结构光系统标定方法、装置、结构光系统及存储介质与流程

1.本发明涉及一种结构光系统标定方法、装置、结构光系统、计算机设备及存储介质，属于工业三维光学测量领域。


背景技术：

2.现如今，由于工业生产和制造水平的快速发展，中国对于工业零部件的自动化生产和加工质量提出了更高的要求，这就需要对工业零部件的外形轮廓进行更为精密的测量。作为一种新兴的快速测量方法，基于光栅投影的三维测量技术在实际应用中发展迅速，为数字化三维设计领域提供了新的技术途径。
3.标定板作为系统标定必不可少的工具，绝大多数基于平面标定板的系统标定虽然考虑了在相机视场内变换不同位姿进行标定，但未能考虑对视场空间的标定，并且需要人为频繁改变标定板位姿，操作繁琐。
4.系统标定主要涉及相机标定和投影仪标定，对于基于条纹投影的单目结构光系统是至关重要的，他决定了相位如何转换为三维几何表示，近年来出现了许多相关的标定方法和研究。作为两种主流的单目结构光标定方法，传统的逆相机法和八参数标定法都需要大量的条纹图像进行相位计算，操作复杂，且测量准确性和实现细节仍然有待提高和完善。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种结构光系统标定方法、装置、结构光系统、计算机设备及存储介质，其提出的多频异步相移算法提高了三维测量抗噪能力，针对工业电路板等轮廓复杂的物体可实现高效率、高精度的自动化标定，设计的标定块保证了对整个视场空间的覆盖，减少了标定图像数量，且有效避免人为操作带来的误差。
6.本发明的第一个目的在于提供一种结构光系统标定方法
7.本发明的第二个目的在于提供一种结构光系统标定装置。
8.本发明的第三个目的在于提供一种结构光系统。
9.本发明的第四个目的在于提供一种计算机设备。
10.本发明的第五个目的在于提供一种存储介质。
11.本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
12.一种结构光系统标定方法，所述方法包括：
13.获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像，所述五频异步相移光栅条纹包括五种频率的正弦光栅条纹和一副白光图像；
14.根据柱体标定块图像，对相机进行标定，并利用多频异步相移算法对投影仪进行标定，得到相机和投影仪的相关参数，所述五频异步相移光栅条纹中，主频光栅条纹采用四步相移，其余四种频率光栅条纹采用三步相移。
15.进一步的，所述根据柱体标定块图像，对相机进行标定，并利用多频异步相移算法对投影仪进行标定，得到相机和投影仪的相关参数，具体包括：
16.利用柱体标定块图像进行相机标定，得到相机的内参、外参、畸变系数以及重投影误差，并保存每个柱体标定块上的圆点位置信息；
17.利用多频异步相移算法，计算出柱体标定块图像的绝对相位值，并根据每张图像的圆点位置和绝对相位图计算出每个圆点对应的投影仪像点坐标，根据投影仪像点坐标与柱体标定块圆点世界坐标的对应关系，计算投影仪的内参、外参、畸变系数以及重投影误差。
18.进一步的，所述五频异步相移光栅条纹中的主频光栅条纹为f1，其余四种频率光栅条纹分别为f2、f3、f4和f5；
19.所述利用多频异步相移算法，计算出柱体标定块图像的绝对相位值，并根据每张图像的圆点位置和绝对相位图计算出每个圆点对应的投影仪像点坐标，具体包括：
20.利用四步相移算法计算主频光栅条纹f1的主值相位，计算公式如下：
[0021][0022]
其中，为待计算的目标相位，in(x,y)为光栅图像任意一点(x,y)的实际光强值；
[0023]
针对其余四种频率光栅条纹f2、f3、f4、f5的主值相位提取，通过三步相移算法计算，计算公式如下：
[0024][0025]
根据不同相移算法获取的主值相位，并通过五频外差算法计算主频光栅条纹f1的绝对相位，计算公式如下：
[0026]
当时，计算公式为：
[0027][0028]
当时，计算公式为：
[0029]
[0030]
其中，和φ1分别为主频光栅条纹f1对应的主值相位和展开相位值，和φ2分别为光栅条纹f2对应的主值相位和展开相位值，m
12
为主频光栅条纹f1和光栅条纹f2合成的虚拟叠栅条纹对应的条纹级数，floor(
·
)为向下取整；
[0031]
利用相位展开算法，计算出具有垂直条纹图像的绝对相位图φv(x,y)，若投影仪的分辨率为h
p
×wp
，投影图案的条纹数为nv，则相机像素(x,y)
t
对应于投影仪平面上的一条垂直线，坐标如下：
[0032][0033]
利用水平条纹图像中提取的绝对相位图，在投影仪平面上找到一条水平线的坐标，如下：
[0034][0035]
其中，φh(x,y)为具有水平条纹图像的绝对相位图，nh为投影条纹的水平条纹数。
[0036]
进一步的，所述柱体标定块包括三个标定面，其中一个标定面为主标定面，另外两个标定面为侧标定面，每个标定面有9行11列共计99个白色圆形，其中包含94个直径为2.5mm的小圆和5个直径为5mm的大圆，且标定面背景色为黑色；
[0037]
所述主标定面相对于参考面水平放置，两个侧标定面根据相机景深和柱体标定块的标定面长度设置倾斜特定角度，如下式：
[0038][0039]
其中，为相机景深，l为柱体标定块的标定面长度。
[0040]
进一步的，所述获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像之前，还包括：
[0041]
使柱体标定块沿x轴方向、y轴方向水平移动，调节相机、投影仪高度、相对位置以及镜头焦距，使投影仪投射的五频异步相移光栅条纹能覆盖柱体标定块的标定面。
[0042]
进一步的，所述方法还包括：
[0043]
根据应用场景下的相机外参和投影仪外参，计算出相机和投影仪之间的相对位姿；
[0044]
根据相机和投影仪之间的相对位姿以及几何模型映射，获取三维坐标。
[0045]
进一步的，所述根据相机和投影仪之间的相对位姿以及几何模型映射，获取三维坐标，具体包括：
[0046]
若相机和投影仪为水平布置，投影垂直条纹图像，根据具有垂直条纹图像的绝对相位图，得到横坐标；
[0047]
通过相机标定得到的相机内外参数求解相机的投影矩阵pc，如下式：
[0048][0049]
利用投影仪标定得到的投影仪内外参数求解投影仪的投影矩阵p
p
，如下式：
[0050][0051]
给定相机像素点x＝(x,y)
t
和投影仪对应的横坐标，则相机和投影仪的投影矩阵与世界坐标系的映射关系表示如下：
[0052][0053]
其中，x
p
为投影仪对应的横坐标。
[0054]
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0055]
一种结构光系统标定装置，所述装置包括：
[0056]
获取模块，用于获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像，所述五频异步相移光栅条纹包括五种频率的正弦光栅条纹和一副白光图像；
[0057]
标定模块，用于根据柱体标定块图像，对相机进行标定，并利用多频异步相移算法对投影仪进行标定，得到相机和投影仪的相关参数，所述五频异步相移光栅条纹中，主频光栅条纹采用四步相移，其余四种频率光栅条纹采用三步相移。
[0058]
本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0059]
一种结构光系统，所述系统包括相机、投影仪、标定板、传送带部件和计算机，所述标定板为柱体标定块，标定板设置在传送带部件上，所述计算机分别与相机、投影仪和传送带部件连接；
[0060]
所述投影仪，用于向标定板投射五频异步相移光栅条纹；
[0061]
所述相机，用于采集经过五频异步相移光栅条纹调制的标定板图像；
[0062]
所述传送带部件，用于带动标定板水平移动；
[0063]
所述计算机，用于执行上述的结构光系统标定方法。
[0064]
本发明的第四个目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0065]
一种计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的结构光系统标定方法。
[0066]
本发明的第五个目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0067]
一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的结构光系统标定方法。
[0068]
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
[0069]
1、本发明采用多频异步相移算法进行投影仪的标定，采用五种不同频率的光栅条纹，能够精准获取轮廓复杂物体的调制光栅，并提高了抗噪能力，为了避免五种频率光栅带来的相位计算复杂度，采用异步相移算法进行相位计算，大大提高了相位计算效率。
[0070]
2、本发明采用包含三个标定面的柱体标定块，并将标定块固定于可水平移动的传送带装置，使得不同的标定点处在根据相机景深确定的视场空间，避免了人为改变标定板位姿带来的误差，使得对投影仪和相机的标定更为全面和精确，同时大大减少了标定图像数量，加快了标定速度。
附图说明
[0071]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0072]
图1为本发明实施例1的结构光系统示意图。
[0073]
图2a为本发明实施例1的柱体标定块立体图。
[0074]
图2b为本发明实施例1的柱体标定块正视图。
[0075]
图2c为本发明实施例1的柱体标定块侧视图。
[0076]
图2d为本发明实施例1的柱体标定块俯视图。
[0077]
图3为本发明实施例1的结构光系统标定方法的简易流程图。
[0078]
图4为本发明实施例1的结构光系统标定方法的详细流程图。
[0079]
图5为本发明实施例1的投影仪标定流程图。
[0080]
图6为本发明实施例2的结构光系统标定装置的结构框图。
[0081]
图7为本发明实施例3的计算机设备的结构框图。
具体实施方式
[0082]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0083]
实施例1：
[0084]
如图1所示，本实施例提供了一种结构光系统，该系统包括相机1、投影仪2、标定板3、传送带部件(图中未示出)和计算机4，相机1为工业相机，可以连续采集标定板图像，投影仪2可以向标定板投射数字光栅条纹，标定板3设置在传送带部件上，通过传送带部件可以使标定板3水平移动，计算机4分别与相机1、投影仪2和传送带部件连接，可以对相机1采集的标定板图像进行处理。
[0085]
如图2a～图2d所示，本实施例的标定板为柱体标定块，柱体标定块包括三个标定面，其中一个标定面位于中间，作为主标定面301，另外两个标定面位于左右两侧，分别为第一侧标定面302和第二侧标定面303，每个标定面有9行11列共计99个白色圆形，其中包含94个直径为2.5mm的小圆和5个直径为5mm的大圆，且标定面背景色为黑色。
[0086]
主标定面301相对于参考面水平放置，即主标定面301与参考面平行，两个侧标定面(第一侧标定面302和第二侧标定面303)根据相机景深和柱体标定块的标定面长度设置倾斜特定角度，具体设置如下：
[0087]
对于特定三维测量场景，选定好相机、投影仪以及标定板之后，查看选定的相机景深测量柱体标定块的标定面长度l，则可确定侧标定面倾斜角度α表示为：
[0088][0089]
其中，为相机景深，l为柱体标定块的标定面长度；本实施例中，第一侧标定面302
和第二侧标定面303相对于参考面倾斜30
°
，即θ＝30
°
。
[0090]
如图3和图4所示，本实施例还提供了一种结构光系统标定方法，该方法主要通过上述结构光系统的计算机实现，包括以下步骤：
[0091]
s401、获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像。
[0092]
在获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像之前，先要对结构光系统进行初始化，具体包括：
[0093]
控制传送带部件使柱体标定块沿x轴方向、y轴方向水平移动，调节相机、投影仪高度、相对位置以及镜头焦距，使投影仪投射的五频异步相移光栅条纹能覆盖柱体标定块的标定面；具体地，相机倾斜30
°
放置，使其光轴垂直于柱体标定块标定面，投影仪倾斜30
°
投射光栅条纹，调节相机、投影仪高度、相对位置以及镜头焦距，使柱体标定块在视野内呈现清晰完整的像。
[0094]
初始化之后，制作五频异步相移光栅条纹，五频异步相移光栅条纹中的主频光栅条纹为f1，其余四种频率光栅条纹分别为f2、f3、f4和f5，f1的频率为1/115、f2的频率为1/90、f3的频率为1/76、f4的频率为1/57、f5的频率为1/48，主频光栅条纹采用四步相移，分别为0、π/2、π、3π/2，其余四种频率光栅条纹采用三步相移，分别为0、2π/3、4π/3，另外制作一副白光图像，使五频异步相移光栅条纹包括五种频率的正弦光栅条纹和一副白光图像；将制作好的五频异步相移光栅条纹烧录到投影仪进行投射，并设置好投影仪触发方式为内部触发，设置相机为连续采图模式，帧率为17；启动投影仪进行投射，同步触发触发相机连续采集17幅柱体标定块图像，控制传送带部件，在相机视场内移动柱体标定块到不同位置，重复采集柱体标定块图像，共采集三组图像数据，可以理解，采集的图像数据还可以是四组、五组等。
[0095]
s402、根据柱体标定块图像，对相机进行标定，并利用多频异步相移算法对投影仪进行标定，得到相机和投影仪的相关参数。
[0096]
相机标定：利用柱体标定块图像进行相机标定，得到相机的内参、外参、畸变系数以及重投影误差，并保存每个柱体标定块上的圆点位置信息。
[0097]
投影仪标定：如上所述五频异步相移光栅条纹中，主频光栅条纹采用四步相移，其余四种频率光栅条纹采用三步相移，利用多频异步相移算法，计算出柱体标定块图像的绝对相位值，并根据每张图像的圆点位置和绝对相位图计算出每个圆点对应的投影仪像点坐标，根据投影仪像点坐标与柱体标定块圆点世界坐标的对应关系，使用相机标定方法计算投影仪的内参、外参、畸变系数以及重投影误差。
[0098]
如图5所示，投影仪标定的具体过程如下：
[0099]
1)利用四步相移算法计算主频光栅条纹f1的主值相位，计算公式如下：
[0100][0101]
其中，为待计算的目标相位(包裹相位)，in(x,y)为光栅图像任意一点(x,y)的实际光强值。
[0102]
2)针对其余四种频率光栅条纹f2、f3、f4、f5的主值相位提取，通过三步相移算法计算，计算公式如下：
[0103][0104]
3)根据不同相移算法获取的主值相位，并通过五频外差算法计算主频光栅条纹f1的绝对相位，计算公式如下：
[0105]
当时，计算公式为：
[0106][0107]
当时，计算公式为：
[0108][0109]
其中，和φ1分别为主频光栅条纹f1对应的主值相位和展开相位值，和φ2分别为光栅条纹f2对应的主值相位和展开相位值，m
12
为主频光栅条纹f1和光栅条纹f2合成的虚拟叠栅条纹对应的条纹级数，floor(
·
)为向下取整，从式中可以看出，当确定好适当的光栅条纹频率f
1-f5，使得最终的叠栅条纹恰好在一个周期内覆盖整个视场，则此时叠栅条纹的条纹级数为零(即m
12
＝0)，则通过式(4)、(5)可以计算出绝对相位φ1、φ2。
[0110]
具体做法是利用多频外差原理依次将主值相位f1和f3、f2和f4、f3和f5进行作差得到过渡相位f
13
、f
24
、f
35
，再将过渡相位f
13
和f
24
、f
24
和f
35
分别作差得到过渡相位f
1324
、f
2435
，最终将过渡相位f
1324
和f
2435
再次作差得到最终展开的绝对相位。
[0111]
4)利用相位展开算法，计算出具有垂直条纹图像的绝对相位图φv(x,y)，若投影仪的分辨率为h
p
×wp
，投影图案的条纹数为nv，则相机像素(x,y)
t
对应于投影仪平面上的一条垂直线，坐标如下：
[0112][0113]
5)利用水平条纹图像中提取的绝对相位图，在投影仪平面上找到一条水平线的坐标，如下：
[0114][0115]
其中，φh(x,y)为具有水平条纹图像的绝对相位图，nh为投影条纹的水平条纹数。
[0116]
本实施例的结构光系统标定方法在完成相机和投影仪的标定后，可以在应用场景下进行三维测量，因此还可包括：
[0117]
s403、根据应用场景下的相机外参和投影仪外参，计算出相机和投影仪之间的相对位姿。
[0118]
s404、根据相机和投影仪之间的相对位姿以及几何模型映射，获取三维坐标。
[0119]
通过在三维重建中只投影一组条纹图像来减少投影条纹图像的数量，假设相机和投影仪水平布置，只投影垂直条纹图像或者只投影水平条纹图像(2种情况结果相同)，以投射垂直条纹图像为例，根据具有垂直条纹图像的绝对相位图，得到横坐标x
p
。
[0120]
通过相机标定得到的相机内外参数求解相机的投影矩阵pc，如下式：
[0121][0122]
利用投影仪标定得到的投影仪内外参数求解投影仪的投影矩阵p
p
，如下式：
[0123][0124]
给定相机像素点x＝(x,y)
t
和投影仪对应的横坐标x
p
，则相机和投影仪的投影矩阵与世界坐标系的映射关系表示如下：
[0125][0126]
根据相机和投影仪的投影矩阵与世界坐标系的映射关系，只需要知道待测物体任意一点的像点坐标以及投影仪对应的横坐标，即可求解出对应的三维坐标，实现三维测量。
[0127]
应当注意，尽管以特定顺序描述了上述实施例的方法操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
[0128]
实施例2：
[0129]
如图6所示，本实施例提供了一种结构光系统标定装置，该装置包括获取模块601和标定模块602，各个模块的具体功能如下：
[0130]
获取模块601，用于获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像，所述五频异步相移光栅条纹包括五种频率的正弦光栅条纹和一副白光图像。
[0131]
标定模块602，用于根据柱体标定块图像，对相机进行标定，并利用多频异步相移算法对投影仪进行标定，得到相机和投影仪的相关参数，所述五频异步相移光栅条纹中，主
频光栅条纹采用四步相移，其余四种频率光栅条纹采用三步相移。
[0132]
进一步地，本实施例的结构光系统标定装置还可包括：
[0133]
第一计算模块603，用于根据应用场景下的相机外参和投影仪外参，计算出相机和投影仪之间的相对位姿。
[0134]
第二计算模块604，用于根据相机和投影仪之间的相对位姿以及几何模型映射，获取三维坐标。
[0135]
上述各个模块的具体实现参见上述实施例1；需要说明的是，本实施例提供的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
[0136]
实施例3：
[0137]
本实施例提供了一种计算机设备，如图7所示，其包括通过装置总线701连接的处理器702、存储器、输入装置703、显示器704和网络接口705，该处理器用于提供计算和控制能力，该存储器包括非易失性存储介质706和内存储器707，该非易失性存储介质706存储有操作装置、计算机程序和数据库，该内存储器707为非易失性存储介质中的操作装置和计算机程序的运行提供环境，处理器702执行存储器存储的计算机程序时，实现上述实施例1的结构光系统标定方法，如下：
[0138]
获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像，所述五频异步相移光栅条纹包括五种频率的正弦光栅条纹和一副白光图像；
[0139]
根据柱体标定块图像，对相机进行标定，并利用多频异步相移算法对投影仪进行标定，得到相机和投影仪的相关参数，所述五频异步相移光栅条纹中，主频光栅条纹采用四步相移，其余四种频率光栅条纹采用三步相移。
[0140]
进一步地，还可包括：
[0141]
根据应用场景下的相机外参和投影仪外参，计算出相机和投影仪之间的相对位姿；
[0142]
根据相机和投影仪之间的相对位姿以及几何模型映射，获取三维坐标。
[0143]
实施例4：
[0144]
本实施例提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例1的结构光系统标定方法，如下：
[0145]
获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像，所述五频异步相移光栅条纹包括五种频率的正弦光栅条纹和一副白光图像；
[0146]
根据柱体标定块图像，对相机进行标定，并利用多频异步相移算法对投影仪进行标定，得到相机和投影仪的相关参数，所述五频异步相移光栅条纹中，主频光栅条纹采用四步相移，其余四种频率光栅条纹采用三步相移。
[0147]
进一步地，还可包括：
[0148]
根据应用场景下的相机外参和投影仪外参，计算出相机和投影仪之间的相对位姿；
[0149]
根据相机和投影仪之间的相对位姿以及几何模型映射，获取三维坐标。
[0150]
需要说明的是，本实施例的计算机可读存储介质可以是计算机可读信号介质或者
计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的装置、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
[0151]
在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行装置、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读存储介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行装置、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读存储介质上包含的计算机程序可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、rf(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
[0152]
上述计算机可读存储介质可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本实施例的计算机程序，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、python、c++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如c语言或类似的程序设计语言。程序可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(lan)或广域网(wan)连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0153]
综上所述，本发明采用多频异步相移算法进行投影仪的标定，采用五种不同频率的光栅条纹，能够精准获取轮廓复杂物体的调制光栅，并提高了抗噪能力，为了避免五种频率光栅带来的相位计算复杂度，采用异步相移算法进行相位计算，大大提高了相位计算效率；此外，本发明采用包含三个标定面的柱体标定块，并将标定块固定于可水平移动的传送带装置，使得不同的标定点处在根据相机景深确定的视场空间，避免了人为改变标定板位姿带来的误差，使得对投影仪和相机的标定更为全面和精确，同时大大减少了标定图像数量，加快了标定速度。
[0154]
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

技术特征：
1.一种结构光系统标定方法，其特征在于，所述方法包括：获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像，所述五频异步相移光栅条纹包括五种频率的正弦光栅条纹和一副白光图像；根据柱体标定块图像，对相机进行标定，并利用多频异步相移算法对投影仪进行标定，得到相机和投影仪的相关参数，所述五频异步相移光栅条纹中，主频光栅条纹采用四步相移，其余四种频率光栅条纹采用三步相移。2.根据权利要求1所述的结构光系统标定方法，其特征在于，所述根据柱体标定块图像，对相机进行标定，并利用多频异步相移算法对投影仪进行标定，得到相机和投影仪的相关参数，具体包括：利用柱体标定块图像进行相机标定，得到相机的内参、外参、畸变系数以及重投影误差，并保存每个柱体标定块上的圆点位置信息；利用多频异步相移算法，计算出柱体标定块图像的绝对相位值，并根据每张图像的圆点位置和绝对相位图计算出每个圆点对应的投影仪像点坐标，根据投影仪像点坐标与柱体标定块圆点世界坐标的对应关系，计算投影仪的内参、外参、畸变系数以及重投影误差。3.根据权利要求2所述的结构光系统标定方法，其特征在于，所述五频异步相移光栅条纹中的主频光栅条纹为f1，其余四种频率光栅条纹分别为f2、f3、f4和f5；所述利用多频异步相移算法，计算出柱体标定块图像的绝对相位值，并根据每张图像的圆点位置和绝对相位图计算出每个圆点对应的投影仪像点坐标，具体包括：利用四步相移算法计算主频光栅条纹f1的主值相位，计算公式如下：其中，为待计算的目标相位，i
n
(x,y)为光栅图像任意一点(x,y)的实际光强值；针对其余四种频率光栅条纹f2、f3、f4、f5的主值相位提取，通过三步相移算法计算，计算公式如下：根据不同相移算法获取的主值相位，并通过五频外差算法计算主频光栅条纹f1的绝对相位，计算公式如下：当时，计算公式为：当时，计算公式为：
其中，和φ1分别为主频光栅条纹f1对应的主值相位和展开相位值，和φ2分别为光栅条纹f2对应的主值相位和展开相位值，m
12
为主频光栅条纹f1和光栅条纹f2合成的虚拟叠栅条纹对应的条纹级数，floor(
·
)为向下取整；利用相位展开算法，计算出具有垂直条纹图像的绝对相位图φ
v
(x,y)，若投影仪的分辨率为h
p
×
w
p
，投影图案的条纹数为n
v
，则相机像素(x,y)
t
对应于投影仪平面上的一条垂直线，坐标如下：利用水平条纹图像中提取的绝对相位图，在投影仪平面上找到一条水平线的坐标，如下：其中，φ
h
(x,y)为具有水平条纹图像的绝对相位图，n
h
为投影条纹的水平条纹数。4.根据权利要求1所述的结构光系统标定方法，其特征在于，所述柱体标定块包括三个标定面，其中一个标定面为主标定面，另外两个标定面为侧标定面，每个标定面有9行11列共计99个白色圆形，其中包含94个直径为2.5mm的小圆和5个直径为5mm的大圆，且标定面背景色为黑色；所述主标定面相对于参考面水平放置，两个侧标定面根据相机景深和柱体标定块的标定面长度设置倾斜特定角度，如下式：其中，为相机景深，l为柱体标定块的标定面长度。5.根据权利要求1-4任一项所述的结构光系统标定方法，其特征在于，所述获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像之前，还包括：使柱体标定块沿x轴方向、y轴方向水平移动，调节相机、投影仪高度、相对位置以及镜头焦距，使投影仪投射的五频异步相移光栅条纹能覆盖柱体标定块的标定面。6.根据权利要求1-4任一项所述的结构光系统标定方法，其特征在于，所述方法还包括：根据应用场景下的相机外参和投影仪外参，计算出相机和投影仪之间的相对位姿；根据相机和投影仪之间的相对位姿以及几何模型映射，获取三维坐标。7.根据权利要求6所述的结构光系统标定方法，其特征在于，所述根据相机和投影仪之
间的相对位姿以及几何模型映射，获取三维坐标，具体包括：若相机和投影仪为水平布置，投影垂直条纹图像，根据具有垂直条纹图像的绝对相位图，得到横坐标；通过相机标定得到的相机内外参数求解相机的投影矩阵p
c
，如下式：利用投影仪标定得到的投影仪内外参数求解投影仪的投影矩阵p
p
，如下式：给定相机像素点x＝(x,y)
t
和投影仪对应的横坐标，则相机和投影仪的投影矩阵与世界坐标系的映射关系表示如下：其中，x
p
为投影仪对应的横坐标。8.一种结构光系统标定装置，其特征在于，所述装置包括：获取模块，用于获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像，所述五频异步相移光栅条纹包括五种频率的正弦光栅条纹和一副白光图像；标定模块，用于根据柱体标定块图像，对相机进行标定，并利用多频异步相移算法对投影仪进行标定，得到相机和投影仪的相关参数，所述五频异步相移光栅条纹中，主频光栅条纹采用四步相移，其余四种频率光栅条纹采用三步相移。9.一种结构光系统，其特征在于，所述系统包括相机、投影仪、标定板、传送带部件和计算机设备，所述标定板为柱体标定块，标定板设置在传送带部件上，所述计算机设备分别与相机、投影仪和传送带部件连接；所述投影仪，用于向标定板投射五频异步相移光栅条纹；所述相机，用于采集经过五频异步相移光栅条纹调制的标定板图像；所述传送带部件，用于带动标定板水平移动；所述计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1-7任一项所述的相位高度映射方法，以及用于执行权利要求1-7任一项的结构光系统标定方法。10.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1-7任一项所述的结构光系统标定方法。

技术总结
本发明公开了一种结构光系统标定方法、装置、结构光系统及存储介质，该方法包括：获取经过五频异步相移光栅条纹调制的柱体标定块图像，五频异步相移光栅条纹包括五种频率的正弦光栅条纹和一副白光图像；根据柱体标定块图像，对相机进行标定，并利用多频异步相移算法对投影仪进行标定，得到相机和投影仪的相关参数，五频异步相移光栅条纹中，主频光栅条纹采用四步相移，其余四种频率光栅条纹采用三步相移；根据应用场景下的相机外参和投影仪外参，计算出相机和投影仪之间的相对位姿；根据相机和投影仪之间的相对位姿以及几何模型映射，获取三维坐标。本发明提高了三维测量抗噪能力，针对工业电路板等轮廓复杂的物体可实现高效率、高精度的自动化标定。高精度的自动化标定。高精度的自动化标定。


技术研发人员：吴朝明 曹春阳 颜苏东 吴涵标 张国荣 邓志高
受保护的技术使用者：惠州市微米立科技有限公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/7