镜面/漫反射面标定板及其条纹反射/投影系统标定方法

技术领域

本发明涉及光学三维形貌测量领域，具体是一种镜面/漫反射面标定板及基于该标定板的条纹反射/投影系统的标定方法。

背景技术

条纹反射法和条纹投影轮廓术分别用于测量镜面和漫反射表面的三维形貌。然而在航空、航天、汽车船舶制造等领域中，存在许多兼具镜面和漫反射表面属性的部件和元器件，无法用单一的条纹反射法或条纹投影轮廓术测量。针对此类物体的测量技术仍处于发展阶段，国内外学者进行了大量研究。具体如下所示：

文献《M Sandner.Hybrid Reflectometry-3D shape measurement onscattering and reflective surfaces[C].115th annual meeting of the DGaO,2014.》中，利用两个相机、一个投影仪和一个显示屏研究了一套组合测量方法。该方法利用一个投影仪和两个相机构成的条纹投影测量系统获得物体的高度信息，并为由一个相机和一个显示屏构成的条纹反射系统提供计算梯度和高度的信息，融合获得相位数据，进而获得物体三位形貌数据。但是在融合过程中会出现数据错位和数据缺失情况，影响最终三维形貌精度。

文献《张宗华,刘小红,郭志南等.基于结构光的镜面/漫反射复合表面形貌测量[J].红外与激光工程,2020,49(03):206-212.》中，条纹反射系统通过一个半透半反镜使两个液晶显示屏的像达到平行效果，能够得到条纹反射系统相位与深度的直接关系，与条纹投影系统结合，可以重建兼具镜面和漫反射面物体的三维形貌。但是半透半反镜会使测量场受到限制，减小测量范围。

通过以上文献可以看出，现有的全场光学测量方法利用条纹投影轮廓术和条纹反射法结合测量兼具镜面和漫反射面物体的三维形貌。虽然该方法做了大量研究，但仍然存在许多问题。为实现兼具镜面和漫反射面物体的测量，测量得到的镜面部分三维数据与漫反射部分数据需要进行融合。现有的方法，因数据不在同一坐标系得到，融合时出现数据错位、缺失的情况，很难精准确定两部分数据的对应关系，并且系统标定精度不高，严重影响三维测量精度。因此需要一种数据融合完整、标定精度高的标定方法来解决现有技术中的难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种镜面/漫反射面标定板及其条纹反射/投影系统标定方法。

本发明解决所述标定板技术问题的技术方案是，提供一种镜面/漫反射面标定板，其特征在于，该镜面/漫反射面标定板由若干个镜面和若干个漫反射面相互连接构成，与漫反射面连接的均为镜面，与镜面连接的均为漫反射面；漫反射面和镜面的形状和尺寸均相同；镜面用于标定条纹反射子系统，漫反射面用于标定条纹投影子系统；漫反射面和镜面的每个角为角点，用于标定相机内参；漫反射面和镜面上均设置有相同的标定板圆环阵列；标定板圆环阵列由呈行列布置的完全相同的圆环构成。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种基于所述镜面/漫反射面标定板的条纹反射/投影系统的标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、设计镜面/漫反射面标定板：

以镜面/漫反射面标定板中左上角的角点作为原点，建立镜面/漫反射面标定板的世界坐标系；

若镜面/漫反射面标定板中有m列×n行个角点、每个镜面和漫反射面的边长均为a，则角点的世界坐标为((m-1)a,(n-1)a)；

每个标定板圆环阵列中，若左上角的圆环的圆心坐标为(i,j)、标定板圆环阵列为p列×q行、行列方向两个相邻圆环的圆心距为r，则圆环的圆心坐标为(i+(p-1)r,j+(q-1)r)；

步骤2、搭建基于镜面/漫反射面标定板的条纹反射/投影系统：

该系统包括光学平台、水平移动导轨、镜面/漫反射面标定板、投影仪、CCD相机、计算机、液晶显示屏和透明显示屏；

液晶显示屏和透明显示屏平行正对放置，且垂直于光学平台，液晶显示屏和透明显示屏之间的距离为Δd；水平移动导轨固定在光学平台上，与透明显示屏垂直；镜面/漫反射面标定板固定在水平移动导轨上；CCD相机和投影仪位于两个显示屏的一侧；CCD相机、液晶显示屏和镜面/漫反射面标定板在空间上成三角形测量关系；CCD相机、投影仪与镜面/漫反射面标定板在空间上成三角形测量关系；投影仪、CCD相机、液晶显示屏和透明显示屏均与计算机通过数据线连接；

步骤3、得出需要标定的条纹反射/投影系统参数，包括：液晶显示屏和透明显示屏之间的距离Δd、透明显示屏与位于系统的参考位置时的镜面/漫反射面标定板之间的距离d、条纹投影子系统参数a

步骤4、标定相机内参：CCD相机聚焦于位于参考位置时的镜面/漫反射面标定板上；再在CCD相机成像位置前后选取能够满足相机标定要求的若干个相机标定位置，在每个相机标定位置上任意摆放镜面/漫反射面标定板，并采集每个相机标定位置的镜面/漫反射面标定板的图像；然后提取镜面/漫反射面标定板的图像在各个相机标定位置时镜面与漫反射面的角点的像素坐标；再通过角点之间的距离即镜面和漫反射面的边长a，确定相机的内部参数来修正条纹图像的畸变；

步骤5、标定条纹反射子系统和条纹投影子系统：

所述标定条纹反射子系统的具体步骤是：

A5.1、将镜面/漫反射面标定板置于系统的参考位置，并与液晶显示屏和透明显示屏平行；然后CCD相机拍摄镜面/漫反射面标定板，提取标定板圆环阵列中每个圆环的圆心的像素坐标，而圆心的世界坐标由已知的标定板圆环阵列的圆心距r得到；再通过世界坐标与像素坐标的转换关系，计算出镜面/漫反射面标定板位于参考位置时的世界坐标系与相机坐标系的转换关系[R

计算机生成圆环半径、行列方向两个相邻圆环的圆心距已知的圆环阵列，并且区别于镜面/漫反射面标定板自身的标定板圆环阵列；再将生成的圆环阵列显示在液晶显示屏上，生成的圆环阵列经镜面/漫反射面标定板中的镜面反射，由CCD相机拍摄在镜面/漫反射面标定板成像的圆环阵列，此时图像中具有液晶显示屏显示的圆环阵列和标定板圆环阵列；再筛选出液晶显示屏显示的圆环阵列，并提取圆环阵列中每个圆环的圆心的像素坐标，而圆心的世界坐标由已知的标定板圆环阵列的圆心距r得到；再通过世界坐标与像素坐标的转换关系，计算液晶显示屏的世界坐标系与相机坐标系的转换关系[R

计算机生成高亮图片并显示在液晶显示屏上，为透明显示屏提供背景光，同时生成圆环半径、行列方向两个相邻圆环的圆心距已知的圆环阵列，区别于镜面/漫反射面标定板自身的标定板圆环阵列；再将生成的圆环阵列显示在透明显示屏上，生成的圆环阵列经镜面/漫反射面标定板中的镜面反射，由CCD相机拍摄在镜面/漫反射面标定板成像的圆环阵列，此时图像中具有透明显示屏显示的圆环阵列和标定板圆环阵列；再筛选出透明显示屏显示的圆环阵列，并提取圆环阵列中每个圆环的圆心的像素坐标，而圆心的世界坐标由已知的标定板圆环阵列的圆心距r得到；再通过世界坐标与像素坐标的转换关系，计算透明显示屏的世界坐标系与相机坐标系的转换关系[R

A5.2、根据式(3)和式(4)，计算液晶显示屏和透明显示屏之间的距离Δd以及透明显示屏与位于系统的参考位置时的镜面/漫反射面标定板之间的距离d，进而完成条纹反射子系统的标定：

Δd＝R

d＝R

所述标定条纹投影子系统的具体步骤是：

B5.1、深度标定：将镜面/漫反射面标定板置于能够满足条纹投影子系统标定要求的若干个子系统标定位置，若干个子系统标定位置中包括参考位置；再在每个子系统标定位置，投影仪投射具有最佳条纹个数的正弦条纹，用以确定镜面/漫反射面标定板平面上的相位，CCD相机采集镜面/漫反射面标定板的漫反射面的条纹图，进而确定镜面/漫反射面标定板中的漫反射面的像素点的绝对相位，通过漫反射面上的标定板圆环阵列求得其他子系统标定位置相对于参考位置的深度，利用所得到各个像素点的绝对相位和空间深度，联立式(5)拟合每个像素点多项式系数，完成条纹投影子系统的深度的标定；

式(5)中，m为所采用的子系统标定位置的个数；

B5.2、横向标定：深度标定完成后，再根据所提取的标定板圆环阵列的圆心的像素坐标和步骤B5.1得到的深度Z的坐标，求解像素位置和横向坐标XY所对应关系式的系数，完成XY方向坐标的标定：

式(6)中，b

步骤6、完成条纹反射子系统和条纹投影子系统的标定后，条纹反射/投影系统的标定完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、测量精度高：传统条纹反射法与条纹投影法结合使用时，测量精度都会受到数据融合完整性和标定精度的影响。在已有的研究中，受标定板影响标定精度不高，且通过条纹反射法和条纹投影法得到的数据不在一个坐标系内，导致相位融合时数据错位或缺失，影响测量精度。本发明通过高精度加工制作的镜面/漫反射面标定板，使标定板上有均匀分布的镜面和漫反射面，相位图数据在同一坐标系内，在同一坐标系下对条纹反射/投影系统进行标定，后续数据融合时不会出现数据错位和缺失现象，数据融合完整、标定精度高，标定板漫反射部分也有圆环阵列，可以标定横向位置和像素坐标的关系，提高兼具镜面和漫反射面物体的三维形貌测量精度。

2、标定过程灵活：传统标定过程需要先用棋盘格标定板对相机进行内参标定，再用镜面标定板或漫反射标定板对条纹反射子系统或条纹投影子系统分别进行系统参数标定。而本发明的镜面/漫反射面标定板能够通角点标定相机内参，也能够同时标定条纹反射与投影系统。

3、利用率高：镜面/漫反射面标定板表面图案不易刮蹭破损，在条纹投影子系统、条纹反射子系统或测量兼具镜面和漫反射面物体时可以重复使用。

4、标定过程中引入镜面/漫反射面标定板，设计巧妙：在本发明中，将镜面和漫反射面巧妙结合到一个标定板上，解决了条纹反射与投影系统相位融合错位的难题。

5、本发明的镜面/漫反射面标定板及标定方法，具有通用性、易推广性。在实际应用中，对航空航天、船舶等领域中兼具镜面漫反射面元器件的精确测量发挥重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明的镜面/漫反射面标定板示意图；

图2为本发明基于镜面/漫反射面标定板的条纹反射/投影系统标定过程的结构示意图。

图中，漫反射面1、镜面2、标定板圆环阵列3、角点4、镜面/漫反射面标定板5、CCD相机6、投影仪7、计算机8、液晶显示屏9、透明显示屏10。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本发明权利要求的保护范围。

本发明提供了一种镜面/漫反射面标定板，其特征在于，该镜面/漫反射面标定板5由若干个镜面2和若干个漫反射面1相互连接构成，与漫反射面1连接的均为镜面2，与镜面2连接的均为漫反射面1；漫反射面1和镜面2的形状和尺寸均相同；镜面2用于标定条纹反射子系统，漫反射面1用于标定条纹投影子系统；漫反射面1和镜面2的每个角为角点4，用于标定相机内参；漫反射面1和镜面2上均设置有相同的标定板圆环阵列3；标定板圆环阵列3由呈行列布置的完全相同的圆环构成。

优选地，漫反射面1和镜面2均设置于基板上；基板采用镀银反射薄膜玻璃板。

优选地，漫反射面1和镜面2均为正方形，形成棋盘格结构。

优选地，标定板圆环阵列3在漫反射面1和镜面2上居中设置。

本发明同时提供了一种基于所述镜面/漫反射面标定板的条纹反射/投影系统的标定方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、设计镜面/漫反射面标定板：

以镜面/漫反射面标定板5中左上角的角点4作为原点，建立镜面/漫反射面标定板5的世界坐标系；

若镜面/漫反射面标定板5中有m列×n行个角点4、每个镜面2和漫反射面1的边长均为a，则角点4的世界坐标为((m-1)a,(n-1)a)；

每个标定板圆环阵列3中，若左上角的圆环的圆心坐标为(i,j)、标定板圆环阵列3为p列×q行、行列方向两个相邻圆环的圆心距(简称圆心距)为r，则圆环的圆心坐标为(i+(p-1)r,j+(q-1)r)；

优选地，步骤1中，根据相机视场大小及测量场大小，设计并制作合适大小的镜面/漫反射面标定板5。

步骤2、搭建基于镜面/漫反射面标定板5的条纹反射/投影系统(简称系统)：

该系统包括光学平台、水平移动导轨、镜面/漫反射面标定板5、投影仪6、CCD相机7、计算机8、液晶显示屏9和透明显示屏10；

液晶显示屏9和透明显示屏10平行正对放置，且垂直于光学平台，液晶显示屏9和透明显示屏10之间的距离为Δd；水平移动导轨固定在光学平台上，与透明显示屏10垂直；镜面/漫反射面标定板5固定在水平移动导轨上，位于系统的参考位置时的镜面/漫反射面标定板5与透明显示屏10之间的距离为d；CCD相机7和投影仪6位于两个显示屏的一侧；CCD相机7、液晶显示屏9和镜面/漫反射面标定板5在空间上成三角形测量关系；CCD相机7、投影仪6与镜面/漫反射面标定板5在空间上成三角形测量关系；投影仪6、CCD相机7、液晶显示屏9和透明显示屏10均与计算机8通过数据线连接；

步骤3、得出需要标定的条纹反射/投影系统参数：

条纹反射/投影系统中，深度与相位的关系如式(1)所示：

式(1)中，h为被测物体深度；

由式(1)得出，需要标定的系统参数包括：液晶显示屏9和透明显示屏10之间的距离Δd、透明显示屏10与位于系统的参考位置时的镜面/漫反射面标定板5之间的距离d、条纹投影子系统参数a

步骤4、标定相机内参：CCD相机7聚焦于位于参考位置时的镜面/漫反射面标定板5上；再在CCD相机7成像位置前后选取能够满足相机标定要求的若干个相机标定位置，在每个相机标定位置上任意摆放镜面/漫反射面标定板5，并采集每个相机标定位置的镜面/漫反射面标定板5的图像；然后提取镜面/漫反射面标定板5的图像在各个相机标定位置时镜面2与漫反射面1的角点4的像素坐标；再通过角点4之间的距离即镜面2和漫反射面1的边长a，采用张正友相机标定法确定相机的内部参数来修正条纹图像的畸变；

步骤5、标定条纹反射子系统和条纹投影子系统：

所述标定条纹反射子系统的具体步骤是：

A5.1、将镜面/漫反射面标定板5置于系统的参考位置，并与液晶显示屏9和透明显示屏10平行；然后CCD相机7拍摄镜面/漫反射面标定板5，提取标定板圆环阵列3中每个圆环的圆心的像素坐标，而圆心的世界坐标由已知的标定板圆环阵列3的圆心距r得到；再通过世界坐标与像素坐标的转换关系(即式(2))，计算出镜面/漫反射面标定板5位于参考位置时的世界坐标系与相机坐标系的转换关系[R

计算机8生成圆环半径、行列方向两个相邻圆环的圆心距已知的圆环阵列，并且区别于镜面/漫反射面标定板5自身的标定板圆环阵列3；再将生成的圆环阵列显示在液晶显示屏9上，生成的圆环阵列经镜面/漫反射面标定板5中的镜面2反射，由CCD相机7拍摄在镜面/漫反射面标定板5成像的圆环阵列，此时图像中具有液晶显示屏9显示的圆环阵列和标定板圆环阵列3；再筛选出液晶显示屏9显示的圆环阵列，并提取圆环阵列中每个圆环的圆心的像素坐标，而圆心的世界坐标由已知的标定板圆环阵列3的圆心距r得到；再通过世界坐标与像素坐标的转换关系(即式(2))，计算液晶显示屏9的世界坐标系与相机坐标系的转换关系[R

计算机8生成高亮图片并显示在液晶显示屏9上，为透明显示屏10提供背景光，同时生成圆环半径、行列方向两个相邻圆环的圆心距已知的圆环阵列，区别于镜面/漫反射面标定板5自身的标定板圆环阵列3；再将生成的圆环阵列显示在透明显示屏10上，生成的圆环阵列经镜面/漫反射面标定板5中的镜面2反射，由CCD相机7拍摄在镜面/漫反射面标定板5成像的圆环阵列，此时图像中具有透明显示屏10显示的圆环阵列和标定板圆环阵列3；再筛选出透明显示屏10显示的圆环阵列，并提取圆环阵列中每个圆环的圆心的像素坐标，而圆心的世界坐标由已知的标定板圆环阵列3的圆心距r得到；再通过世界坐标与像素坐标的转换关系(即式(2))，计算透明显示屏10的世界坐标系与相机坐标系的转换关系[R

优选地，步骤A5.1中，所述世界坐标与像素坐标的转换关系如式(2)所示：

式(2)中，Z

A5.2、根据式(3)和式(4)，计算液晶显示屏9和透明显示屏10之间的距离Δd以及透明显示屏10与位于系统的参考位置时的镜面/漫反射面标定板5之间的距离d，进而完成条纹反射子系统的标定：

Δd＝R

d＝R

所述标定条纹投影子系统的具体步骤是：

B5.1、深度标定：将镜面/漫反射面标定板5置于能够满足条纹投影子系统标定要求的若干个子系统标定位置，若干个子系统标定位置中包括参考位置；再在每个子系统标定位置，投影仪6投射具有最佳条纹个数的正弦条纹，用以确定镜面/漫反射面标定板5平面上的相位，CCD相机7采集镜面/漫反射面标定板5的漫反射面1的条纹图，进而确定镜面/漫反射面标定板5中的漫反射面1的像素点的绝对相位(优选采用相移法和最佳三条纹选择法)，通过漫反射面1上的标定板圆环阵列3求得其他子系统标定位置相对于参考位置的深度，利用所得到各个像素点的绝对相位和空间深度，联立式(5)拟合每个像素点多项式系数，完成条纹投影子系统的深度的标定；

式(5)中，m为所采用的子系统标定位置的个数；

B5.2、横向标定：深度标定完成后，即得到深度Z的坐标；再根据所提取的标定板圆环阵列3的圆心的像素坐标和步骤B5.1得到的深度Z的坐标，求解像素位置和横向坐标XY所对应关系式的系数，完成XY方向坐标的标定即横向标定：

式(6)中，b

步骤6、完成条纹反射子系统和条纹投影子系统的标定后，条纹反射/投影系统的标定完成。

实施例

本实施例中选择镜面/漫反射面标定板5为230mm×195mm×5mm的正方体，每块镜面2和漫反射面1均为边长a＝42mm的正方形，均匀分布着外圆半径为4mm、内圆半径为3mm、圆心距r＝14mm的3×3的标定板圆环阵列3；液晶显示屏9和透明显示屏10显示的圆环阵列中圆环大小、圆心距及圆环数量根据系统进行调节；投影仪6投影的正弦条纹个数为100、99、90。

本发明的标定方法，利用镜面/漫反射面标定板5完成条纹反射/投影系统的标定。镜面2用于标定条纹反射子系统，CCD相机7采集镜面2的标定板圆环阵列3与液晶显示屏9、透明显示屏10显示的圆环阵列；通过计算位于系统的参考位置时的镜面/漫反射面标定板5、液晶显示屏9、透明显示屏10与CCD相机7的位置关系，进而计算液晶显示屏9和透明显示屏10之间的距离Δd、透明显示屏10与位于系统的参考位置时的镜面/漫反射面标定板5之间的距离d。

漫反射面1用于标定条纹投影子系统，镜面/漫反射面标定板5置于11个子系统标定位置，投影仪6投射条纹至镜面/漫反射面标定板5，利用每个位置的绝对相位、空间深度及标识点像素坐标，完成条纹投影子系统标定。

本发明未述及之处适用于现有技术。