[發明專利]應用于高精度三維測量的單目激光散斑投影系統標定及深度估計方法

在審

• 申請號: 202010039819.4
• 申請日: 2020-01-15
• 公開（公告）號: CN111243002A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 劉海波;孫才藝
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06T7/593
• 分類號: G06T7/593;G06T7/521;G06T7/80;G06T5/00;G06K9/62
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

本發明涉及應用于高精度三維測量的單目激光散斑投影系統標定及深度估計方法。解決單目激光散斑投影系統校正不準帶來額外誤差問題。本方法構造無畸變虛擬左相機，并利用平面單應性矩陣計算標準參考左視圖散斑圖像作為標準參考圖像。根據虛擬左相機和參考左視圖散斑圖像，對相機坐標系和相機拍攝的散斑圖像進行校正，得到圖像極線校正轉換矩陣。本發明避免了采用傳感器確定參考圖像深度帶來的額外誤差，采用單相機和激光散斑投射器構造等效雙目系統，降低成本，方法簡單、精度更高。

技術領域

本發明涉及三維測量領域的單目激光散斑投影系統標定和深度估計方法，具體地說是基于單目相機和激光散斑投射器構造等效雙目激光散斑投影系統的系統標定和深度估計方法。

背景技術

基于結構光原理的散斑投影系統，是一種近年來應用廣泛的深度信息估計方法，具有測量范圍大、結構簡單、速度快、精度高等優點。激光器產生的激光，經過散斑光柵，可以在空間形成具有高度隨機性的散斑。利用這一特征，可以對整個空間進行標記，進而利用立體視覺的理論與方法實現標記空間的深度感知。根據相機數量，激光散斑投影系統可分為雙目激光散斑投影系統和單目激光散斑投影系統。

雙目激光散斑投影系統，是激光散斑投影系統的最常用的一種。傳統的雙目視覺方法，無法測量表面缺乏紋理的空間物體，且易受環境光的干擾。將散斑投影引入雙目立體視覺系統，可以為待測空間增加豐富的特征點，極大的增強雙目立體視覺系統的穩定性和適應性，提高測量精度。

單目激光散斑投影系統，只用一個相機和一個激光散斑投射器，即可實現空間三維信息感知。相對于雙/多目激光散斑投影系統，單目激光散斑投影系統更簡潔、成本更低。單目激光散斑投影系統的典型應用是2011年美國微軟公司推出的Kinect紅外散斑場景傳感系統。發明人在其專利（專利號US8150142B2）中將深度的測量描述為三角測量過程。

設參考平面上一個斑點與傳感器的距離為，投影至物體表面上為點，點與傳感器的距離為。如果將物體移近傳感器（或遠離傳感器），則斑點在圖像平面上的位置將在方向上移動。移動的偏移量為點對應的視差。根據三角形的相似性：

(1)

(2)

其中，是基線長度，是紅外相機的焦距，是點在物體空間中方向的位移，是觀察到的圖像空間中的視差。將從（2）代入（1）并用其他變量表示，得出：

(3)

分析Kinect紅外散斑場景傳感系統的標定和測量過程，其不足主要在于：參考平面距離校正不準帶來額外誤差；由于安裝精度導致圖像軸方向與基線方向存在不可避免的偏差；基線長度校準存在誤差等。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：針對現有的單目激光散斑投影系統存在的不足，提出了基于單目激光散斑投影系統的系統標定和深度估計的新方法：利用單目相機和激光散斑投射器構造等效雙目激光散斑投影系統，通過計算得到相機和圖像的校正轉換矩陣，以及標準參考圖像；根據雙目立體匹配原理進行深度估計和物體三維數據測量。

本發明的技術方案主要包括以下步驟：

第一步，裝置安裝，采集標定圖像

安裝相機與激光散斑投射器；制作棋盤格標定板，在相機視場內固定標定板，打開激光散斑投射器，向標定板投射散斑圖案。調整標定板位置和姿態，利用相機采集幅標定板散斑圖像；其中，第幅為白板散斑圖像，其余為棋盤格散斑圖像。

第二步，標定相機，散斑點檢測

采用張氏標定法標定相機，得到相機內參數、外參數和畸變系數。同時，對幅標定板散斑圖像進行特征點檢測，得到圖像上散斑點的二維坐標。

第三步，同名散斑點匹配