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为了实现结构光三维成像系统参数的简易、快速标定,提出一种利用单应矩阵获取大量标定数据的方法,步骤如下:获取立体标靶上左右两侧矩形框角点的图像坐标和对应的世界坐标,分别计算左右两侧靶面从图像坐标变换到世界坐标的单应矩阵;将图像中立体标靶矩形框内所有的像素点应用到计算出的单应矩阵中,得到与之对应的世界坐标;利用图像中立体标靶的靶面上几乎所有像素点的图像坐标和对应世界坐标来执行三维成像系统的标定。设计了一种与该标定方法相对应的立体标靶,基于该立体标靶对结构光三维成像系统进行标定,并利用标定后的系统进行实验。实验结果表明,该标定方法具有较高的标定精度,重建的三维点云图具有很好的视觉效果。该标定方法过程简单,可降低标定成本,具有实际应用价值。
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第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
,
年
月
,
一种结构光三维成像系统的简易标定方法
张 翰
,
包 国 琦
,
刘 凯
四川大学电气工程学院
,
四川 成都
;
广东省公安厅
,
广东 广州
摘要
为了实现结构光三维成像系统参数的简易
、
快速标定
,
提出一种利用单应矩 阵获 取大量 标定 数据的 方法
,
步
骤如下
:
获取立体标靶上左右两侧矩形框角点的图像坐 标和 对 应的 世界 坐 标
,
分 别计 算左 右 两侧 靶面 从 图像 坐标
变换到世界坐标的单应矩阵
;
将图像中立体标靶矩形框 内所 有 的像 素点 应 用到 计算 出 的单 应矩 阵 中
,
得 到与 之对
应的世界坐标
;
利用图像中立体标靶的靶面上几乎所有像素点的图像坐标和对应世界 坐标 来执行 三维 成像系 统的
标定
.
设计了一种与该标定方法相对应的立体标靶
,
基 于该 立体 标 靶对 结构 光 三维 成像 系 统进 行标 定
,
并 利用 标
定后的系统进行实验
.
实验结果表明
,
该标定方法具有较高的标定精度
,
重建的三 维点 云图具 有很 好的视 觉效 果
.
该标定方法过程简单
,
可降低标定成本
,
具有实际应用价值
.
关键词
成像系统
;
结构光系统
;
标定数据
;
单应矩阵
;
三维测量
中图分类号
文献标识码
doi
:
/
Sim
p
leCalibration MethodforThreeGDimensionalIma
g
in
g
S
y
stem
withStructuredLi
g
ht
Colle
g
eo
f
ElectricalEn
g
ineerin
g
SichuanUniversit
y
Chen
g
du
Sichuan
China
Guan
g
don
g
ProvincialPublicSecurit
y
De
p
artment
Guan
g
zhou
Guan
g
don
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
修回日期
:
;
录用日期
:
基金项目
:
国家自然科学基金
(
)、
四川省科技厅重点研发项 目
(
)、
成都 市科 技局重 点研 发支撑 计划
(
)、
四川大学自贡市校地科技合作重点研发项目
(
)
EGmail
:
激 光 与 光 电 子 学 进 展
引
言
结构光系统以其非接触
、
高效率
、
高精度等优点
成为重要的三维成像技术
[
]
,
并被广泛应用于逆向
工程
[
]
、
医学建模
[
]
、
在线检测
[
]
、
三维生物识别
[
]
等领域
.
结构光系 统通常由 摄 像机
、
投影仪和 计 算
机组成
.
投 影 仪 将 编 码 图 案 图 像 投 影 到 目 标 的 表
面
,
摄像机捕获目标物 体 变形的图 案
.
通过对捕 获
的图像进行解码
,
可以在摄 像 机和投影 仪 之间建立
对应关系
.
基于该 对应关系
,
可通过三 角 测量原理
对目标物体进行测量和 三维重建
[
]
.
摄像机和投
影仪的标定是结构 光系统至 关 重要的环 节
,
其标定
精度决定结构光系统的测量精度和三维重建效果
.
摄像 机的标定问 题已经得到 了广泛的研 究
,
标
定技术相对成熟
.
[
]
利用精确 制 造的三维 标
靶来对摄 像 机 进 行 标 定
.
[
]
提 出 经 典 的 两 步
法
,
将标定目 标 简化为二 维
.
[
]
利用二维 棋
盘格标定板实现了 对摄像机 的 校准
,
其所用的 棋 盘
格可以 放 置 成 任 意 姿 态
.
此 外
,
还 可 通 过 自 标 定
法
[
]
等对摄像机进行标定
.
投影 仪与摄像机 不同
,
投影仪自身不能捕 捉图像
,
研究人员 不 能直接获 取
目标物体的空间坐标与其映射到投影仪空间坐标的
关系
,
故投影仪的标定 问 题相对复 杂
.
基于基准 面
的标定技术
[
]
易于计算相位到深度 的转换
,
但是基
准面需要具 有 较 高 的 表 面 平 坦 度 和 良 好 的 光 学 特
性
,
可以通过各种优 化 技术解码 投 影仪投影 图 案的
编码 深 度 信 息 来 解 决 基 于 参 考 平 面 校 准 的 局 限
性
[
]
.
基于 投 影 仪 视 为 反 摄 像 机 的 概 念
,
等
[
]
利用投影仪捕捉图像
(
像摄像机一样
),
使用绝
对相位将摄 像 机 成 像 平 面 内 的 像 素 点 映 射 到 投 影
仪
.
该技术需要利用水平和垂直图案来定位二维投
影仪的像素坐标
.
通过已经得到的映射关系还可创
建出投影仪的目标 图像
,
从而实现 利 用成熟的 摄 像
机校准算法来校 准 投影仪
.
在此技术 基 础上
,
研究
人员提出了 一 系 列 不 同 的 技 术
,
包 括 线 性 插 值
[
]
、
光束平差 法
[
]
、
残 差 补 偿
[
]
等
.
在 大 多 数 结 构 光
系统的标定方法中
,
研究人员 会 将摄像机 的 标定和
投影仪的标定分 为 两个步骤
,
过程复杂 且 耗时
.
制
作标靶的费用昂贵
,
经济实用性较差
.
此外
,
投影编
码图案到被测物体 时 的反射光 是 求解相位 的 依据
,
需由摄像机准确获 取
,
故某些高 精 度标靶材 料 并不
适用于投影仪的标定
.
二维标靶在投影仪标定环节
需 要 摄 像 机 采 集 大 量 的 编 码 图 案
,
例 如
:
利 用
[
]
的棋盘格需要在每个姿态下采集大量的编
码图片来进行相位 解码
,
且采集图 片 时需要将 姿 态
固定
,
不适用于现场投 影 仪标定
.
采用传统 方 案得
到的校准数据的数 量非常少
,
在获取标 靶 点的过程
中也易受环境等因素的影响
.
针对 以上问题
,
本文提出一 种结构光三 维成像
系 统 的 简 易 标 定 方 法
.
以 相 位 测 量 轮 廓 术
(
)
[
]
为 基 础
,
设 计 了 一 个 适 合 现 场 标 定 的 标
靶
.
该方法通过标靶得到矩形框角点的图像坐标和
对应的世界坐标
,
从而获得 像 平面到空 间 平面的单
应 矩 阵
.
通 过 内 在 的 约 束 条 件 用
算法
[
]
来优 化参数
,
减小原始 采 集 图 像
点误差和摄像机畸变效应带来的误差
.
根据设计标
靶的特性
,
采用单应 矩 阵获取矩 形 框内其他 像 素点
的图像坐标和对应 的世界坐 标
,
并对三维 成 像系统
进行标定
.
本文方 法能够获 取 大量的校 准 数据
,
保
证系统的校准精度
.
该方法对摄像机和投影仪标定
的过程进行了统一
,
简化了标定步骤
.
基本原理
2.1
摄像机和投影仪模型
摄像机用针孔模型来描述
.
在世界坐标系中某
点的三维坐标向量为
Q
(
X
,
Y
,
Z
)
,
投影到像
平面上的图像坐标向量为
q
(
u
,
v
)
,
二者对应
的齐次向量分别表示为
Q
(
X
,
Y
,
Z
,
)
,
q
(
u
,
v
,
)
.
基于透视投影模型的空间点三维坐标
向量
Q
和摄像机中图像点坐标向量
q
的关系为
s
q
~
=
K
[
R
,
t
]
Q
~
, (
)
式中
:
参数
s
为比例系数
;
M
K
[
R
,
t
],
为摄像
机参数矩阵
;[
R
,
t
]
为摄像机的外参数矩阵
,
表 示
世界坐标系到摄像机坐标系的旋转和平移
;
K
为摄
像机的内参数矩阵
,
即
K
=
f
x
γ c
x
f
y
c
y
é
ë
ê
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
ú
ú
, (
)
其中
f
x
、
f
y
为图像平面坐标轴
u
、
v
方向上的焦距
,
(
c
x
,
c
y
)
为图像的主点
,
γ
为倾斜因子
.
投影仪是将
二维图像映射到三 维空间
,
摄像机则 将 三维场景 映
射到二维图像
,
所以两者 的 光学结构 相 同
.
因此投
影仪系统可被当作 一个相反 光 路的摄像 机 系统
,
投
影仪也可用针孔模型来描述
.
空间点三维坐标
Q
(
X
,
Y
,
Z
,
)
和投影仪中图像点坐标
q
(
u
,
v
,
)
的关系为
s
q
~
=
K
[
R
,
t
]
Q
~
, (
)
式中
:
s
为比例系数
;
M
K
[
R
,
t
]
为投影仪 参
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