一種投影儀標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)器視覺(jué)標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于點(diǎn)陣列標(biāo)定板和圖像處理技術(shù) 的投影儀標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)具有非接觸、高精度、高速度等優(yōu)點(diǎn)，而且其測(cè)量結(jié)果方便與 多種軟件接口，這使得它被廣泛運(yùn)用于科學(xué)分析、生物工程、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。而結(jié)構(gòu)光測(cè) 量中，存在一種單相機(jī)、單投影儀組成的三維測(cè)量系統(tǒng)，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量效率高，但 其測(cè)量系統(tǒng)必然涉及到相機(jī)和投影儀的標(biāo)定。相機(jī)標(biāo)定已經(jīng)有比較成熟的標(biāo)定方法，然而 投影儀不是成像設(shè)備，可視其為逆向相機(jī)，故標(biāo)定難度高，精度難以保證。如何得知投影儀 標(biāo)定的一系列特征點(diǎn)的三維世界坐標(biāo)和圖像像素坐標(biāo)是一個(gè)需要解決的大問(wèn)題。
[0003] 常用的投影儀標(biāo)定方法主要以下幾種：精確獲取靶標(biāo)上特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)，運(yùn)用 相位技術(shù)求出其圖像坐標(biāo)；使用柔性靶標(biāo)，然后將特定圖案投影到靶標(biāo)上，利用交比不變性 算出投影圖案特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)；使用特定投影圖案，其特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)已知，再利用相 機(jī)標(biāo)定結(jié)果求出特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)；
[0004] 現(xiàn)有的投影儀標(biāo)定問(wèn)題主要有：（1)專(zhuān)用標(biāo)定設(shè)備制備麻煩，成本較高；（2)采用 的標(biāo)定算法復(fù)雜，有的方法精度依賴(lài)絕對(duì)相位展開(kāi)精度，有的需要灰度插值和直線擬合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種投影儀標(biāo)定方法，其特征在于， 該方法利用相機(jī)、投影儀、點(diǎn)陣列標(biāo)定板和網(wǎng)格投影圖案，其中：點(diǎn)陣列標(biāo)定板的圖案采用 的是二值圖，為白背景上逐行逐列均勻分布黑特征點(diǎn)；網(wǎng)格投影圖案，為黑背景上白色網(wǎng)格 線，白色網(wǎng)格線的分布和寬窄可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，由此各白線交點(diǎn)處中心的像素坐標(biāo) 已知，且該交點(diǎn)中心為投影儀標(biāo)定的特征點(diǎn)，該方法包括如下步驟：
[0006] (1)搭建測(cè)量系統(tǒng)，安裝好所述投影儀與所述相機(jī)的位置；
[0007] (2)將所述標(biāo)定板擺放在所述相機(jī)和所述投影儀共同視角范圍內(nèi)的某個(gè)位置，先 用相機(jī)對(duì)所述標(biāo)定板進(jìn)行拍攝并保存圖像，保持所述標(biāo)定板的位置不變，由所述投影儀向 所述標(biāo)定板投射網(wǎng)格投影圖案，用相機(jī)拍攝帶有網(wǎng)格圖案的所述標(biāo)定板圖像并保存圖像； 調(diào)整所述標(biāo)定板在相機(jī)和投影儀的共同視角范圍內(nèi)的多個(gè)位置，并重復(fù)上述過(guò)程拍攝保存 多組圖像；
[0008] (3)利用拍攝的標(biāo)定板的照片和帶有網(wǎng)格圖案的標(biāo)定板照片對(duì)相機(jī)和投影儀的標(biāo) 定參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，所述計(jì)算過(guò)程如下：
[0009] (3-1)以所述標(biāo)定板上的黑特征點(diǎn)，利用所述標(biāo)定板圖像采用二維靶面標(biāo)定法對(duì) 相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，并求取畸變參數(shù)；
[0010] (3-2)對(duì)拍攝的幾組帶有投影網(wǎng)格圖案的照片進(jìn)行處理，獲得網(wǎng)格亮線交點(diǎn)在照 片上的像素坐標(biāo)；
[0011] (3-3)將所述步驟（3-2)獲得的像素坐標(biāo)映射到所述相機(jī)光心與成像面之間間距 Imm的歸一化平面上獲得歸一化平面上的特征點(diǎn)坐標(biāo)，并利用所述步驟（3-1)的相機(jī)標(biāo)定 過(guò)程中獲得的畸變參數(shù)，修正歸一化平面上的特征點(diǎn)坐標(biāo)，連接相機(jī)光心與修正后的歸一 化平面上的所述特征點(diǎn)坐標(biāo)，即為亮線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)在標(biāo)定板上的世界坐標(biāo)；
[0012] (4)利用所述步驟（3-2)獲得的亮線交點(diǎn)的像素坐標(biāo)和所述步驟（3-3)中獲得的 亮線交點(diǎn)的世界坐標(biāo)，采用二維靶面標(biāo)定方法對(duì)投影儀進(jìn)行標(biāo)定。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟（3-2)的過(guò)程還包括如下步驟：
[0014] (3-2-1)采用閾值法對(duì)拍攝的帶有網(wǎng)格圖案的標(biāo)定板照片進(jìn)行二值化，獲得二值 圖，保證投影的網(wǎng)格亮線為白，背景為黑；
[0015] (3-2-2)采用圖像閉處理的方法，彌補(bǔ)所述二值圖中，網(wǎng)格亮線在經(jīng)過(guò)標(biāo)定板上的 黑色特征點(diǎn)處發(fā)生的斷裂；
[0016] (3-2-3)采用圖像骨架化處理的方法，將所述二值圖中的因投影而變寬的網(wǎng)格亮 線轉(zhuǎn)化為單像素寬度的網(wǎng)格亮線；
[0017] (3-2-4)采用區(qū)域標(biāo)記的方法，尋找圖像中最大的8連通區(qū)域，從而得到祛除背景 干擾，得到僅剩網(wǎng)格亮線的圖像；
[0018] (3-2-5)采用求骨架化圖像中分支點(diǎn)的方法，得到骨架化的網(wǎng)格亮線中各條線的 交點(diǎn)的像素坐標(biāo)，將其作為投影儀標(biāo)定的特征點(diǎn)；即獲得了投影儀標(biāo)定特征點(diǎn)在拍攝照片 上的像素坐標(biāo)。
[0019] 總體而言，按照本發(fā)明的投影儀標(biāo)定方法，標(biāo)定板制作方便，標(biāo)定過(guò)程容易，后期 計(jì)算方法簡(jiǎn)單，并且實(shí)現(xiàn)過(guò)程快速，操作方便，且精度高。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為按照本發(fā)明中投影儀標(biāo)定方法中所使用的系統(tǒng)的設(shè)置圖；
[0021] 圖2為按照本發(fā)明的投影儀標(biāo)定方法中所使用的投影網(wǎng)格圖案；
[0022] 圖3為按照本發(fā)明的投影儀標(biāo)定方法中二值化后的帶有投影圖案的標(biāo)定板照片；
[0023] 圖4為按照本發(fā)明的投影儀標(biāo)定方法中閉處理后的帶有投影圖案的二值化圖；
[0024] 圖5為按照本發(fā)明的投影儀標(biāo)定方法中骨架化后的帶有投影圖案的閉處理圖；
[0025] 圖6為按照本發(fā)明的投影儀標(biāo)定方法中提取骨架化后的帶有投影圖案的閉處理 圖中最大的8連通域，得到的僅含網(wǎng)格線的圖；
[0026] 圖7為按照本發(fā)明的投影儀標(biāo)定方法中使用MATLAB提取的骨架分支點(diǎn)獲得特征 點(diǎn)在照片上的像素坐標(biāo)；
[0027] 圖8為按照本發(fā)明的投影儀標(biāo)定方法中使用像素坐標(biāo)映射求得世界坐標(biāo)的示意 圖。
[0028] 其中1-投影儀標(biāo)定板2-鋁合金框架3-相機(jī)4-投影儀5-相機(jī)和投影儀共同的 視角范圍
【具體實(shí)施方式】
[0029] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0030] 本實(shí)施例中，相機(jī)采用的是微視圖像的千兆網(wǎng)面陣CMOS相機(jī)系列的MVC1300SAM/ C-GE60-N00相機(jī)，分辨率為1280*1024,像素尺寸為5. 3 μ m*5. 3 μ m，鏡頭選用的日本CBC公 司的Computar鏡頭，型號(hào)為M1614-MP2,焦距為16mm ;投影儀采用的是Texas Instruments 的 DLP QO LightCrafter? Evaluation Module，分辨率為 608*684;
[0031] 本實(shí)施例中的標(biāo)定方法主要包括下述的兩大部分，一部分是標(biāo)定的設(shè)備的準(zhǔn)備拍 攝的工作，另外一部分是進(jìn)行標(biāo)定的算法來(lái)對(duì)標(biāo)定設(shè)備進(jìn)行分析。
[0032] 標(biāo)定操作：
[0033] 第一步，在光學(xué)平臺(tái)上搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架，并將投影儀和相機(jī)固定在框架上；本實(shí) 施例中使用的標(biāo)定板所采用的圖案采用的是二值圖，為白背景上逐行逐列均勻分布黑特征 點(diǎn)；網(wǎng)格投影圖案為黑背景上的白色網(wǎng)格線，白色網(wǎng)格線的分布和寬窄可以根據(jù)實(shí)際需要 進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于此交點(diǎn)中心處的像素坐標(biāo)已知，且該交點(diǎn)中心為投影儀標(biāo)定的特征點(diǎn)
[0034] 如圖1所示，為按照本投影儀標(biāo)定方法的系統(tǒng)三維模擬圖，如圖所示本實(shí)施例在 光學(xué)平臺(tái)上搭建了鋁合金框架2,并將相機(jī)3和投影儀4固定在鋁合金框架2上。
[0035] 然后，將標(biāo)定板1擺放在相機(jī)和投影儀共同的視角范圍5內(nèi)，先由相機(jī)3拍攝標(biāo)定 板1照片；
[0036] 再來(lái)，由投影儀4向標(biāo)定板1投射網(wǎng)格圖案，并再次用相機(jī)3拍攝帶有網(wǎng)格圖案的 標(biāo)定板照片；
[0037] 本實(shí)施例所涉及的點(diǎn)陣列標(biāo)定板，其圖案分辨率為1024*768,打印紙張為A4紙， 其中共有16*12個(gè)黑色特征點(diǎn)，每個(gè)特征點(diǎn)為3*3像素大小，實(shí)際測(cè)量的紙張上每個(gè)特征點(diǎn) 中心與行、列上相鄰特征點(diǎn)中心的距離為16. 10mm。
[0038] 本實(shí)施例所涉及的投影網(wǎng)格圖案如圖2所示，圖案分辨率為608*684,其中共有 8*9條白色亮線，每條亮線的寬度均為1像素，由于投影圖案是人工設(shè)計(jì)的，所以每條亮線 交點(diǎn)處的像素坐標(biāo)均已知，因此選擇一系列