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

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(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定方法，其特征在于， 該方法利用相機、投影儀、棋盤格標定板和網(wǎng)格投影圖案，其中：棋盤格標定板的圖案為交 錯的黑白格，黑白格間的交點為特征點；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)需要進行設計，由此各白線交點處中心的像素坐標已知，且該交 點中心為投影儀標定的特征點，該方法包括如下步驟：
[0006] (1)搭建測量系統(tǒng)，安裝好所述投影儀與所述相機的位置；
[0007] (2)將所述標定板擺放在所述相機和所述投影儀共同視角范圍內(nèi)的某個位置，先 用相機對所述標定板進行拍攝并保存圖像，保持所述標定板的位置不變，由所述投影儀向 所述標定板投射網(wǎng)格投影圖案，用相機拍攝帶有網(wǎng)格圖案的所述標定板圖像并保存圖像； 調(diào)整所述標定板在相機和投影儀的共同視角范圍內(nèi)的至少三個以上的位置，并重復上述過 程拍攝保存多組圖像；
[0008] (3)利用拍攝的標定板的照片和帶有網(wǎng)格圖案的標定板照片對相機和投影儀的標 定參數(shù)進行計算，所述計算過程如下：
[0009] (3-1)以所述標定板的特征點，利用所述標定板圖像采用二維靶面標定法對相機 進行標定，并求取畸變參數(shù)；
[0010] (3-2)對拍攝的幾組帶有投影網(wǎng)格圖案的照片進行處理，獲得網(wǎng)格亮線交點在照 片上的像素坐標；
[0011] (3-3)將所述步驟（3-2)獲得的像素坐標映射到所述相機光心與成像面之間間距 為單位1的歸一化平面上獲得歸一化平面上的特征點坐標，并利用所述步驟（3-1)的相機 標定過程中獲得的畸變參數(shù)，修正歸一化平面上的特征點坐標，連接相機光心與修正后的 歸一化平面上的所述特征點，則其延長線與所述標定板的交點即為所述網(wǎng)格亮線交點對應 在標定板上的世界坐標；
[0012] (4)利用所述步驟（3-2)獲得的所述網(wǎng)格亮線交點的像素坐標和所述步驟（3-3) 中獲得的所述網(wǎng)格亮線交點的世界坐標，采用二維靶面標定方法對投影儀進行標定。
[0013] 進一步地，所述步驟（3-2)的過程還包括如下步驟：
[0014] (3-2-1)采用閾值法對拍攝的帶有網(wǎng)格圖案的標定板照片進行二值化，獲得二值 圖，該二值圖的白色部分是位于所述棋盤格標定板上的白色格子背景下的投影亮線線段， 其余部分為黑；
[0015] (3-2-2)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；
[0016] (3-2-3)采用區(qū)域標記的方法，得到圖中的每個8連通區(qū)域，將所述經(jīng)過步驟 (3-2-2)處理后的圖像中的各分散的線段分別提取出來；
[0017] (3-2-4)對經(jīng)過所述步驟（3-2-3)中的區(qū)域標記后的圖，采用霍夫變換，對所述各 8連通區(qū)域的線段進行直線擬合，求取擬合直線段的首尾點；
[0018] (3-2-5)對經(jīng)過所述步驟（3-2-5)處理的圖像按照斜率和位置臨近的原則進行連 接，拼接成一個網(wǎng)格圖案；
[0019] (3-2-6)對所述步驟（3-2-5)處理后的網(wǎng)格圖案提取角點坐標，獲取所述網(wǎng)格交 點的像素坐標，。
[0020] 總體而言，按照本發(fā)明的投影儀標定方法，標定板制作方便，標定過程容易，后期 計算方法簡單，并且實現(xiàn)過程快速，操作方便，且精度高。
【附圖說明】
[0021] 圖1為按照本發(fā)明中投影儀標定方法中所使用的系統(tǒng)的設置圖；
[0022] 圖2為按照本發(fā)明的投影儀標定方法中所使用的投影網(wǎng)格圖案；
[0023] 圖3為按照本發(fā)明的投影儀標定方法中所述的投影網(wǎng)格投影到標定板之后產(chǎn)生 的圖案；
[0024] 圖4為按照本發(fā)明的投影儀標定方法中二值化后的帶有投影圖案的標定板圖案；
[0025] 圖5為按照本發(fā)明的投影儀標定方法中骨架化處理后的帶有投影圖案的二值化 圖；
[0026] 圖6為按照本發(fā)明的投影儀標定方法中經(jīng)過霍夫變換直線段擬合后的圖；
[0027] 圖7為按照本發(fā)明的投影儀標定方法中將霍夫變換直線段擬合后的圖形，將直線 段相互連接之后的網(wǎng)格圖案；
[0028] 圖8為按照本發(fā)明的投影儀標定方法中使用MATLAB提取的網(wǎng)格角點，獲得投影在 標定板上網(wǎng)格亮線交點處的像素坐標；
[0029] 圖9為按照本發(fā)明的投影儀標定方法中采用歸一化平面和針孔成像模型圖； [0030] 圖10為按照本發(fā)明的投影儀標定方法中投影儀標定結(jié)果的反投影誤差。
[0031] 其中1-投影儀標定板2-鋁合金框架3-相機4-投影儀5-相機和投影儀共同的 視角范圍。
【具體實施方式】
[0032] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0033] 本實施例中，相機采用的是微視圖像的千兆網(wǎng)面陣CMOS相機系列的MVC1300SAM/ C-GE60-N00相機，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，型號為M1614-MP2,焦距為16mm ;投影儀采用的是Texas Instruments 的DLP ? LightCrafter? Evaluation Module，分辨率為 608*684;
[0034] 本實施例中的標定方法主要包括下述的兩大部分，一部分是標定的設備的準備拍 攝的工作，另外一部分是進行標定的算法來對標定設備進行分析。
[0035] 標定操作：
[0036] 第一步，在光學平臺上搭建實驗系統(tǒng)框架，并將投影儀和相機固定在框架上；本實 施例中使用的標定板所采用的圖案采用的是棋盤格標定板，為類似國際象棋棋盤格上的黑 白格交錯的標定板；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)實際需要進行設計，由于此交點中心處的像素坐標已知，且該交點中心為投影儀標 定的特征點。
[0037] 如圖1所示，為按照本投影儀標定方法的系統(tǒng)三維模擬圖，如圖所示本實施例在 光學平臺上搭建了鋁合金框架2,并將相機3和投影儀4固定在鋁合金框架2上。
[0038] 然后，將標定板1擺放在相機和投影儀共同的視角范圍5內(nèi)，先由相機3拍攝標定 板1照片；
[0039] 再來，由投影儀4向標定板1投射網(wǎng)格圖案，并再次用相機3拍攝帶有網(wǎng)格圖案的 標定板照片；
[0040] 本實施例所涉及的棋盤格標定板，其圖案分辨率為1024*768,打印紙張為A4紙， 其中共有16*12個棋盤方格，實際測量的紙張上每個方格的邊長為17. 10_。
[0041] 本實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