CN104732539A - 一种投影仪标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种投影仪标定方法，该标定方法使用相机设备、投影仪设备、棋盘格标定板和网格投影图案完成。标定过程包括下列步骤：首先，在标定板的某个拍摄位置，先由相机拍摄标定板的棋盘格照片，然后保持标定板位置不变，由投影仪向标定板面投射网格图案，再次由相机拍摄带有投影图案的标定板照片；接下来，使用拍摄的标定板棋盘格照片，采用二维靶面标定法标定相机；最后，对拍摄的带有投影图案的照片，采用图像处理获取网格角点在照片上的图像坐标，进而利用相机标定结果或者交比不变性原则获得角点的世界坐标，并最终借助已知的网格投影图案完成对投影仪标定。按照本发明的标定方法，标定装置制作方便、标定过程快速。
Description
技术领域
本发明属于机器视觉标定技术领域，涉及一种基于棋盘格标定板和图像处理技术的投影仪标定方法。
背景技术
结构光三维测量技术具有非接触、高精度、高速度等优点，而且其测量结果方便与多种软件接口，这使得它被广泛运用于科学分析、生物工程、工业生产等领域。而结构光测量中，存在一种单相机、单投影仪组成的三维测量系统，这种系统结构简单、测量效率高，但其测量系统必然涉及到相机和投影仪的标定。相机标定已经有比较成熟的标定方法，然而投影仪不是成像设备，可视其为逆向相机，故标定难度高，精度难以保证。如何得知投影仪标定的一系列特征点的三维世界坐标和图像像素坐标是一个需要解决的大问题。
常用的投影仪标定方法主要以下几种：精确获取靶标上特征点的世界坐标，运用相位技术求出其图像坐标；使用柔性靶标，然后将特定图案投影到靶标上，利用交比不变性算出投影图案特征点的世界坐标；使用特定投影图案，其特征点的图像坐标已知，再利用相机标定结果求出特征点的世界坐标；
现有的投影仪标定问题主要有：(1)专用标定设备制备麻烦，成本较高；(2)采用的标定算法复杂，有的方法精度依赖绝对相位展开精度，有的需要灰度插值和直线拟合。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种投影仪标定方法，其特征在于，该方法利用相机、投影仪、棋盘格标定板和网格投影图案，其中：棋盘格标定板的图案为交错的黑白格，黑白格间的交点为特征点；网格投影图案，为黑背景上白色网格线，白色网格线的分布和宽窄可以根据需要进行设计，由此各白线交点处中心的像素坐标已知，且该交点中心为投影仪标定的特征点，该方法包括如下步骤：
(1)搭建测量系统，安装好所述投影仪与所述相机的位置；
(2)将所述标定板摆放在所述相机和所述投影仪共同视角范围内的某个位置，先用相机对所述标定板进行拍摄并保存图像，保持所述标定板的位置不变，由所述投影仪向所述标定板投射网格投影图案，用相机拍摄带有网格图案的所述标定板图像并保存图像；调整所述标定板在相机和投影仪的共同视角范围内的至少三个以上的位置，并重复上述过程拍摄保存多组图像；
(3)利用拍摄的标定板的照片和带有网格图案的标定板照片对相机和投影仪的标定参数进行计算，所述计算过程如下：
(3-1)以所述标定板的特征点，利用所述标定板图像采用二维靶面标定法对相机进行标定，并求取畸变参数；
(3-2)对拍摄的几组带有投影网格图案的照片进行处理，获得网格亮线交点在照片上的像素坐标；
(3-3)将所述步骤(3-2)获得的像素坐标映射到所述相机光心与成像面之间间距为单位1的归一化平面上获得归一化平面上的特征点坐标，并利用所述步骤(3-1)的相机标定过程中获得的畸变参数，修正归一化平面上的特征点坐标，连接相机光心与修正后的归一化平面上的所述特征点，则其延长线与所述标定板的交点即为所述网格亮线交点对应在标定板上的世界坐标；
(4)利用所述步骤(3-2)获得的所述网格亮线交点的像素坐标和所述步骤(3-3)中获得的所述网格亮线交点的世界坐标，采用二维靶面标定方法对投影仪进行标定。
进一步地，所述步骤(3-2)的过程还包括如下步骤：
(3-2-1)采用阈值法对拍摄的带有网格图案的标定板照片进行二值化，获得二值图，该二值图的白色部分是位于所述棋盘格标定板上的白色格子背景下的投影亮线线段，其余部分为黑；
(3-2-2)采用图像骨架化处理的方法，将所述二值图中的因投影而变宽的网格亮线转化为单像素宽度的网格亮线；
(3-2-3)采用区域标记的方法，得到图中的每个8连通区域，将所述经过步骤(3-2-2)处理后的图像中的各分散的线段分别提取出来；
(3-2-4)对经过所述步骤(3-2-3)中的区域标记后的图，采用霍夫变换，对所述各8连通区域的线段进行直线拟合，求取拟合直线段的首尾点；
(3-2-5)对经过所述步骤(3-2-5)处理的图像按照斜率和位置临近的原则进行连接，拼接成一个网格图案；
(3-2-6)对所述步骤(3-2-5)处理后的网格图案提取角点坐标，获取所述网格交点的像素坐标，。
总体而言，按照本发明的投影仪标定方法，标定板制作方便，标定过程容易，后期计算方法简单，并且实现过程快速，操作方便，且精度高。
附图说明
图1为按照本发明中投影仪标定方法中所使用的系统的设置图；
图2为按照本发明的投影仪标定方法中所使用的投影网格图案；
图3为按照本发明的投影仪标定方法中所述的投影网格投影到标定板之后产生的图案；
图4为按照本发明的投影仪标定方法中二值化后的带有投影图案的标定板图案；
图5为按照本发明的投影仪标定方法中骨架化处理后的带有投影图案的二值化图；
图6为按照本发明的投影仪标定方法中经过霍夫变换直线段拟合后的图；
图7为按照本发明的投影仪标定方法中将霍夫变换直线段拟合后的图形，将直线段相互连接之后的网格图案；
图8为按照本发明的投影仪标定方法中使用MATLAB提取的网格角点，获得投影在标定板上网格亮线交点处的像素坐标；
图9为按照本发明的投影仪标定方法中采用归一化平面和针孔成像模型图；
图10为按照本发明的投影仪标定方法中投影仪标定结果的反投影误差。
其中1-投影仪标定板2-铝合金框架3-相机4-投影仪5-相机和投影仪共同的视角范围。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例中，相机采用的是微视图像的千兆网面阵CMOS相机系列的MVC1300SAM/C-GE60-N00相机，分辨率为1280*1024，像素尺寸为5.3μm*5.3μm，镜头选用的日本CBC公司的Computar镜头，型号为M1614-MP2，焦距为16mm；投影仪采用的是Texas Instruments的LightCrafterTM Evaluation Module，分辨率为608*684；
本实施例中的标定方法主要包括下述的两大部分，一部分是标定的设备的准备拍摄的工作，另外一部分是进行标定的算法来对标定设备进行分析。
标定操作：
第一步，在光学平台上搭建实验系统框架，并将投影仪和相机固定在框架上；本实施例中使用的标定板所采用的图案采用的是棋盘格标定板，为类似国际象棋棋盘格上的黑白格交错的标定板；网格投影图案为黑背景上的白色网格线，白色网格线的分布和宽窄可以根据实际需要进行设计，由于此交点中心处的像素坐标已知，且该交点中心为投影仪标定的特征点。
如图1所示，为按照本投影仪标定方法的系统三维模拟图，如图所示本实施例在光学平台上搭建了铝合金框架2，并将相机3和投影仪4固定在铝合金框架2上。
然后，将标定板1摆放在相机和投影仪共同的视角范围5内，先由相机3拍摄标定板1照片；
再来，由投影仪4向标定板1投射网格图案，并再次用相机3拍摄带有网格图案的标定板照片；
本实施例所涉及的棋盘格标定板，其图案分辨率为1024*768，打印纸张为A4纸，其中共有16*12个棋盘方格，实际测量的纸张上每个方格的边长为17.10mm。
本实施例所涉及的投影网格图案如图2所示，图案分辨率为608*684，其中共有8*9条白色亮线，每条亮线的宽度均为1像素，由于投影图案是人工设计的，所以每条亮线交点处的像素坐标均已知，因此选择一系列的亮线交点作为投影仪标定的特征点。
最后，在相机3和投影仪4共同的视角范围内，调整标定板1在多个不同的位置，重复上述两个拍照过程，并存下几组照片，在实际操作中最好至少有3个不同标定板位置的两种照片，完成标定操作。
标定计算：
首先，利用拍摄的几组仅含标定板的照片采用二维标定方法对相机3进行标定；
然后，对拍摄的几组带有投影网格图案的照片采用前述的图像处理方法，获得网格亮线交点在照片上的像素坐标；
将一系列不同标定板位置的带有投影图案的标定板照片进行后续的图像处理以获得照片上白色亮线交点位置的像素坐标，即特征点在照片上的像素坐标。
接下来，采用相机3标定结果结合针孔成像模型，求得亮线交点对应在标定板上的世界坐标；
该世界坐标的求取过程如下：
(1)采用阈值法对拍摄的带有网格图案的标定板照片进行二值化，获得二值图，得到投影亮线线段；
(2)将上述步骤(1)中的二值化图进行骨架化处理，可以看到经过骨架化处理后，由于投影而变粗的网格亮线转化为单像素线，每条亮线是从边缘处均匀腐蚀至单像素线；
(3)将上述步骤(2)中的图形进行霍夫变换直线段拟合，经过区域标记和霍夫直线拟合后，每个8连通区域上的线段均被拟合出来，并获取了其斜率和首尾坐标；
(4)将直线段相互连接，拼接出来网格图案；
(5)使用MATLAB提取上述步骤(4)处理后的网格图案中的网格角点，得到投影在标定板上的网格亮线交点处的像素坐标，即投影仪特征点在照片上的像素坐标。
图3为二值化后的带有投影图案的标定板照片，其中采用阈值处理的方法，得到投影亮线线段。
图4为骨架化处理后的二值化图，可以看到经过骨架化处理后，由于投影而变粗的网格亮线转化为单像素线，每条亮线是从边缘处均匀腐蚀至单像素线。
图5为骨架化后的闭处理图，经过骨架化处理后，由于投影而变粗的网格亮线转化为单像素线，每条亮线是从边缘处均匀腐蚀至单像素线。
如图6所示，为经过霍夫变换直线段拟合后的图，经过区域标记和霍夫变换直线拟合后，每个8连通区域上的线段均被拟合出来，并获取了其斜率和首尾坐标。
图7为将直线段相互连接，拼接出来的网格图案；
图8为使用MATLAB提取的网格角点，得到投影在标定板上网格亮线交点处的像素坐标，则获得了投影仪特征点在照片上的像素坐标。
(6)将所述步骤(5)获得的投影仪标定特征点在拍摄照片上的像素坐标，映射到相机光心与成像面之间距光心为单位1的归一化平面上，利用相机标定结果的畸变参数，修正归一化平面上的特征点坐标，使其变成相机线性模型下归一化平面上的理想坐标；
(7)连接相机光心与经过上述步骤(6)修正后的归一化平面上的特征点，依据相机的成像模型，其延长线与标定板的交点，即为特征点在标定板上的世界坐标；
图9为求特征点的世界坐标采用针孔模型原理图，根据针孔成像模型，光心与特征点在归一化平面上的理想位置的连线，其延长线与标定板的交点必为特征点在标定板上的世界坐标位置，其中光心位置、特征点映射到归一化平面上的坐标、特征点在归一化平面上实际坐标到理想坐标的畸变修正、相机坐标系相对世界坐标系的位置，都是利用相机的标定结果进行计算。
最后，利用已知的投影图案上亮线交点的像素坐标和前面求出的世界坐标，采用类似相机的二维标定方法对投影仪进行标定。
如图10所示，采用本实施例的标定方法进行投影仪标定后，其反投影误差(Reprojection Error)为水平方向±0.9pixel和竖直方向±1.0pixel。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种投影仪标定方法，其特征在于，该方法利用相机、投影仪、棋盘格标定板和网格投影图案，其中：棋盘格标定板的图案为交错的黑白格，黑白格间的交点为特征点；网格投影图案，为黑背景上白色网格线，白色网格线的分布和宽窄可以根据需要进行设计，由此各白线交点处中心的像素坐标已知，且该交点中心为投影仪标定的特征点，该方法包括如下步骤：
(1)搭建测量系统，安装好所述投影仪与所述相机的位置；
(2)将所述标定板摆放在所述相机和所述投影仪共同视角范围内的某个位置，先用相机对所述标定板进行拍摄并保存图像，保持所述标定板的位置不变，由所述投影仪向所述标定板投射网格投影图案，用相机拍摄带有网格图案的所述标定板图像并保存图像；调整所述标定板在相机和投影仪的共同视角范围内的至少三个以上的位置，并重复上述过程拍摄保存多组图像；
(3)利用拍摄的标定板的照片和带有网格图案的标定板照片对相机和投影仪的标定参数进行计算，所述计算过程如下：
(3-1)以所述标定板的特征点，利用所述标定板图像采用二维靶面标定法对相机进行标定，并求取畸变参数；
(3-2)对拍摄的几组带有投影网格图案的照片进行处理，获得网格亮线交点在照片上的像素坐标；
(3-3)将所述步骤(3-2)获得的像素坐标映射到所述相机光心与成像面之间间距为单位1的归一化平面上获得归一化平面上的特征点坐标，并利用所述步骤(3-1)的相机标定过程中获得的畸变参数，修正归一化平面上的特征点坐标，连接相机光心与修正后的归一化平面上的所述特征点，则其延长线与所述标定板的交点即为所述网格亮线交点对应在标定板上的世界坐标；
(4)利用所述步骤(3-2)获得的所述网格亮线交点的像素坐标和所述步骤(3-3)中获得的所述网格亮线交点的世界坐标，采用二维靶面标定方法对投影仪进行标定。
2.如权利要求1所述的投影仪标定方法，其特征在于，所述步骤(3-2)的过程还包括如下步骤：
(3-2-1)采用阈值法对拍摄的带有网格图案的标定板照片进行二值化，获得二值图，该二值图的白色部分是位于所述棋盘格标定板上的白色格子背景下的投影亮线线段，其余部分为黑；
(3-2-2)采用图像骨架化处理的方法，将所述二值图中的因投影而变宽的网格亮线转化为单像素宽度的网格亮线；
(3-2-3)采用区域标记的方法，得到图中的每个8连通区域，将所述经过步骤(3-2-2)处理后的图像中的各分散的线段分别提取出来；
(3-2-4)对经过所述步骤(3-2-3)中的区域标记后的图，采用霍夫变换，对所述各8连通区域的线段进行直线拟合，求取拟合直线段的首尾点；
(3-2-5)对经过所述步骤(3-2-5)处理的图像按照斜率和位置临近的原则进行连接，拼接成一个网格图案；
(3-2-6)对所述步骤(3-2-5)处理后的网格图案提取角点坐标，获取所述网格交点的像素坐标。
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