的值；
[0024]第三，合理使用濾光器件，采用了可重疊的防水靶標和投射靶標，讓兩個靶標能夠同時盡量占滿視場，提高了標定精度?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明建立的水下投影儀光線折射模型示意圖。
[0026]圖2是水下投影儀光軸與窗口平面法向向量不平行的示意圖。
[0027]圖3是水下投影儀標定方法流程圖。
[0028]圖4是標定水下投影儀使用的靶標位置示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明建立水下投影儀的光線折射模型，對光軸與防水裝置窗口平面法向向量存在旋轉(zhuǎn)角度時的投影儀參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化標定，實現(xiàn)了高精度的水下投影儀標定。
[0030]圖1所示為水下投影儀光線折射模型示意圖。以投影儀光心為原點建立投影儀坐標系Op-XpYpZp,原圖像坐標系為Ou-UV, (Utl, V0)為主點的坐標。以投影儀圖像上的主點位置為原點建立圖像坐標系 o-xy,有 X = u-u0, y = V-Vqo 定義 ox | OpXp, oy |θρΥρ。χ = [χ, y]τ表示投影儀圖像平面上的一點的理想圖像坐標，Xd= [xd，yd]T為實際受到鏡頭畸變影響的圖像坐標。從投影儀圖像平面上的點Xd = [xd，yd]T投射出的光線，經(jīng)過防水裝置窗口平面時發(fā)生折射，記入射光線為Rin，折射光線為R。#用η =示投影儀坐標系下窗口平面的單位法向向量，其中W1和W2分別表示投影儀光軸相對于窗口平面法向向量之間的
偏角和轉(zhuǎn)角，如圖2所示,且滿足
【權(quán)利要求】
1.一種水下投影儀標定方法，其特征在于該方法包含以下步驟: 1.1、調(diào)整位于水下的投影儀結(jié)構(gòu)光傳感器，保證攝像機在測量范圍內(nèi)能夠拍攝清晰圖像且投影儀在測量范圍內(nèi)能夠投射清晰圖像，在投影儀和已標定攝像機的公共視場范圍內(nèi)，采用一附有防水靶標的平板，同時投影儀對該平板投射另一靶標，稱為投射靶標，調(diào)整平板位置，直到兩個靶標特征點都位于公共視場范圍內(nèi)；自由移動靶標至少三個位置，每移動一個位置，拍攝含有兩個靶標的圖像對； 1.2、提取圖像中防水靶標特征點的圖像坐標，根據(jù)已標定攝像機的參數(shù)，求取平板所在平面在攝像機坐標系下的法向向量； 1.3、提取圖像中投射靶標特征點的圖像坐標，利用步驟1.2中求得的法向向量，由攝像機參數(shù)和特征點的圖像坐標，計算投射靶標投射在平板上的對應(yīng)空間點位于攝像機坐標系下的三維坐標； 1.4、根據(jù)投射靶標在圖像坐標，以及步驟1.3中求得的其對應(yīng)空間點的三維坐標，利用單視點模型初步標定投影儀參數(shù)以及投影儀與攝像機之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)； 1.5、使用步驟1.4中得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將步驟1.2中所求的法向向量表示在投影儀坐標系下； 1.6、在投影儀坐標系下，給定投影儀光心沿光軸方向到防水裝置窗口平面的距離初值，建立投影儀圖像上每個特征點發(fā)出的光線在防水裝置中的空氣介質(zhì)傳播時光線模型，稱為入射光線； 1.7、建立折射光線的單位向量，根據(jù)幾何約束求解出尺度因子，確定折射光線長度，求解投影儀坐標系下投影靶標特征點的三維坐標； 1.8、將步驟1.3中計算出的三維坐標利用步驟1.4中的結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)換至投影儀坐標系下作為參考值； 1.9、給定投影儀光軸相對于窗口平面法向向量之間偏角和轉(zhuǎn)角的初值，以步驟1.7中所述的三維坐標與1.8所述的參考值之間的距離建立目標函數(shù)，對投影儀參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，并進行遞歸優(yōu)化，即求得的結(jié)構(gòu)參數(shù)用于步驟1.5?1.8，直到目標函數(shù)值滿足設(shè)定閾值，閾值根據(jù)測量精度要求設(shè)定，一般為1E-5至0.1mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下投影儀標定方法，其特征在于: 2.1、步驟1.1所述的防水靶標為防水材質(zhì)制成的平面靶標，固定在一平板上，防水靶標厚度與測量距離相比可忽略不計，靶標特征點為平面上的格點，格點之間距離的設(shè)計由實際測量距離和攝像機視場等確定，一般為10?IOOmm ;所述的投射靶標，其格點之間的圖像坐標距離根據(jù)投影儀圖像的分辨率確定，一般為10?100像素； 2.2、步驟1.1所述的防水靶標和投射靶標，在攝像機合理使濾光器件如濾光片的前提下，兩靶標在平板上所占區(qū)域可重疊；當平板在同一位置時，攝像機不使用濾光器件且投影儀不投射靶標時，攝像機拍攝只得到防水靶標圖像，當攝像機使用濾光器件且投影儀投射靶標時，該靶標與防水靶標有重疊區(qū)域，攝像機拍攝只得到投射靶標圖像； 2.3、步驟1.1所述的拍攝含有兩個靶標的圖像對，其特征在于，當使用濾光器件時，每一個位置拍攝兩幅圖像，為分別含有防水靶標和投射靶標的圖像對。
【文檔編號】G06T7/00GK103985121SQ201410200408
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】周富強, 王曄昕 申請人:北京航空航天大學(xué)