基于二维彩色靶标的结构光三维测量系统快速标定方法

系统标定是基于结构光投影的主动式光学三维面形测量的关键技术之一,同时也是一项复杂和耗时的工作。提出了一种基于RGB彩色模型的系统快速标定新方法。利用一个彩色的二维平面靶标和由投影仪投影的彩色标记特征图像实现了摄像机和投影仪的同时快速标定,对靶标的每个标定姿态位置只需要拍摄一幅图像即可得到该位置的特征参数。与传统方法相比,标定过程简单快捷,所需的数据量较少。利用该方法对一个结构光三维测量系统进行了现场标定,并测量了一个平面和一个半圆柱物体,实验结果中点到拟合平面的最大距离为0.8039mm,平均误差为0.1693mm。利用该系统恢复半圆柱物体的面形与传统标定方法的测量结果符合得很好。实验表明,由该方法获得的结果准确可用,且标定速度快。     

结构光三维成像系统的计算机仿真

基于相位测量轮廓术和摄像机模型,提出一种结构照明三维成像系统的高精度计算机仿真算法。对于给定的物体三维模型,首先根据系统结构,采用Z缓冲技术消除遮挡和阴影部分,得到与摄像机像素点对应的物体表面采样点三维坐标,再使用统一的数学模型和方法处理投影过程。根据摄像机及投影仪的内、外参数,最终得到了摄像机像素点、物体表面采样点和投影仪像素坐标三者之间的对应关系,从而实现了结构照明三维成像系统仿真。为实际系统的结构设计、调整和参数校正提供了参考。     

傅里叶变换轮廓术中新的相位及高度算法分析

在传统傅里叶变换轮廓术三维面型测量中,为了准确得到被测物体的高度分布,必需保证投影仪出射光瞳和摄像机入射光瞳的连线与参考面平行并且在同一水平面,否则存在较大的误差。着眼于更普通的情况,讨论双瞳连线与参考面成某一夹角时的高度计算,推导出了非平行时的参考面光场及物面变形条纹光场的表达式,并给出了高度映射公式。因而,传统的傅里叶变换轮廓术测量成为角度α=0时的特例。该方法使傅里叶变换轮廓术的测量条件得到了放宽;易于通过移动投影装置或成像装置获取全场条纹;并为在难以实现双瞳与参考面平行的特殊环境下的测量提供了可行的方法。计算机模拟及实验均证实了该方法的有效性。     

倾斜式测量系统的傅里叶变换轮廓术研究

在传统傅里叶变换轮廓术的研究基础上,本文提出了一种倾斜式测量系统的傅里叶变换轮廓术,该技术放宽了传统傅里叶变换轮廓术测量系统的三个约束条件:CCD成像系统的光轴不需要与参考平面垂直,即有一定的倾斜度;投射系统的出瞳和CCD成像系统的入瞳中心之间的连线不需要与参考平面平行;投射系统的光轴和CCD成像系统的光轴不在同一平面内,且不交于参考平面上一点. 并且通过严格的理论分析,推导出高度与相位之间的关系式,与传统傅里叶变换轮廓术相比较,在保证一定的测量精度的前提下,倾斜式测量系统具有更强的实用性和可操作性. 关键词： 傅里叶变换轮廓术 倾斜式 测量系统 相位     

基于单目结构光的大物体三维测量关键方法的研究

在单目结构光的三维测量系统中,由于投影仪倾斜投影, 参考平面上的条纹周期展宽, 给测量带来误差,降低了测量精度。同时受大物体自身几何和形貌等因素的影响,以及相交轴测量系统的限制,其单幅面测量范围受限,很难一次测量大物体完整的三维形貌,而且在测量大物体时,摄像机镜头非线性畸变也影响测量精度。根据参考平面上光栅条纹的周期变化规律,提出了一种适用性好、方便快捷的条纹周期校正的理论模型, 在此基础上, 提出了基于条纹周期校正的四步相移法的理论模型,进而提出了基于条纹周期校正的时间相位展开法的理论模型。采用摄像机镜头非线性畸变校正模型,提高测量精度。在被测物表面粘贴标志点,获取其三维坐标,利用SVD分解和L-M优化算法求取转换矩阵,并在设定的全局坐标系下实现三维图像拼接,采用线性加权算法,对重叠区域进行图像融合。实验结果表明,X轴的拼接误差为0.14 mm,Y轴的拼接误差为0.16 mm,Z轴的拼接误差为0.19 mm,其拼接误差均在测量误差允许范围之内。     

基于L-K局域光流的空间视线坐标法面形测量技术

提出了一种基于L-K局域光流的空间视线面形测量技术.测量系统由一个投影仪和一个CCD摄像机组成,采用小投影角度的投影方式.通过投影光线与视线(观测光线)的交点坐标,直接计算得出被测物体三维面形高度分布,其中条纹图中观察位置的变化由L-K光流算法计算得到.建立了在点光源投影条件下投影光线与视线交点坐标、光流与被测物体面形高度之间的关系.模拟与实验结果证明该方法能够准确恢复被测物体高度.与传统面形测量方法不同,视线光流面形测量技术不需要采集多幅条纹图像,也无需计算条纹频率和物体相位值,只需两幅条纹图即可恢复物体面形高度分布.     

傅里叶变换轮廓术物体三维形貌测量的系统分析及其坐标校准方法

对非共面以及非平行度下的傅里叶变换轮廓术(FTP)物体三维形貌的测最系统进行了分析,采用两个参考平面辅助分析系统光路结构,引入了一个能使双光轴共面的等效虚拟投影出瞳中心.基于光线跟踪原理给出了相位与高度的映射关系,给出了满足平等度的系统参数特性并借助于摄像机坐标系同时获取校准平面的高度以及相应的相位数据,实现了高度和横向坐标的简易校准.实验结果表明了该方法的有效性与可行性.     

单摄像机单投影仪结构光三维测量系统标定方法

系统参数的标定是结构光三维测量系统工作的基础,且参数标定的精度直接影响测量的精度,其中投影仪目前还存在标定过程复杂、精度较低等问题。为解决该问题,通过投影一组圆阵图案到一块本身带有特征圆的平板上,并由摄像机拍摄;基于二维射影变换理论,通过误差补偿法建立投影仪图像坐标和摄像机图像坐标的对应关系,利用该对应关系计算获取标定点的投影仪图像坐标;以标定点的两组图像坐标和世界坐标为初始值,使用非线性算法对系统进行全参数整体优化,完成系统的标定。实验验证了系统标定误差最大值小于0.05 mm,误差均方根小于0.03 mm,结果表明该方法标定过程简单,能够有效地提高标定精度,具有较广的适用性。     

线结构光自同步扫描三维形貌测量系统

针对空间目标操控任务中非合作目标近距离三维形貌测量的需求,设计了基于激光三角法原理的线结构光自同步扫描三维形貌测量系统.分析了经典的点扫描测量系统模型,扩展建立了线结构光扫描系统模型.构建了测量系统桌面样机,利用二维平面棋盘靶标构建虚拟立体靶标完成了系统参量的标定.分别对已知结构的工件及天宫一号缩比模型进行了测量实验,结果表明:测量距离为1m时,系统三坐标测量误差均优于1mm,Z向距离误差为0.18mm,测量点到拟合平面的距离误差均值为0.31mm.该系统简化了扫描系统结构,能降低空间载荷的重量和功耗,满足空间任务中快速三维形貌测量的需求.     

改进傅里叶变换轮廓术的测量算法研究

提出一种适用于更普遍情况的计算方法.推导了投影装置与成像装置双瞳不等高且双轴不共面时的条纹获取公式.推导出新的相位获取公式以及相位高度映射公式.使得系统可以在双瞳连线不平行参考面,且双光轴也不共面时进行正确的三维测量.与传统的傅里叶变换轮廓术(FTP)相比,该算法实验系统的搭建更容易,投影装置和成像装置的摆放位置町以随意移动以方便全场条纹的获取;与改进的傅里叶变换轮廓术(IFTP)相比,只需要对系统测量三个长度量,系统参量的获取更容易和准确,从而误差变小,测量结果更加接近真实.     

Line-scan CCD camera calibration in 2D coordinate measurement

We present a line-scan camera calibration method in a plane not perpendicular to but parallel to the optical axis, without requiring the camera motion or a complex calibration pattern. A random 2D reference coordinate system in the calibration plane can be used, images of a rod perpendicular to the calibration plane at known coordinates are captured by the camera, the relation between the given coordinates and the rod image centroid position are analyzed based on a reduced pinhole model and image processing, and then the camera parameters and distortion factors are all estimated. These distortion factors build a sample relation only between the image position in theory and in practice, and they do not change with object position. Two wide-angle line-scan cameras that are used in a 2D-coordinate measurement system are calibrated by this method; the application results illustrate the effectiveness and convenience of this method.     

光栅投影轮廓测量的系统标定技术

针对在光栅投影轮廓测量术中系统标定可操作性不强、精度不高的问题进行了全面的分析 ,在此基础上提出一种新的系统结构 ,并推导了物相关系。由于去掉了传统结构的平行和垂直两个约束条件 ,测量系统中摄像机和投影装置可以采取任意相对位置 ,操作十分灵活。对新系统提出了方便实用的标定方法 ,在其中引入了摄像机定标技术。应用该测量系统和标定技术进行实例检测 ,测量结果证明 :与传统方法相比 ,可操作性和检测精度得到了提高     

Line structured light vision sensor calibration using parallel straight lines features

Line structured light vision sensor (LSLVS) calibration is to establish the relation between the camera and the light plane projector. This paper proposes a geometrical calibration method for LSLVS via three parallel straight lines on a 2D target. The approach is based on the properties of vanishing points and lines. During the calibration, one important aspect is to determine the normal vector of the light plane, another critical step is to obtain the distance parameter d of the light plane. In this paper, we put the emphasis on the later one. The distance constraint of parallel straight lines is used to compute a 3D feature point on the light plane, resulting in the acquisition of the parameter d. Thus, the equation of the light plane in the camera coordinate frame (CCF) can be solved out. To evaluate the performance of the algorithm, possible factors affecting the calibration accuracy are taken into account. Furthermore, mathematical formulations for error propagation are derived. Both computer simulations and real experiments have been carried out to validate our method, and the RMS error of the real calibration reaches 0.134 mm within the field of view 500 mm × 500 mm.     

Robust geometric,phase and colour structured light projection system calibration

This paper introduces a new comprehensive procedure for both geometric and colour calibration of structured light system. In order to perform both geometric and colour calibration procedure, a new calibration artifact is proposed. The intrinsic and extrinsic parameters of projector and camera are estimated by using an extended pinhole camera model with a tangential and radial distortion. Camera image plane coordinates are obtained by extracting features from images of a calibration artifact. Projector image plane coordinates are calculated on the basis of continuous phase maps obtained from a fringe pattern phase reconstruction procedure. In order to stereo calibrate camera-projector system, pairs of corresponding image plane points are calculated with subpixel accuracy. In addition, one of three pattern views is used in colour calibration. RGB values of a colour field pattern detected by camera and their reference values are compared. This comparison leads to derivation of a colour transformation matrix. The performance of the proposed method is tested by measuring plane, sphere and distance reference. Also 360 degrees complex object 3D model from a set of measurements is obtained. Residual mean errors for all tests performed are calculated.     

新的基于条纹投影轮廓测量的系统标定方法

提出一种新的光栅条纹投影轮廓测量术系统标定模型,新模型不要求投影装置和成像系统的光心连线与参考面平行、成像系统的光轴垂直于参考面及投影装置和成像系统的光轴相交。基于该模型得出了新的相位高度映射关系,其待定系数与成像点的坐标无关。实际测量中只需2个高度不同的标准块便可以求得待定系数。对4个标准块进行高度测量,得到的最大相对误差为0.6%。实验证明:该标定方法简单有效,提高了系统标定的可操作性和测量精度。     

Flexible and accurate implementation of a binocular structured light system

This paper presents a practical implementation of a binocular system for three-dimensional (3D) surface measurement. Manufacturing procedures are easy to implement because this system does not require that the optical axes of two cameras’ lenses be coplanar and the structured light sheets be perpendicular to that plane. The method of structured light calibration is proposed to obtain the parameters of the structured light sheets. This calibration method can tolerate the surface condition of the calibration board. To eliminate the effect caused by the distortion of projector lens, each structured light sheet is fitted to a conicoid. Meanwhile, data acquired from two cameras are transformed into a unique coordinate system to avoid 3D data matching. Experiments are conducted to validate the flexibility, accuracy, and desirability of our system.     

平顶线结构光的中心检测算法及光刀平面标定

针对传统线结构光光刀平面标定方法测量精度不高,应用范围小的问题,提出基于平面标靶的线结构光系统光刀平面标定,对无激光的标靶图片进行迭代摄像机标定,有激光的标靶图片进行光刀平面标定.提出光强符合均匀分布的平顶激光检测中心算法,将平顶激光建模为矩形的台阶函数,估计背景亮度和前景亮度,确定亮条纹宽度,再将窗口内的有效像素参与重心计算,得到光条纹中心.用该算法对不同噪声及不同量块的图片进行处理,结果表明,处理后图像的均方根误差分别在0.149pixel和0.176pixel内,表明该算法抗噪声能力强、精度高.用该算法提取光条中心,计算光条在标靶上的位置,根据至少两个姿态下的光条中心三维点,基于最小二乘法拟合光刀平面.通过迭代摄像机标定和光刀平面标定,利用三角测量法,在立体视觉模型下获取物体的三维点云数据.实验测量两个距离为100.5mm的标准球,相机与标准球距离为500mm,比较两球心距离与标准距离,测得平均误差为0.236mm.表明平顶激光检测中心算法切实可行,光刀平面标定方法基本满足要求.     

基于三线结构光的相机平面标定方法研究

相机标定技术是结构光三维视觉测量的关键技术之一,结构光系统的相机标定的精度对三维测量的精度有很大影响。首先对三线结构光系统图的相机标定方法进行了分析,简单介绍了工业相机成像的几何模型及标定的原理;其次利用Harris角点检测方法提取特征点坐标,并选用了BP神经网络来校正工业相机的畸变模型,以提高标定算法的优化速度和标定精度;最后采用张正友的平面标定法对校正后的摄像机模型进行标定实验,由实验结果知,该方法具有一定的准确性和有效性,在一定误差范围内,基于神经网络畸变校正的张正友相机标定能够有效提高视觉检测的精度。