[發(fā)明專利]一種虛擬多球體球心定位的TOF深度相機(jī)三維坐標(biāo)標(biāo)定裝置和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410650844.0
• 申請日: 2014-11-15
• 公開（公告）號: CN104316083B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 敖磊;劉永奇;董鑫;熊勝軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電研究院
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01M11/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司11251
• 代理人: 成金玉,孟卜娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)計(jì)量及標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種虛擬多球體球心定位的無掃描激光三維TOF(Time-of-Flight)深度相機(jī)的標(biāo)定裝置和方法。

背景技術(shù)

隨著光學(xué)測量和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的日益改進(jìn)和提升，先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品需求的多樣化對復(fù)雜物體表面的三維形貌信息的測量需求不斷增長。作為新一代的光學(xué)三維測量技術(shù)，TOF深度相機(jī)能夠?qū)崟r獲取空間目標(biāo)的灰度信息及每個像素點(diǎn)對應(yīng)的深度信息，具有實(shí)時性好、測量精度適中、體積小、重量輕等優(yōu)勢，被迅速應(yīng)用于移動機(jī)器人的導(dǎo)航和地圖創(chuàng)建、空間探測機(jī)器人、工業(yè)加工制造等領(lǐng)域。

為了消除由于空間坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系之間的不一致性引起的系統(tǒng)誤差，三維坐標(biāo)標(biāo)定是TOF深度相機(jī)進(jìn)行高精度光學(xué)三維測量中至關(guān)重要的一步，主要是通過獲取標(biāo)準(zhǔn)物體目標(biāo)的三維空間特征參數(shù)，進(jìn)而求得TOF深度相機(jī)三維測量坐標(biāo)到空間坐標(biāo)的坐標(biāo)變換關(guān)系完成三維坐標(biāo)的標(biāo)定。因而，選取的標(biāo)準(zhǔn)物體的空間位置及形狀參數(shù)的高精度提取和識別是TOF深度相機(jī)進(jìn)行高精度三維測量的重要保證，并且TOF深度相機(jī)標(biāo)定使用的目標(biāo)應(yīng)當(dāng)充滿整個視場，才能得到TOF深度相機(jī)視場中心和邊緣的三維坐標(biāo)標(biāo)定結(jié)果，由此產(chǎn)生了各種對三維成像相機(jī)的標(biāo)定方法，主要有以下兩類：

(1)基于平面標(biāo)志物的三維坐標(biāo)標(biāo)定方式，如采用棋盤格的標(biāo)定方式(1.Zhengyou,Zhang.A flexible new technique for camera calibration.Technical Report MSR-TR-98-71,Microsoft Research.1998.2.李興東，陳超，李滿天，孫立寧.飛行時間法三維攝像機(jī)標(biāo)定與誤差補(bǔ)償.機(jī)械與電子.2013(11):37-40；3.潘華東.飛行時間法無掃描三維成像攝像機(jī)的機(jī)理和特性研究.浙江大學(xué)博士學(xué)位論文.2010.04；4.專利201210021469.4“基于TOF深度相機(jī)的三維注冊方法”；5.Young Min Kim,Derek Chan,Christian Theobalt,Sebastian Thrun.Design and Calibration of a Multi-view TOF Sensor Fusion System.Computer Vision and Pattern Recognition Workshops,2008.CVPRW’08.IEEE Computer Society Conference.June 23-28,2008.Anchorage,AK；6.Stefan Fuchs,Gerd Hirzinger.Extrinsic and Depth Calibration of TOF-cameras.Computer Vision and Pattern Recognition,2008.CVPR 2008.IEEE Conference.June 23-28,2008.Anchorage,AK；7.Sung-Yeol Kim,Woon Cho,Andreas Koschan,and Mongi A.Abidi.Depth Data Calibration and Enhancement of Time-of-flight Video-plus-Depth Camera.Future of Instrumentation International Workshop(FIIW).November 7-8,2011.Oak Ridge,TN；8.Marvin Lindner,Ingo Schiller,Andreas Kolb,Reinhard Koch.Time-of-Flight Sensor Calibration for Accurate Range Sensing.Computer Vision and Image Understanding.2010(114):1318-1328；9.Miles Hansard,Radu Horaud,Michel Amat,Georgios Evangelidis.Automatic Detection of Calibration Grids in Time-of-flight Images.Computer Vision and Image Understanding.2014(121):108-118)，或采用圓點(diǎn)陣列的標(biāo)定方式(1.蔡琿.視覺測量中的攝像機(jī)標(biāo)定與三維重建方法研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.2013.07；2.Jiyoung Jung,Yekeun Jeong,Jaesik Park,Hyowon Ha,James Dokyoon Kim,and In-So Kweon.A Novel 2.5D Pattern for Extrinsic Calibration of ToF and Camera Fusion System.2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.September 25-30,2011.San Francisco,CA,USA；3.Frederic Garcia,Djamila Aouada,Bruno Mirbach,andOttersten.Real-Time Distance-Dependent Mapping for a Hybrid ToF Multi-Camera Rig.IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN SIGNAL PROCESSING,2012.6(5):425-436)，這些方法對多個角度放置的黑白相間平面棋盤格圖形(或圓點(diǎn)陣列圖形)進(jìn)行多次拍攝，然后計(jì)算棋盤格的不同角度位置處的各個角點(diǎn)位置(或圓點(diǎn)陣列各個圓點(diǎn)中心位置)，再根據(jù)空間坐標(biāo)變換關(guān)系實(shí)現(xiàn)對TOF深度相機(jī)的標(biāo)定，該方法標(biāo)定精度較高，應(yīng)用較為廣泛，但該方法采集次數(shù)多，每次數(shù)據(jù)處理過程較復(fù)雜，并且對多個角點(diǎn)的提取誤差將直接累積到最終的標(biāo)定結(jié)果中，標(biāo)定精度難以進(jìn)一步提高，進(jìn)而直接影響TOF深度相機(jī)的三維測量精度；