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专利名称：条纹反射三维测量的系统几何标定方法
技术领域：
本发明涉及具有镜面反射特征物体的三维形貌测量，特别是针对条纹反射三维测量的系统几何标定，属于先进光学制造与检测技术领域。
背景技术：
结构光投影获取物体三维面形具有快速全场测量、测量精度较高等优点，已被广泛地应用于漫反射表面的三维测量。针对镜面反射表面的三维测量，根据条纹反射特性，G. Hausler (M. C. Knauerj J. Kaminskij and G. HausIer. Phase measuring deflectometery a new approach to measure specular freeform surfaces, Proc. SPIE, 2004, 5457: 366 376)提出利用相位测量偏折术，利用梯度积分测量镜面面形；M. Petz(M. Petzj R. Tutschj Reflection grating photogrammetry a technique for absolute shape measurement of specular free-form surfaces, Proc. SPIEj 5869， 2005)提出反射光栅摄影测量，采用光线三角交会测量镜面面形。上述两种测量方法的技术难点在于系统几何标定。由于条纹显示装置(例如液晶显示器)上显示的条纹图不直接出现在摄像机的视场范围内，需要利用贴标记点的平面镜完成摄像机与显示装置之间的几何位姿估计，但平面镜上贴的标记点坐标必须事先通过其他精密测量方法测得。很明显，对标记点进行测量会增加测量时间和测量成本。如何进行有效简单的系统几何标定，是条纹反射三维测量的难点之一。

发明内容
为了有效简单的完成条纹反射三维测量系统的几何标定，本文利用平面镜反射条纹显示装置上的条纹图标定摄像机与条纹显示装置的几何位姿，而不需要在平面镜上贴标记点。采用平面镜直接对条纹显示装置上的条纹反射不少于3次并用固定的摄像机接收反射条纹图。首先根据条纹显示装置上条纹特征点在平面镜中的镜像图与其在摄像机成像面的图像坐标，评估摄像机与镜像条纹图之间的位姿关系；然后根据反射投影成像模型两种解释的等效性，即摄像机对平面镜中的镜像条纹成像与平面镜中的虚拟摄像机对条纹显示装置上的条纹成像，根据摄像机与镜像条纹图评估的不少于3个位姿关系，线性解算摄像机与条纹显示装置的位姿；最后利用反射投影成像模型作为代价函数，完成光束法平差优化。


图1为反射投影成像模型
图2条纹显示装置上的条纹特征点分布；
图3，4，5为镜像条纹图的特征点以及重投影分布。其中“ + ”表示镜像特征点；“0”表示线性算法的重投影；“ □”表示光束法平差后的重投影。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。图1描述了条纹反射三维测量的反射投影成像模型。条纹显示装置(以液晶显示器IXD为例)和摄像机的坐标系分别定义为不和足。条纹反射三维测量系统几何标定即确定不和ι Z间的几何关系，一般通过旋转矩阵J 和平移矢量Γ表示。反射投影成像模型可以简述为首先，将LCD转换到摄像机坐标系下；然后将LCD对平面镜镜像；最后，其镜像在摄像机成像面成像。LCD上的特征卢‘ 关于平面镜的镜像点/的齐次坐标数学表述为
权利要求
1.一种用于条纹反射三维测量的系统几何标定方法，其特征在于标定摄像机与不直接在其视场范围内的条纹显示装置(例如液晶显示器)之间的几何位姿关系；利用平面镜对条纹显示装置上显示的二维正弦条纹反射不小于3次，固定的摄像机对平面镜中条纹的镜像成像并记录；根据条纹显示装置上条纹特征点坐标和其成像点的图像坐标，标定摄像机与条纹显示装置之间的几何位姿关系。
2.根据权利1要求所述的二维正弦条纹，其特征在于二维条纹图像的形式由计算机编写程序，其图像的像素大小与条纹显示装置的分辨率一致，将其显示在条纹显示装置的显示屏上；结合设计条纹图的方程和条纹显示装置的点间距，可以构建平面相位标靶。
3.根据权利1要求所述图像特征点，其特征在于利用傅里叶分析处理摄像机记录的条纹图，获取包裹相位，取其零相位点为特征点，并根据相位的线性特征进行图像特征点的亚像素定位。
4.根据权利1要求所述的平面镜，其特征在于平面镜一块，不需要在其上面贴上任何标记点。
5.根据权利1要求所述的摄像机与不直接在其视场范围内条纹显示装置之间的几何位姿关系标定，其特征在于根据不小于3次反射投影成像的条纹图记录，利用平面多点位姿评估算法，解算摄像机与平面镜中条纹显示装置上条纹镜像之间的3个或3个以上的位姿关系；利用3个或3个以上的位姿关系线性求解摄像机与条纹显示装置的几何位姿关系； 最后利用光束法平差优化标定结果。
全文摘要
本发明公开了一种用于条纹反射三维测量的系统几何标定方法。它涉及具有镜面反射特征物体三维形貌测量中的系统几何标定问题。由于条纹显示装置不直接出现在摄像机的视场范围内，常规的系统几何标定过程采用在平面镜上贴标记点的方法完成。但是，标记点的物理坐标需要通过其他精密测量手段预先测得。为了解决这个问题，本发明采用的方案是，不需要在平面镜上贴标记点，利用平面镜对条纹显示装置上的条纹反射三次，通过对条纹特征点和其成像点的坐标进行分析并线性解算，完成系统几何标定的初始值评估；然后利用光束法平差对评估结果进行优化，得到最终的系统几何标定结果。本发明具有简单、灵活的优点，只需要一块大小适中的平面镜，就可以完成条纹反射三维测量的系统几何标定。为基于条纹反射三维测量方法，如相位测量偏折术、条纹反射摄影测量等，提供了一种有效的系统标定手段，具有广阔的应用前景。
文档编号G01B11/25GK102564348SQ201210000098
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月3日 优先权日2012年1月3日
发明者刘元坤, 向立群, 张启灿, 曹益平, 肖永亮, 苏显渝, 陈文静 申请人:四川大学