本發(fā)明涉及三維成像及光學(xué)三維重建領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法及裝置。

背景技術(shù)：

基于相位條紋編碼的三維成像具有簡單，計算速度快、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于物體三維成像和測量中。通過投影設(shè)備將含有正弦條紋的圖像投射到待測物體上，物體表面的形狀會使得投射的結(jié)構(gòu)光圖像產(chǎn)生不同調(diào)制，通過相機(jī)獲取這些帶有調(diào)制信息的結(jié)構(gòu)光圖像，結(jié)合調(diào)解方法和立體視覺技術(shù)可得到物體的三維數(shù)字形貌數(shù)據(jù)。

現(xiàn)有技術(shù)中，由于光學(xué)結(jié)構(gòu)本身的限制，三維成像和三維掃描技術(shù)在對金屬反光物、微小且形狀奇異物體等特殊對象的處理上還有很大發(fā)展空間，另外在對系統(tǒng)標(biāo)定，物體相位信息獲取的完整度和精度的研究，對三維重建方法和技術(shù)等相關(guān)核心問題還需不斷深入。

目前，如何提升三維成像系統(tǒng)的精度是亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法及裝置，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中三維成像系統(tǒng)的精度低的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供一種一種基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法，所述方法應(yīng)用于三維成像系統(tǒng)，所述三維成像系統(tǒng)包括：具有遠(yuǎn)心鏡頭的投影設(shè)備、具有遠(yuǎn)心鏡頭的攝像設(shè)備及可移動平臺；所述投影設(shè)備的光軸垂直于水平放置的所述可移動平臺，所述攝像設(shè)備的光軸與所述可移動平臺成預(yù)設(shè)夾角，所述可移動平臺上放置標(biāo)靶，所述可移動平臺始終處于所述攝像設(shè)備及所述投影設(shè)備共同景深范圍內(nèi)，所述標(biāo)定方法包括：

步驟1、移動所述可移動平臺，使得所述標(biāo)靶處于多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下，且在每一個標(biāo)靶姿態(tài)下，利用均勻光投射到所述標(biāo)靶，通過所述攝像設(shè)備采集所述標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像，及利用所述投影設(shè)備將條紋圖投射到所述標(biāo)靶，利用所述攝像設(shè)備采集所述標(biāo)靶姿態(tài)下的條紋圖；

步驟2、對所述攝像設(shè)備的內(nèi)參及外參進(jìn)行初始化，得到所述攝像設(shè)備參數(shù)初始化后的內(nèi)參及外參，基于光束平差法，利用多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像、所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)及所述初始化后的內(nèi)參及外參進(jìn)行聯(lián)合非線性優(yōu)化，得到所述攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述攝像設(shè)備的標(biāo)定；

步驟3、利用n步相移法分別對多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下采集到的條紋圖進(jìn)行解相位及相位展開，得到多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖；

步驟4、對所述投影設(shè)備的內(nèi)參及外參進(jìn)行初始化，得到所述投影設(shè)備初始化后的內(nèi)參及外參，基于光束平差法，利用所述多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖、所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)及所述初始化后的內(nèi)參及外參進(jìn)行聯(lián)合非線性優(yōu)化，得到所述投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述投影設(shè)備的標(biāo)定；

步驟5、利用所述攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)及所述投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)對所述三維成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，得到所述三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定裝置，所述裝置應(yīng)用于三維成像系統(tǒng)，所述三維成像系統(tǒng)包括：具有遠(yuǎn)心鏡頭的投影設(shè)備、具有遠(yuǎn)心鏡頭的攝像設(shè)備及可移動平臺；所述投影設(shè)備的光軸垂直于水平放置的所述可移動平臺，所述攝像設(shè)備的光軸與所述可移動平臺成預(yù)設(shè)夾角，所述可移動平臺上放置標(biāo)靶，所述可移動平臺始終處于所述攝像設(shè)備及所述投影設(shè)備共同景深范圍內(nèi)，所述標(biāo)定裝置包括：

采集模塊，用于移動所述可移動平臺，使得所述標(biāo)靶處于多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下，且在每一個標(biāo)靶姿態(tài)下，利用均勻光投射到所述標(biāo)靶，通過所述攝像設(shè)備采集所述標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像，及利用所述投影設(shè)備將條紋圖投射到所述標(biāo)靶，利用所述攝像設(shè)備采集所述標(biāo)靶姿態(tài)下的條紋圖；

攝像設(shè)備標(biāo)定模塊，用于對所述攝像設(shè)備的內(nèi)參及外參進(jìn)行初始化，得到所述攝像設(shè)備參數(shù)初始化后的內(nèi)參及外參，基于光束平差法，利用多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像、所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)及所述初始化后的內(nèi)參及外參進(jìn)行聯(lián)合非線性優(yōu)化，得到所述攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述攝像設(shè)備的標(biāo)定；

獲取模塊，用于利用n步相移法分別對多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下采集到的條紋圖進(jìn)行解相位及相位展開，得到多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖；

投影設(shè)備標(biāo)定模塊，用于對所述投影設(shè)備的內(nèi)參及外參進(jìn)行初始化，得到所述投影設(shè)備初始化后的內(nèi)參及外參，基于光束平差法，利用所述多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖、所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)及所述初始化后的內(nèi)參及外參進(jìn)行聯(lián)合非線性優(yōu)化，得到所述投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述投影設(shè)備的標(biāo)定；

系統(tǒng)標(biāo)定模塊，用于利用所述攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)及所述投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)對所述三維成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，得到所述三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定。

本發(fā)明提供一種基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法，在三維成像系統(tǒng)中使用具有遠(yuǎn)心鏡頭的攝像設(shè)備及具有遠(yuǎn)心鏡頭的投影設(shè)備，且通過光束平差法對攝像設(shè)備及投影設(shè)備進(jìn)行非線性標(biāo)定，并利用完成標(biāo)定后的攝像設(shè)備及投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)對該三維成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。通過使用光束平差法能夠有效減小標(biāo)靶誤差對三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定精度的影響，有效提升了標(biāo)定精度，進(jìn)而提高了三維成像系統(tǒng)的精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭三維成像系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1.1為本發(fā)明實(shí)施例中雙遠(yuǎn)心鏡頭的原理圖；

圖1.2為本發(fā)明實(shí)施例中建立的坐標(biāo)系的示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭的三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭的三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定裝置的功能模塊的示意圖。

具體實(shí)施方式

為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點(diǎn)能夠更加的明顯和易懂，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而非全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

為了更好的理解本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，請參閱圖1，為本發(fā)明實(shí)施例中基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭三維成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該三維成像系統(tǒng)包括：具有遠(yuǎn)心鏡頭的投影設(shè)備、具有遠(yuǎn)心鏡頭的攝像設(shè)備及可移動平臺。

其中，該投影設(shè)備的光軸垂直于水平放置的可移動平臺，該攝像設(shè)備的光軸與該可移動平臺成預(yù)設(shè)夾角，且該預(yù)設(shè)夾角可以是70～85度的范圍內(nèi)，其中，可移動平臺可放置在水平實(shí)驗(yàn)臺上，且該可移動平臺上可放置標(biāo)靶。

其中，可移動平臺是可以上下移動及左右移動的，也可以調(diào)節(jié)該可移動平臺與水平面的角度，其中，通過移動該可移動平臺，可以使得標(biāo)靶處于不同的標(biāo)靶姿態(tài)下。

其中，遠(yuǎn)心鏡頭可以使用雙遠(yuǎn)心鏡頭，投影設(shè)備可以使用dmd投影儀，攝像設(shè)備可以使用cmos器件或數(shù)碼相機(jī)，

需要說明的是，為了能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)定，該可移動平臺始終處于攝像設(shè)備及投影設(shè)備共同景深范圍內(nèi)，以便投影設(shè)備投影至標(biāo)靶上的圖像清晰，且攝像設(shè)備采集的圖像也是清晰的。

為了更好的理解本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將介紹遠(yuǎn)心鏡頭的相關(guān)內(nèi)容。

遠(yuǎn)心鏡頭相對于現(xiàn)有的針孔模型鏡頭具有測量精度高，適用于高精度測量的優(yōu)點(diǎn)。遠(yuǎn)心鏡頭可以分為物方遠(yuǎn)心鏡頭、像方遠(yuǎn)心鏡頭，及雙遠(yuǎn)心鏡頭，以雙遠(yuǎn)心鏡頭為例，請參閱圖1.1，為本發(fā)明實(shí)施例中，雙遠(yuǎn)心鏡頭的原理圖。

其中，該原理圖也可以稱為遠(yuǎn)心鏡頭模型，從模型的角度分析，該遠(yuǎn)心鏡頭模型是一種平行成像模型，在遠(yuǎn)心鏡頭的景深范圍內(nèi)，物體與鏡頭間的距離變化不會影響攝像設(shè)備對圖像的放大率，為了更好的描述遠(yuǎn)心鏡頭模型，建立如圖1.2的坐標(biāo)系，其中，ow(xw，yw，zw)是世界坐標(biāo)系作為統(tǒng)一坐標(biāo)系來描述空間所有物體的相對位置，相機(jī)坐標(biāo)系為oc(xcyczc)，通常選擇相機(jī)的光軸直接作為相機(jī)坐標(biāo)系的zc。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系與針孔模型類似，其中，相機(jī)坐標(biāo)系是依據(jù)成像面制定的坐標(biāo)系，一般常取光軸為坐標(biāo)系z軸，世界坐標(biāo)系上的點(diǎn)與相機(jī)坐標(biāo)系上的點(diǎn)一一對應(yīng)。其中，圖像坐標(biāo)也可以稱為像素坐標(biāo)，屬于像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，且像素坐標(biāo)系是指相機(jī)像素面上像素點(diǎn)的排列坐標(biāo)系，通常以圖像左上角像素點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，橫坐標(biāo)表示像素行數(shù)，縱坐標(biāo)表示列數(shù)。

由于遠(yuǎn)心鏡頭成像是平行投影成像，相機(jī)坐標(biāo)系在成像過程中會丟失z軸上的信息，因此，遠(yuǎn)心鏡頭成像實(shí)際可以理解為二維坐標(biāo)信息經(jīng)過一定的放大率投射在攝像設(shè)備的成像面上。

假設(shè)此處鏡頭放大率是m，則相機(jī)坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)如下所示的成像關(guān)系：

即

由于上述的成像關(guān)系，再考慮到遠(yuǎn)心鏡頭的內(nèi)外參數(shù)，由于外參是描述世界坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)之間位置關(guān)系轉(zhuǎn)換關(guān)系的參數(shù)，且由于遠(yuǎn)心鏡頭的外參缺少z軸上參數(shù)變化的信息，因此，可以基于遠(yuǎn)心鏡頭的放大率m建立遠(yuǎn)心鏡頭世界坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)之間的初始轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此，遠(yuǎn)心鏡頭成像模型如下：

其中，m表示遠(yuǎn)心鏡頭的放大率，s表示遠(yuǎn)心鏡頭的扭曲因子，(u0，v0)表示像素坐標(biāo)系的原點(diǎn)，r，t分別表示外參中的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，du，dv分別為每個像素在x軸、y軸方向上的物理尺寸。

需要說明的是，外參是由已知的初始化內(nèi)參和歸一化矩陣聯(lián)合得到的，在這里假設(shè)hij表示的是歸一化矩陣h中第i行第j列的數(shù)，根據(jù)上式(3.1)可以得到歸一化矩陣公式(32)：

同樣的，可以用dlt方法直接求解此歸一化函數(shù)h。再根據(jù)r為單位正交矩陣，所以可以得到：

聯(lián)立上式可得到公式(3.4)：

由式(3.1)假設(shè)m/du＝m/dv＝a，則合并式3.1和上式3.4，可以得到以下公式：

上式有兩個非負(fù)的解(a²為上式解)，所以還需要有一個條件才能求解，由式(3.1)和式(3.2)可以得到基本條件這里的i＝1，2且j＝1，2.，這樣就可以得到a的解，即求得r矩陣中左上的一個2×2的旋轉(zhuǎn)矩陣。

初始化過程中還需要求得r13，r23的值，由公式(3.1)和公式(3.2)點(diǎn)乘關(guān)系聯(lián)立得到，位移參數(shù)ts和圖像中心點(diǎn)(u0，v0)可以滿足的以下公式：

上式中(u0，v0)和ts為未知變量，所以不能單獨(dú)通過(3.6)式直接求解，這個步驟和針孔模型的求解不一樣，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是歸一化函數(shù)h在z軸方向上的坐標(biāo)變化是沒有意義的，因?yàn)檫h(yuǎn)心鏡頭沒有焦點(diǎn)(或者理解為焦點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處)，所以h13，h23在數(shù)值上為零。因此像平面的位置可以在遠(yuǎn)心鏡頭的景深內(nèi)隨意設(shè)定，在這里假設(shè)將圖像中心的像素點(diǎn)看成是圖像中心，這樣可通過已知的ccd信息確定(u0，v0)，從而有公式(3.6)中的平移矩陣ts就可以確定了。

另外，旋轉(zhuǎn)矩陣r中左上的2×2的旋轉(zhuǎn)矩陣前文介紹已經(jīng)可以得到。然后其余的矩陣參數(shù)可以由式(3.3)和式(3.7)聯(lián)立利用r為單位正交陣的特性得到。

r3＝ri×r2(3.7)

這其中r1，r2，r3都是r矩陣的坐標(biāo)矢量，因?yàn)閞的單位正交陣特征只能提供一個約束運(yùn)用的是圓形標(biāo)志點(diǎn)標(biāo)靶，取標(biāo)志點(diǎn)中任一點(diǎn)作為控制點(diǎn)，并保證標(biāo)靶通過位移平臺沿z軸方向有微小的位移，同樣可以運(yùn)用式(3.8)求得r13和r23。

因此，通過上述方式，可以得到遠(yuǎn)心鏡頭的遠(yuǎn)心鏡頭成像模型，并基于該遠(yuǎn)心鏡頭成像模型實(shí)現(xiàn)攝像設(shè)備及投影設(shè)備的外參及內(nèi)參的初始化。

進(jìn)一步的，考慮鏡頭畸變，可以得到以下公式：

其中，u和v表示理想坐標(biāo)系下無畸變的點(diǎn)，同時u′和v′表示含畸變的圖像點(diǎn)，且滿足在公式中k1～k5均是畸變系數(shù)，其中(k1，k2，k5)表示三個方向上的不同徑向參數(shù)，(k3，k4)表示切向上的畸變參數(shù)。利用式(3.9)能夠確定畸變系數(shù)。

基于上述的三維成像系統(tǒng)，請參閱圖2，為本發(fā)明第一實(shí)施例中基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法的流程示意圖，包括：

步驟201、移動所述可移動平臺，使得所述標(biāo)靶處于多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下，且在每一個標(biāo)靶姿態(tài)下，利用均勻光投射到所述標(biāo)靶，通過所述攝像設(shè)備采集所述標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像，及利用所述投影設(shè)備將條紋圖投射到所述標(biāo)靶，利用所述攝像設(shè)備采集所述標(biāo)靶姿態(tài)下的條紋圖；

在本發(fā)明實(shí)施例中，需要采集多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像及條紋圖。且在可移動平臺移動至某一個標(biāo)靶姿態(tài)之后，通過均勻光光源發(fā)出均勻光，并將該均勻光投射到標(biāo)靶，通過攝像設(shè)備采集該標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像。且在該標(biāo)靶姿態(tài)下完成標(biāo)靶圖像的采集之后，保持標(biāo)靶姿態(tài)不變，利用投影設(shè)備將該條紋圖投射到該標(biāo)靶上，并利用攝像設(shè)備采集在該標(biāo)靶姿態(tài)下的條紋圖。通過上述方式，可以采集在某一個標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像及條紋圖，且通過移動該可移動平臺的到不同標(biāo)靶姿態(tài)下的方式，能夠得到多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像及條紋圖。

需要說明的是，投影設(shè)備中已經(jīng)保存了多個條紋圖，該多個條紋圖可以利用計算機(jī)編寫的條紋周期為20的4幅正弦條紋圖和9幅格雷碼橫豎兩個方向上的條紋圖，且植入該投影設(shè)備，使得投影設(shè)備可以向標(biāo)靶投射上述的正弦條紋圖及格雷碼條紋圖。具體的，在每一個標(biāo)靶姿態(tài)下，投影設(shè)備都將按照順序?qū)⒄覘l紋圖及格雷碼條紋圖投影至標(biāo)靶上，且攝像設(shè)備也將在每一投影一個條紋圖之后，進(jìn)行一次采集，且將采集到的多個條紋圖作為該標(biāo)靶姿態(tài)下采集得到的條紋圖。

需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中，無論標(biāo)靶姿態(tài)如何改變，可移動平臺始終處于攝像設(shè)備及投影設(shè)備的景深范圍內(nèi)。

可以理解的是，在本發(fā)明實(shí)施例中，需要在至少三個不同的標(biāo)靶姿態(tài)下采集標(biāo)靶圖像及條紋圖，以完成采集工作。

可以理解的是，本發(fā)明實(shí)施例中的均勻光光源與可移動平臺之間的夾角并不限定其大小，只要有均勻光投射至可移動平臺上的標(biāo)靶，且使得投射的光的圖像清晰，且攝像設(shè)備采集的標(biāo)靶圖像清晰即可。

步驟202、對所述攝像設(shè)備的內(nèi)參及外參進(jìn)行初始化，得到所述攝像設(shè)備參數(shù)初始化后的內(nèi)參及外參，基于光束平差法，利用多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像、所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)及所述初始化后的內(nèi)參及外參進(jìn)行聯(lián)合非線性優(yōu)化，得到所述攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述攝像設(shè)備的標(biāo)定；

在本發(fā)明實(shí)施例中，基于光束平差法對攝像設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，具體可以按照如下公式得到所述攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)：

其中，xba^*表示重投影誤差殘差值，n表示多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像的總數(shù)，m表示所述標(biāo)靶中標(biāo)識點(diǎn)的個數(shù)，表示在第i個標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像中的第j個標(biāo)志點(diǎn)的成像點(diǎn)；o^ij(r，ts，m，u0，v0，k，x)表示第i個標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像中的第j個標(biāo)志點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的理想點(diǎn)；x表示所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)，r為所述攝像設(shè)備外參的旋轉(zhuǎn)矩陣，及ts為所述攝像設(shè)備外參的平移矩陣，m為所述攝像設(shè)備內(nèi)參中遠(yuǎn)心鏡頭的放大率，(u0，v0)表示所述像素坐標(biāo)系的原點(diǎn)，k為畸變系數(shù)。

其中，重投影誤差殘差值越小越好，以便在非線性優(yōu)化中盡可能的逼近標(biāo)志點(diǎn)的o^ij(r，ts，m，u0，v0，k，x)。

其中，光束平差法是將標(biāo)靶的三維圖像參數(shù)和攝像設(shè)備的外參和內(nèi)參進(jìn)行聯(lián)合非線性優(yōu)化。

其中，在初始化方面，m的初始值在搭建攝像設(shè)備之后得到；外參外參r，ts由參數(shù)初始化得到的，r通常通過rodrigues`s定律先得到r的偏導(dǎo)數(shù)再代入優(yōu)化；k為畸變系數(shù)，這里將畸變參數(shù)初始值設(shè)為0進(jìn)行第一次優(yōu)化，然后通過第二次優(yōu)化得到最優(yōu)解；(u0，v0)的初始值由相機(jī)分辨率決定。對于這種非線性優(yōu)化問題，可以用levenbery-marquardt法解決。

可以理解的是，光束平差法是一種非線性優(yōu)化方法，求解上述的光束平差法的問題就變成了jacobian矩陣非線性優(yōu)化求最優(yōu)解的問題，在攝像設(shè)備的標(biāo)定中，若標(biāo)靶包含m個標(biāo)志點(diǎn)，采集了n個不同標(biāo)靶姿態(tài)下標(biāo)靶圖像及條紋圖，則jacobian矩陣的尺寸為：

4mn×(26+6n+3m)

由于遠(yuǎn)心鏡頭的特殊性，函數(shù)對無關(guān)變量的偏導(dǎo)數(shù)為0，由上式可知，該jacobian矩陣很大，為了提高運(yùn)算效率，減少標(biāo)定時間引入稀疏矩陣的性質(zhì)，然后對jacobian矩陣進(jìn)行分塊運(yùn)算，以便能夠完成光束平差法的求解，得到相應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)。

在本發(fā)明實(shí)施例中，完成對攝像設(shè)備的標(biāo)定后，可得到該攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)，且該標(biāo)定參數(shù)至少包括該攝像設(shè)備的標(biāo)靶中的標(biāo)志點(diǎn)的像素坐標(biāo)、優(yōu)化后的攝像設(shè)備的放大率，及優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)矩陣及平移矩陣、攝像設(shè)備的內(nèi)參。

步驟203、利用n步相移法分別對多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下采集到的條紋圖進(jìn)行解相位及相位展開，得到多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖；

在本發(fā)明實(shí)施例中，對于采集到的多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的條紋圖，將利用n步相位法分別對該多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的采集到的條紋圖進(jìn)行解相位及相位展開，得到該多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖。其中，對于條紋圖，可以通過解相位技術(shù)得到相位折疊圖，并通過相位展開技術(shù)得到相位展開圖。

可以理解的是，該n步相移法可以是四步相移法，也可以是其他多步相移法，

步驟204、對所述投影設(shè)備的內(nèi)參及外參進(jìn)行初始化，得到所述投影設(shè)備初始化后的內(nèi)參及外參，基于光束平差法，利用所述多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖、所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)及所述初始化后的內(nèi)參及外參進(jìn)行聯(lián)合非線性優(yōu)化，得到所述投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述投影設(shè)備的標(biāo)定；

在本發(fā)明實(shí)施例中，利用光束平差法得到所述投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)具體如下：

其中，xba^*表示重投影誤差殘差值，n表示多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖的總數(shù)，m表示所述標(biāo)靶中標(biāo)識點(diǎn)的個數(shù)，表示在第i個標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖中的第j個標(biāo)志點(diǎn)的成像點(diǎn)；o^ij(r，ts，m，u0，v0，k，x)表示第i個標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖中的第j個標(biāo)志點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的理想點(diǎn)；x表示所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)，r為所述投影設(shè)備外參的旋轉(zhuǎn)矩陣，及ts為所述投影設(shè)備外參的平移矩陣，m為所述投影設(shè)備內(nèi)參中遠(yuǎn)心鏡頭的放大率，(u0，v0)表示所述像素坐標(biāo)系的原點(diǎn)，k為畸變系數(shù)。

在本發(fā)明實(shí)施例中，通過相位展開圖可以獲得標(biāo)靶的標(biāo)志點(diǎn)在投影設(shè)備上的像素坐標(biāo)，即通過投影設(shè)備的逆成像關(guān)系得到投影設(shè)備的虛擬“拍攝圖像”。

在本發(fā)明實(shí)施例中，通過上述的光束平差法可得到該投影設(shè)備記錄的標(biāo)靶標(biāo)志點(diǎn)的像素坐標(biāo)，且將得到該投影設(shè)備記錄的標(biāo)靶標(biāo)志點(diǎn)的像素坐標(biāo)及相位展開圖上投影設(shè)備各標(biāo)志點(diǎn)的像素坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，以完成投影設(shè)備的標(biāo)定，其中，該對應(yīng)關(guān)系屬于投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)中的一種，此外，投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)還包括該投影設(shè)備優(yōu)化后的放大率，優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)矩陣及平移矩陣。

步驟205、利用所述攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)及所述投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)對所述三維成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，得到所述三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定。

在本發(fā)明實(shí)施例中，將利用攝像攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)及投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)對三維成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定包括：

步驟a、按照如下公式得到所述三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)：

r^p·pw+t^p＝r^s·(r^c·pw+t^c)+t^s

其中，r^p表示所述投影設(shè)備外參中的旋轉(zhuǎn)矩陣，t^p表示所述投影設(shè)備外參中的平移矩陣，r^c表示所述攝像設(shè)備外參中的旋轉(zhuǎn)矩陣，t^c表示所述攝像設(shè)備外參中的平移矩陣，r^s表示三維成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，t^s表示三維成像系統(tǒng)的平移矩陣，pw表示空間中任意一點(diǎn)p的世界坐標(biāo)向量；

其中，pw＝[xw，yw，zw]^t.

步驟b、對所述三維成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)矩陣及平移矩陣進(jìn)行最小二乘優(yōu)化，利用優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)矩陣及平移矩陣確定所述三維成像系統(tǒng)的像素坐標(biāo)和世界坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

其中，像素坐標(biāo)是圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，該圖像坐標(biāo)系也可稱為相機(jī)坐標(biāo)系，依據(jù)成像面制定的坐標(biāo)系，一般常取光軸為坐標(biāo)系z軸，世界坐標(biāo)系上的點(diǎn)可以與圖像坐標(biāo)系上的點(diǎn)一一對應(yīng)。

在本發(fā)明實(shí)施例中，在三維成像系統(tǒng)中使用具有遠(yuǎn)心鏡頭的攝像設(shè)備及具有遠(yuǎn)心鏡頭的投影設(shè)備，且通過光束平差法對攝像設(shè)備及投影設(shè)備進(jìn)行非線性標(biāo)定，并利用完成標(biāo)定后的攝像設(shè)備及投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)對該三維成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。通過使用光束平差法能夠有效減小標(biāo)靶誤差對三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定精度的影響，有效提升了標(biāo)定精度，進(jìn)而提高了三維成像系統(tǒng)的精度。進(jìn)一步的，通過使用具有遠(yuǎn)心鏡頭的攝像設(shè)備及具有遠(yuǎn)心鏡頭的攝像設(shè)備，由于遠(yuǎn)心鏡頭能夠?qū)崿F(xiàn)精密測量，特別適用于具有一定深度和厚度，且孔的半徑成臺階狀的物體的測量，因此，能夠進(jìn)一步提高標(biāo)定精度及測量精度。

請參閱圖3，為本發(fā)明第二實(shí)施例中基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定裝置的功能模塊的示意圖，其中，該裝置應(yīng)用于三維成像系統(tǒng)，所述三維成像系統(tǒng)包括：具有遠(yuǎn)心鏡頭的投影設(shè)備、具有遠(yuǎn)心鏡頭的攝像設(shè)備及可移動平臺；所述投影設(shè)備的光軸垂直于水平放置的所述可移動平臺，所述攝像設(shè)備的光軸與所述可移動平臺成預(yù)設(shè)夾角，所述可移動平臺上放置標(biāo)靶，所述可移動平臺始終處于所述攝像設(shè)備及所述投影設(shè)備共同景深范圍內(nèi)，所述標(biāo)定裝置包括：

采集模塊301，用于移動所述可移動平臺，使得所述標(biāo)靶處于多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下，且在每一個標(biāo)靶姿態(tài)下，利用均勻光投射到所述標(biāo)靶，通過所述攝像設(shè)備采集所述標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像，及利用所述投影設(shè)備將條紋圖投射到所述標(biāo)靶，利用所述攝像設(shè)備采集所述標(biāo)靶姿態(tài)下的條紋圖；

攝像設(shè)備標(biāo)定模塊302，用于對所述攝像設(shè)備的內(nèi)參及外參進(jìn)行初始化，得到所述攝像設(shè)備參數(shù)初始化后的內(nèi)參及外參，基于光束平差法，利用多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像、所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)及所述初始化后的內(nèi)參及外參進(jìn)行聯(lián)合非線性優(yōu)化，得到所述攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述攝像設(shè)備的標(biāo)定；

獲取模塊303，用于利用n步相移法分別對多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下采集到的條紋圖進(jìn)行解相位及相位展開，得到多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖；

投影設(shè)備標(biāo)定模塊304，用于對所述投影設(shè)備的內(nèi)參及外參進(jìn)行初始化，得到所述投影設(shè)備初始化后的內(nèi)參及外參，基于光束平差法，利用所述多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖、所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)及所述初始化后的內(nèi)參及外參進(jìn)行聯(lián)合非線性優(yōu)化，得到所述投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述投影設(shè)備的標(biāo)定；

系統(tǒng)標(biāo)定模塊305，用于利用所述攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)及所述投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)對所述三維成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，得到所述三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)，以完成所述三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定。

進(jìn)一步的，所述攝像設(shè)備標(biāo)定模塊302具體用于對所述攝像設(shè)備的內(nèi)參及外參進(jìn)行初始化，得到所述攝像設(shè)備參數(shù)初始化后的內(nèi)參及外參，及按照如下公式得到所述攝像設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)：

其中，xba^*表示重投影誤差殘差值，n表示多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像的總數(shù)，m表示所述標(biāo)靶中標(biāo)識點(diǎn)的個數(shù)，表示在第i個標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像中的第j個標(biāo)志點(diǎn)的成像點(diǎn)；o^ij(r，ts，m，u0，v0，k，x)表示第i個標(biāo)靶姿態(tài)下的標(biāo)靶圖像中的第j個標(biāo)志點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的理想點(diǎn)；x表示所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)，r為所述攝像設(shè)備外參的旋轉(zhuǎn)矩陣，及ts為所述攝像設(shè)備外參的平移矩陣，m為所述攝像設(shè)備內(nèi)參中遠(yuǎn)心鏡頭的放大率，(u0，v0)表示所述像素坐標(biāo)系的原點(diǎn)，k為畸變系數(shù)。

進(jìn)一步的，所述投影設(shè)備標(biāo)定模塊304具體用于對所述投影設(shè)備的內(nèi)參及外參進(jìn)行初始化，得到所述投影設(shè)備初始化后的內(nèi)參及外參，及按照如下公式得到所述投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)：

其中，xba^*表示重投影誤差殘差值，n表示多個不同標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖的總數(shù)，m表示所述標(biāo)靶中標(biāo)識點(diǎn)的個數(shù)，表示在第i個標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖中的第j個標(biāo)志點(diǎn)的成像點(diǎn)；o^ij(r，ts，m，u0，v0，k，x)表示第i個標(biāo)靶姿態(tài)下的相位展開圖中的第j個標(biāo)志點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的理想點(diǎn)；x表示所述標(biāo)靶的三維坐標(biāo)系參數(shù)，r為所述投影設(shè)備外參的旋轉(zhuǎn)矩陣，及ts為所述投影設(shè)備外參的平移矩陣，m為所述投影設(shè)備內(nèi)參中遠(yuǎn)心鏡頭的放大率，(u0，v0)表示所述像素坐標(biāo)系的原點(diǎn)，k為畸變系數(shù)。

進(jìn)一步的，所述系統(tǒng)標(biāo)定模塊305具體用于：

按照如下公式得到所述三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)：

r^p·pw+t^p＝r^s·(r^c·pw+t^c)+t^s

其中，r^p表示所述投影設(shè)備外參中的旋轉(zhuǎn)矩陣，t^p表示所述投影設(shè)備外參中的平移矩陣，r^c表示所述攝像設(shè)備外參中的旋轉(zhuǎn)矩陣，t^c表示所述攝像設(shè)備外參中的平移矩陣，r^s表示三維成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，t^s表示三維成像系統(tǒng)的平移矩陣，pw表示空間中任意一點(diǎn)p的世界坐標(biāo)向量；

其中，pw＝[xw，yw，zw]^t；

以及，對所述三維成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)矩陣及平移矩陣進(jìn)行最小二乘優(yōu)化，利用優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)矩陣及平移矩陣確定所述三維成像系統(tǒng)的像素坐標(biāo)和世界坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

在本發(fā)明實(shí)施例中，在三維成像系統(tǒng)中使用具有遠(yuǎn)心鏡頭的攝像設(shè)備及具有遠(yuǎn)心鏡頭的投影設(shè)備，且通過光束平差法對攝像設(shè)備及投影設(shè)備進(jìn)行非線性標(biāo)定，并利用完成標(biāo)定后的攝像設(shè)備及投影設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)對該三維成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。通過使用光束平差法能夠有效減小標(biāo)靶誤差對三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定精度的影響，有效提升了標(biāo)定精度，進(jìn)而提高了三維成像系統(tǒng)的精度。進(jìn)一步的，通過使用具有遠(yuǎn)心鏡頭的攝像設(shè)備及具有遠(yuǎn)心鏡頭的攝像設(shè)備，由于遠(yuǎn)心鏡頭能夠?qū)崿F(xiàn)精密測量，特別適用于具有一定深度和厚度，且孔的半徑成臺階狀的物體的測量，因此，能夠進(jìn)一步提高標(biāo)定精度及測量精度。

在本申請所提供的幾個實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的裝置和方法，可以通過其它的方式實(shí)現(xiàn)。例如，以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，例如，所述模塊的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時可以有另外的劃分方式，例如多個模塊或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點(diǎn)，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或模塊的間接耦合或通信連接，可以是電性，機(jī)械或其它的形式。

所述作為分離部件說明的模塊可以是或者也可以不是物理上分開的，作為模塊顯示的部件可以是或者也可以不是物理模塊，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡(luò)模塊上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。

另外，在本發(fā)明各個實(shí)施例中的各功能模塊可以集成在一個處理模塊中，也可以是各個模塊單獨(dú)物理存在，也可以兩個或兩個以上模塊集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以采用硬件的形式實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件功能模塊的形式實(shí)現(xiàn)。

所述集成的模塊如果以軟件功能模塊的形式實(shí)現(xiàn)并作為獨(dú)立的產(chǎn)品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分或者該技術(shù)方案的全部或部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機(jī)軟件產(chǎn)品存儲在一個存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計算機(jī)設(shè)備(可以是個人計算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實(shí)施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質(zhì)包括：u盤、移動硬盤、只讀存儲器(rom，read-onlymemory)、隨機(jī)存取存儲器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。

需要說明的是，對于前述的各方法實(shí)施例，為了簡便描述，故將其都表述為一系列的動作組合，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知悉，本發(fā)明并不受所描述的動作順序的限制，因?yàn)橐罁?jù)本發(fā)明，某些步驟可以采用其它順序或者同時進(jìn)行。其次，本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該知悉，說明書中所描述的實(shí)施例均屬于優(yōu)選實(shí)施例，所涉及的動作和模塊并不一定都是本發(fā)明所必須的。

在上述實(shí)施例中，對各個實(shí)施例的描述都各有側(cè)重，某個實(shí)施例中沒有詳述的部分，可以參見其它實(shí)施例的相關(guān)描述。

以上為對本發(fā)明所提供的一種基于光束平差的遠(yuǎn)心鏡頭三維成像系統(tǒng)的標(biāo)定方法及裝置的描述，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上，本說明書內(nèi)容不應(yīng)該理解為對本發(fā)明的限制。