相對位姿參數(shù)的標(biāo)定方法、裝置和確定三維形狀的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及=維形狀測量領(lǐng)域，特別設(shè)及一種相對位姿參數(shù)的標(biāo)定方法、裝置和 用于確定=維形狀的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在多個技術(shù)領(lǐng)域中，存在大量需要確定物體的=維形狀的需求，例如:機械工程、 建筑、汽車、采礦、口腔科等。待測量的物體的形狀是各種各樣的，并不規(guī)范。運就為準(zhǔn)確測 量各個維度的形狀帶來了難度。
[0003] 利用投影器投射出的結(jié)構(gòu)光和數(shù)字相機來恢復(fù)=維空間中的幾何模型是實現(xiàn)= 維成像的一種重要的技術(shù)手段，是一種使用數(shù)字相機進行測量對象物的照相攝影并用計算 機進行圖像處理，W非接觸方式計算出測量對象物表面的=維形狀的方法。下文簡稱該過 程為結(jié)構(gòu)光=維成像。
[0004] 結(jié)構(gòu)光=維成像的原理是利用投影器投射出的可識別的圖案和光學(xué)=角測量關(guān) 系交會得到空間點的=維坐標(biāo)。在上述過程中，事先確定構(gòu)成=角測量的設(shè)備之間嚴(yán)格的 相對位置和姿態(tài)（W下簡稱位姿)關(guān)系，是實現(xiàn)=角成像的前提條件，故具有重要的實際意 義。
[000引現(xiàn)有的基于結(jié)構(gòu)光的=維成像系統(tǒng)主要包括兩類:一類是結(jié)構(gòu)光只用于為相機提 供光學(xué)圖案，而是使用兩臺相機立體觀測運些圖案實現(xiàn)交會測量和建模。此類結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)， 只需要標(biāo)定兩臺相機之間的相對位姿關(guān)系，而不需要嚴(yán)格標(biāo)定相機與結(jié)構(gòu)光光源或投影器 之間的相對位姿關(guān)系；另一類是結(jié)構(gòu)光不僅需要提供光學(xué)圖案，還需要提供交會的光線方 向。在運類系統(tǒng)中需要標(biāo)定結(jié)構(gòu)光投影器與相機之間的相對位姿關(guān)系。目前現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)光 投影器與相機之間的相對位姿關(guān)系標(biāo)定必須要提供足夠的平面或者空間控制信息，即需要 建立一個二維或者=維的控制場，并在此控制場的基準(zhǔn)坐標(biāo)系中分別確定投影器和相機的 空間絕對位姿，然后再利用運兩個空間方位計算投影器和相機之間的相對位姿。
[0006] 在上述結(jié)構(gòu)光投影器與相機之間的相對位姿關(guān)系的標(biāo)定過程中，構(gòu)建二維或者= 維的控制場是一個復(fù)雜的過程，且增加了=維形狀測量的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種相對位姿參數(shù)的標(biāo)定方法、裝置和用于確定=維形狀的裝置，用 W解決現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)光投影器與相機之間的相對位姿關(guān)系的標(biāo)定過程中，構(gòu)建二維或者=維 的控制場比較復(fù)雜導(dǎo)致=維形狀測量的困難的問題。
[0008] 本發(fā)明的實施例提供一種結(jié)構(gòu)光投影器與相機的相對位姿參數(shù)的標(biāo)定方法，包 括:計算獨立參數(shù)巧《，K，by，bz;利用一維控制信息W及獲得的參數(shù)《，K，by，bz來求得 基線分量Tx;確定S維空間中的剛體變換模型(R，T);
[0009] 可選的，所述計算獨立參數(shù)A CO，K，by，bz，具體包括:將線性和非線性參數(shù)分離，基 于POWell捜索進行求解，得到獨立參數(shù)轉(zhuǎn)O，K，by，bz;
[0010] 可選的，所述將線性和非線性參數(shù)分離，基于powell捜索進行求解，得到獨立參數(shù) A O，K，by，bz，具體包括：
[0011] S1501、任意設(shè)定待求角元素初值戶W CO W，kW ;
[0012] S1502、進入化well捜索，然后按照捜索規(guī)則尋找目標(biāo)函數(shù)極小值，并在第k次捜索 中，將0W, O W 代入(5)式by(xSv3-fSvi)-bz(xSv2-ySyi) = (ySv3-fSv2)構(gòu)成超定線性方 程組，利用線性最小二乘方法計算byW，bzW;
[001引 S 1 5 0 3、將知"，CO…，K ( k )，b y ( k )，b Z…代入最小二乘的目標(biāo)函數(shù) 巧 min巧妍化二藝[D(-r;，J引/.、) + /),(x/Vv;' I /")]，計算當(dāng)前的目標(biāo)函數(shù)值； 古=1
[0014] S1504、重復(fù)上述步驟S1502和S1503,直至在捜索過程中妍CO，K的變化量小于某個 提前預(yù)設(shè)的極小值；
[0015] 可選的，所述利用獲得的參數(shù)巧《，K，by，bz來求得基線分量Tx,具體包括：
[0016] 提供一個標(biāo)準(zhǔn)尺;確定標(biāo)準(zhǔn)尺的全尺尺寸;利用獲得的參數(shù)稱《，K，by，bz來計算 標(biāo)準(zhǔn)尺的模型尺寸;計算模型與歐式空間的比例系數(shù);求得基線分量Tx;
[0017] 可選的，所述標(biāo)準(zhǔn)尺包括帶有刻度且具有足夠高精度的標(biāo)準(zhǔn)尺，例如，該精度可W 為0.01mm或更高；
[0018] 所述確定標(biāo)準(zhǔn)尺的全尺尺寸，具體包括：
[0019] 利用數(shù)字相機及其一維的直接線性變換模型，確定標(biāo)準(zhǔn)尺的全尺尺寸；
[0020] 所述利用獲得的參數(shù)奶《，K，by，bz來計算標(biāo)準(zhǔn)尺的模型尺寸，具體包括：
[0021] 利用數(shù)字相機和投影器W及獲得的參數(shù)巧，《，K，by，bz來計算標(biāo)準(zhǔn)尺的模型尺寸；
[0022] 所述計算模型與歐式空間的比例系數(shù)，具體包括：
[0023] 根據(jù)物理距離和模型距離之比，計算模型與歐式空間的比例系數(shù)；
[0024] 可選的，所述利用數(shù)字相機和投影器W及獲得的參數(shù)妍CO，K，by，bz來計算標(biāo)準(zhǔn)尺 的模型尺寸，具體包括：
[0025] S2301、將標(biāo)準(zhǔn)尺置于數(shù)字相機和投影器的公共視場中，并使標(biāo)準(zhǔn)尺的長邊方向與 結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的基線方向近似垂直；
[0026] S2302、利用計算機生成一幅只包含一條直線的結(jié)構(gòu)光投影圖像，并通過投影器投 射至場景空間中，并使該直線能夠與標(biāo)準(zhǔn)尺的兩個短邊相交；
[0027] S2303、利用數(shù)字相機拍攝場景圖像，并在攝影圖像中確定與標(biāo)準(zhǔn)尺相交的兩個坐 標(biāo)始茄)帝的，掛；
[0028] S2304、根據(jù)核線約束原理，確定（xi，yi)和（X2，y2)兩個點在投影圖像中對應(yīng)的圖 像點坐標(biāo)(卻，乂）和的，若）;
[0029] S2305、利用上述獲得的參數(shù)巧CO，K，l，by，bzW及投影器和相機的內(nèi)定向模型參 數(shù)，根據(jù)前方交會公式，計算兩個特征點的坐標(biāo)(Xi，yi，Zi)和(X2，y2，Z2);
[0030] S2306、計算模型尺寸：
[0031 ] L' = -x,f+ (>', -J%)' + (z, -z,)'
[0032] S2307、W每隔0.5度的偏移量逐步改變結(jié)構(gòu)光投影圖像中直線的方向，來重復(fù)第 S2302步到第S2307步，直至找到一個數(shù)值最小的L'的值。
[0033] 另一方面，本發(fā)明的實施例還提供一種相對位姿參數(shù)的標(biāo)定裝置，包括：
[0034] 參數(shù)計算單元，用于計算獨立參數(shù)狹CO，K，by，bz;基線分量獲得單元，用于利用獲 得的參數(shù)換《，K，by，bz來求得基線分量Tx;剛體變換模型確定單元，用于確定S維空間中的 剛體變換模型(RJ);
[003引可選的，所述參數(shù)計算單元包括參數(shù)分離單元和捜索求解單元;所述參數(shù)分離單 元用于將線性和非線性參數(shù)分離，所述捜索求解單元用于基于powell捜索進行求解；
[0036] 可選的，所述基線分量獲得單元，包括:全尺尺寸確定單元，其用于確定標(biāo)準(zhǔn)尺的 全尺尺寸;模型尺寸計算單元，其用于利用獲得的參數(shù)錢《，K，by，bz來計算標(biāo)準(zhǔn)尺的模型 尺寸；比例系數(shù)計算單元，其用于計算模型與歐式空間的比例系數(shù)W及用于求得基線分量 Tx;
[0037] 本發(fā)明的實施例還提供了一種用于確定=維形狀的裝置，包括如上述任一所述的 相對位姿參數(shù)的標(biāo)定裝置，還包括用于根據(jù)所述剛體變換模型(R，T)來進行=維成像計算 的=維成像單元。
[0038] 本發(fā)明的實施例提供的相對位姿參數(shù)的標(biāo)定方法、裝置和用于確定=維形狀的裝 置，提出了一種只利用一維控制信息實現(xiàn)投影器與數(shù)字相機之間相對位姿關(guān)系的標(biāo)定方 法、裝置和用于確定=維形狀的裝置。所述相對位姿參數(shù)的標(biāo)定方法包括:計算獨立參數(shù)供 ?，K，by，bz;利用一維控制信息W及獲得的參數(shù)狹《，K，by，bz來求得基線分量Tx;確定立維 空間中的剛體變換模型(R，T)。本發(fā)明的實施例只利用一維控制信息即可實現(xiàn)投影器與數(shù) 字相機之間相對位姿關(guān)系的標(biāo)定，不需要建立?？诘目刂茍?，在實現(xiàn)方法的簡易性上具有 優(yōu)勢。本發(fā)明的實施例只使用少量空間點完成投影器與數(shù)字相機相對位姿標(biāo)定的方法，可 通過相對標(biāo)準(zhǔn)化的算法獲得穩(wěn)定的計算結(jié)果，相對于傳統(tǒng)方法具有明顯優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明的實施例提供的結(jié)構(gòu)光投影器與相機的相對位姿參數(shù)的標(biāo)定方法 中，投影器和數(shù)字相機的坐標(biāo)系與相對位姿的示意圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明的實施例提供的結(jié)構(gòu)光投影器與相機的相對位姿參數(shù)的標(biāo)定方法 中，同名光線共面條件的示意圖；
[0041] 圖3為本發(fā)明的實施例提供的結(jié)構(gòu)光投影器與相機的相對位姿參數(shù)的標(biāo)定方法的 第一種流程圖；
[0042] 圖4為本發(fā)明的實施例提供的結(jié)構(gòu)光投影器與相機的相對位姿參數(shù)的標(biāo)定方法的 第二種流程圖；
[0043] 圖5為本發(fā)明的實施例提供的結(jié)構(gòu)光投影器與相機的相對位姿參數(shù)的標(biāo)定方法的 第二種流程圖；
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