扫描系统及其校准技术方案

公开了一种基于生成三维校准对象的三维表示而将修改为校准的扫描系统的未校准的扫描系统。描系统。描系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】扫描系统及其校准


[0001]本公开涉及扫描系统。更具体地，本公开的扫描系统将被修改为校准的扫描系统。

技术介绍

[0002]扫描系统的校准在扫描领域是众所周知的，其中，扫描通常涉及使用诸如图像相机之类的相机来获取2D图像。
[0003]此外，相机校准是3D计算机视觉中的必要步骤，以便从2D图像中提取度量信息。
[0004]随着时间的推移，校准领域中已经出版了几本书籍和期刊文章，例如由G
é
rard Medioni和Sing Bing Kang编辑的2003年出版的“计算机视觉中的新兴主题(Emerging Topics in Computer vision)”一书，其中第2章专门讨论相机校准。本章由校准领域知名的Zhengyou Zhang撰写，他在IEEE模式分析与机器智能汇刊(Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2000年12月，第22卷：1330
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1334页)中因其论文“相机校准的灵活新技术(A Flexible New Technique for Camera Calibration)”为人所知。其中公开的用于相机校准的技术，称为Zhang的方法，已广泛用于扫描系统的校准。Zhang文章的摘要很好地揭示了该技术，如下所述：
[0005]“我们提出了一种灵活的新技术来方便地校准相机。它非常适合在没有3D几何或计算机视觉专业知识的情况下使用。该技术只需要相机观察在几个(至少两个)不同取向上显示的平面图案。可以自由移动相机或平面图案。不需要知道运动。径向透镜畸变被建模。所提出的过程包括封闭形式的解决方案，然后是基于最大似然准则的非线性细化。使用了计算机模拟和真实数据测试所提出的技术，并获得了很好的结果。与使用昂贵设备(例如两个或三个正交平面)的经典技术相比，所提出的技术易于使用且灵活。它将3D计算机视觉从实验室环境推进到真实世界使用一步。”[0006]因此，Zhang的方法被广泛用于相机校准的原因是因为它只需要移动平面图案，因此执行起来很简单，特别是因为它不需要使用3D对象，例如具有两个或三个正交平面。更重要的是，正如刚才所描述的，不需要知道运动。因此，Zhang的方法也是对另一种称为Tsai的方法的改进，该方法由R.Y.Tsai在IEEE机器人与自动化杂志(Journal of Robotics and Automation)中的文章“使用现成的tv相机和镜头的高准确性3D机器视觉计量的通用相机校准技术(A versatile camera calibration technique for high
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accuracy 3D machine vision metrology using off
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the
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shelf tv cameras and lenses)”(3(4):323
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344，1987年8月)中提出。
[0007]Tsai的方法是文献中引用最多的校准方法之一，至今仍在使用，并且可能是第一个在相机模型参数中包括失真的方法：它考虑了径向失真，其由单个系数建模。Tsai的方法使用了具有棋盘格图案的平面，但与Zhang的方法不同，该平面需要以已知的运动被位移至少一次。
[0008]从上面已经可以推断，校准可以基于2D对象或3D对象。在“计算机视觉中的新兴主题”一书的第2章中，Zhang描述了使用3D参考对象、2D平面和1D线的校准技术，以及自校准
技术。关于使用3D参考，Zhang解释说，相机校准是通过观察校准对象来执行的，该校准对象在3
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D空间中的几何形状以非常好的精度已知。
[0009]事实上，使用3D参考而不是2D参考是或曾经是校准相机的传统方法。例如，正如Zhang在“计算机视觉中的新兴主题”一书的第2章中所描述的，通过使用由两个正交平面组成的3D参考，在其上印刷棋盘格图案，并附加3D坐标系(使得在这个坐标系中棋盘格角的坐标非常准确地获知)，可以通过执行四个校准步骤来进行校准。
[0010]这四个一般的校准步骤是：
[0011](a)检测每个图像中棋盘格图案的角；
[0012](b)使用线性最小二乘估计相机投影矩阵P；
[0013](c)从P恢复内部和外部参数A、R和t；和
[0014](d)通过非线性优化细化A、R和t。
[0015]内部参数(有时称为外部参数)是相机的取向(旋转)和位置(平移)，即(R,t)，其将世界坐标系与相机坐标系关联。
[0016]外部参数(有时称为内部参数)是相机的特性，来自A(矩阵)，通常具有元素(α,β,γ,u0,v0)，其中，(u0,v0)是主点的坐标，并且α和β是图像u和v轴中的缩放因子，并且γ是描述两个图像轴的偏斜的参数。
[0017]关于四个校准步骤(a
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d)，正如Zhang所指出的，也可以先通过非线性优化来细化P，然后从细化的P确定A、R和t。此外，还已知可以通过直接在图像中操作来避免角检测。例如，图像中的特征检测是一种选择。
[0018]对于校准，Zhang建议通过使用3D参考通常可以获得最高准确性，因此应当在准确性必不可少且可以负担得起制作和使用3D参考的情况下使用。
[0019]然而，Zhang指出，在大多数情况下，使用2D参考进行校准似乎是最佳选择，因为易于使用且准确性高。
[0020]然而，如果目的是提供高准确性的扫描系统，则在扫描领域已知需要使用3D参考(具有特征和/或边缘)，并且建议执行上述四个校准步骤(a
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d)。在L.Huang等人的“基于三维校准对象的多相机校准和点云校正方法的研究(Research on multi
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camera calibration and point
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cloud correction method based on three
‑
dimensional calibration object)”一文(工程中的光学和激光(Optics and Lasers in Engineering)，115(2019)32
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41)中公开了依赖于立方体上具有四个棋盘(即带有边缘)的3D参考的校准方法的示例。其中公开的方法校正了点云中的错误，而不是2D图像中的错误。然而，刚刚描述的校准对象仍然对校准对象(至少在设计上是这样)和扫描装置提出了要求，因为边缘检测是执行校准的先决条件。
[0021]因此，在校准领域，需要一种提供两全其美的校准方法——通过使用3D参考获得的准确性，以及通过使用2D参考获得的易用性。此外，在校准领域，需要比3D参考(具有特征和/或边缘)更便宜且制造更简单的3D参考。再另外并根据先前的需要，在校准领域，需要一种不需要校准步骤的第一步骤(即检测角或特征)的方法，因为其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种未校准的扫描系统，所述未校准的扫描系统将基于生成三维校准对象的三维表示而被修改为校准的扫描系统，所述未校准的扫描系统包括：
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扫描装置，所述扫描装置包括：o光源，所述光源被配置为发射光，其中，所述扫描装置被配置为将光传输到对象上；和o包括多个传感器元件的图像传感器，其中，所述图像传感器被配置为形成所述对象和传输到所述对象上的光的图像序列，其中，每个图像包括多个像素；以及
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处理器，所述处理器被配置用于通过执行以下步骤来执行校准：o导入所述校准对象在真实世界坐标系中的参考三维表示；o将所述图像序列配准成配准的图像序列；o使用第一变换将所述配准的图像序列和来自每个所述图像的像素的至少一个集合变换为所述校准对象在扫描装置坐标系中的坐标数据集；o使用第二变换，将所述校准对象在扫描装置坐标系中的所述坐标数据集变换为所述校准对象在真实世界坐标系中的点云，其中，使用对准过程将所述校准对象在真实世界坐标系中的点云对准到所述校准对象在真实世界坐标系中的所述参考三维表示，其中，所述对准过程基于最小化所述参考三维表示和所述点云之间的第一差；o在使用所述对准过程之后，导出所述点云与所述校准对象在真实世界坐标系中的所述参考三维表示之间的第二差；o基于所述第二差，将所述第二变换修改为校准的变换，从而在三维中调整所述校准对象在真实世界坐标系中的点云中的点的位置，从而将所述未校准的扫描装置修改为校准的扫描装置。2.根据权利要求1所述的未校准的扫描系统，其中，所述扫描装置是手持式扫描装置。3.根据前述权利要求中任一项所述的未校准的扫描系统，其中，所述对准过程基于通过点对面配准或点对点配准将所述点云对准到所述参考三维表示。4.根据前述权利要求中任一项所述的未校准的扫描系统，其中：
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所述图像传感器位于扫描装置坐标系中垂直于z方向的平面中，并且
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光学元件被配置为相对于所述图像传感器并沿着z方向移动，从而在移动所述光学元时形成对象的所述图像序列。5.根据权利要求4所述的未校准的扫描系统，其中，所述处理器还被配置为：o在扫描装置坐标系中沿着z方向堆叠所述配准的图像序列以形成体积，其中，所述配准的图像序列中的每个图像包括所述体积中的层，从而所述体积包括多个像素的序列；o对于以下计算聚焦度量：o所述体积内的所述多个像素中的每一个，或o所述体积内的多个像素组中的每一组，其中，所述多个像素组中的每一组由所述多个像素的子集形成；o基于所述聚焦度量，对于以下计算最大聚焦度量z
m
：o所述体积内的所述多个像素中的每一个，从而所述多个像素的子集与z
m
相关联，或o所述体积内的所述多个像素组中的每一组，从而所述多个像素的子集与z
m
相关联，
从而，使用所述第一变换，已经与z
m
相关联的多个像素的子集是被变换到对象在扫描装置坐标系中的坐标数据集的像素的至少一个集合。6.根据前述权利要求中任一项所述的未校准的扫描系统，其中，通过单独调整所述点云中的每个点来执行将所述第二变换修改为校准的变换从而在三维中调整对象在真实世界坐标系中的点云中的点的位置的步骤。7.根据前述权利要求中任一项所述的未校准的扫描系统，其中，通过对所述点云中的每个点同时在三个方向上调整三维位置，来执行将所述第二变换修改为校准的变换从而在三维中调整对象在真实世界坐标系中的点云中的点的位置的步骤。8.根据前述权利要求中任一项所述的未校准的扫描系统，其中，通过向所述点云中的每个点添加包括三个方向分量的校正向量，来执行将所述第二变换修改为校准的变换从而在三维中调整对象在真实世界坐标系中的点云中的点的位置的步骤。9.根据权利要求4所述的未校准的扫描系统，其中，由于所述校准对象的所述图像序列在移动所述光学元件时形成，因此将所述第二变换修改为校准的变换从而在三维中调整对象在真实世界坐标系中的点云中的点的位置的步骤与沿着所述光学元件的z方向的位置相关联。10.根据权利要求9所述的未校准的扫描系统，其中，与沿着所述光学元件的z方向的位置相关联的、在三维中的所述调整由沿着z方向的每个所述位置的高阶多项式限定。11.根据前述权利要求中任一项所述的未校准的扫描系统，其中，将所述第二变换修改为校准的变换的步骤由...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：三形状股份有限公司，
类型：发明
国别省市：