光栅投影轮廓测量系统的标定方法 (2006年)

提出一种光栅投影测量物体轮廓的新系统，它对投影系统和成像系统没有严格的位置要求，新系统引入摄像机定标技术，在系统搭建时一次完成对成像系统和投影系统的参数标定。通过投影条纹图和成像条纹图的对应关系得到空间投影平面和成像直线的方程，它们的交点就是物体的空间坐标。该方法对系统结构没有平行性和垂直性的要求，也不要求成像系统光轴与投影系统光轴相交于参考面，工程上容易实现。图5，表1，参8。 ### 光栅投影轮廓测量系统的标定方法 #### 摘要及背景介绍 本文介绍了一种光栅投影测量物体轮廓的新系统，该系统能够放宽对投影系统和成像系统的位置要求，通过引入摄像机定标技术，在系统搭建时一次性完成成像系统和投影系统的参数标定。该方法无需系统结构保持严格的平行性和垂直性，也不要求成像系统光轴与投影系统光轴相交于参考面，从而使得系统在工程实践中更容易实现。 #### 测量系统概述 光栅投影测量是一种非线性的测量方法，主要用于获取物体表面三维轮廓的信息。该方法利用投影仪将条纹结构光投射到物体表面，通过变形条纹图像来获取物体表面的三维信息。为了建立测量空间物理坐标与CCD成像面之间的点对点对应关系，需要对系统进行精确标定。 #### 光栅投影测量系统组成 - **投影系统**：负责将特定的光栅图案投射到被测物体表面上。 - **成像系统**（黑白CCD摄像机）：用于捕捉物体表面变形后的光栅条纹图像。 - **图像采集卡**：将摄像机输出的视频模拟信号转换为计算机可处理的数字信号。 - **计算机**：控制整个测量过程，并处理采集到的数据，最终恢复出物体的三维轮廓。 #### 测量原理 测量过程中，通过调节CCD的位置以获取理想的图像，然后固定CCD。投影仪投射设计好的光栅图，由CCD分别摄取放置物体前后两幅图像。通过分析这些图像中的变形条纹，结合投影仪和摄像机的位置信息，可以确定物体上每个点的空间坐标。 #### 关键技术——CCD摄像机参数的标定 CCD摄像机参数标定是确保测量准确性的关键步骤。主要包括以下几个方面： - **内部参数**：涉及摄像机自身的几何和光学特性，如有效焦距、像素大小等。 - **外部参数**：包括摄像机相对于世界坐标系的位置和方向。 - **图像畸变校正**：消除由于镜头引起的图像扭曲现象。 #### 内部参数标定 内部参数标定主要包括： - **有效焦距f**：图像平面与光学中心之间的距离。 - **像素尺寸**：通常以μm表示，用于量化每个像素的实际物理尺寸。 - **主点偏移**：图像中心点（光学中心在图像上的投影）相对于图像坐标系原点的偏移量。 #### 外部参数标定 外部参数标定包括确定摄像机相对于世界坐标系的位置和方向，这涉及到以下步骤： - **位置参数**：摄像机中心在世界坐标系中的三维坐标。 - **方向参数**：描述摄像机光轴方向的向量。 #### 图像畸变校正 常见的图像畸变类型包括径向畸变和切向畸变，校正这些畸变对于提高测量精度至关重要。可以通过数学模型来描述这些畸变，并在软件中进行补偿。 #### 投影仪光心位置标定 除了摄像机参数标定外，还需要准确标定投影仪光心的位置，以确保测量结果的准确性。这通常涉及到对投影仪与摄像机相对位置的调整，以满足测量需求。 #### 结论 本文提出的方法通过引入摄像机定标技术简化了系统的搭建和标定过程，降低了对系统结构的要求，使得该光栅投影轮廓测量系统在实际应用中更加灵活和实用。通过精确标定摄像机参数以及投影仪光心位置，可以有效地获取物体表面的三维轮廓信息，为工业检测、三维重建等领域提供了有力的技术支持。