CN106017327A - 一种结构光测量传感器标定方法 - Google Patents

Abstract

一种结构光测量传感器标定方法，包含以下步骤：1)将标靶放置到激光器前，使激光投影到靶标上，将两个相机分别放置在激光器的上部和下部，使其能拍摄到标靶的激光光斑；2)控制上下两个相机同步拍摄标靶图像，得到图像L1,L2；3)分别处理图像L1,L2，提取图像上光斑的中心坐标；4)核线匹配利用核线匹配像点；5)计算激光面上点的三维点坐标；6)变换标靶的位置，重复1～5步的过程，重复次数一次以上；7)由三维点拟合激光平面方程。本发明降低了标定难度，有利于结构光测量方法的推广应用。为社会生产提供更简洁的测量工具，提高生产效率，创造社会财富。

Description

一种结构光测量传感器标定方法

技术领域

本发明涉及传感器设备参数标定领域，具体涉及一种结构光测量传感器标定方法。

背景技术

现有的结构光标定方法存在过程繁琐、需要共面的参考靶标，需要通过共面靶标计算激光平面参数等问题。

有鉴于上述现有的结构光标定方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的结构光测量传感器标定方法，能够改进一般现有的结构光标定方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的终目的是提供一种新的结构光测量传感器标定方法，通过直接计算结构光型面上的三维点，进而计算出结构光型面方程参数，克服了已有标定方法中，需要共面参考靶标的问题。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种结构光测量传感器标定方法，包含以下步骤：第一步，将标靶放置到激光器2前，使激光投影到靶标上，将两个已完成定向的相机1分别放置在激光器2的上部和下部，使其能拍摄到标靶的激光光斑；第二步，控制上下两个相机1同步拍摄标靶图像，得到图像L1,L2；第三步，分别处理图像L1,L2，提取图像上光斑的中心坐标，具体处理步骤如下：a阈值分割图像，将图像分成背景图像与光斑；b激光线条细化处理，计算线条上每一点的切线方向；c在垂直于当前点切线的方向搜索光斑上的点，记录点的灰度值与像点坐标；d以灰度值为权值，计算光斑的精确中心坐标；第四步，核线匹配利用核线匹配像点；第五步，计算激光面上点的三维点坐标；第六步，变换标靶的位置，重复1～5步的过程，重复次数一次以上；第七步，由三维点拟合激光平面方程。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的结构光测量传感器标定方法，其中所述的第二步中，当标靶相对于激光器2运动时，标靶和激光器2之间设置硬件同步触发信号。

前述的结构光测量传感器标定方法，其中所述的第四步中，首先计算出给定像点在其它像片上的对应核线，像点p₁在像S₁空间坐标系中的坐标记为，在S₂像空(x₁,y₁,z₁)间坐标系中的坐标为(x,y,z)，则有：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=M_2^T(M_1\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{X}_{s1}-X_{s1}\\ Y_{s1}-Y_{s2}\\ Z_{s1}-Z_{s2}\end{array}\right))---\left(1\right)$

其中，(X_s,Y_s,Z_s)为像片投影中心在物方空间坐标系中的坐标，M₁和M₂为像空间坐标系相对于物方空间坐标系的旋转矩阵，在S₁像空间坐标系中，S₁和p₁的坐标已知，分别为(0,0,0)和(x₁,y₁,-f)，根据1式，可得S₁和p₁在S₂像空间坐标系中的坐标，分别记为(X_s12,Y_s12,Z_s12)和(x₁₂,y₁₂,z₁₂)；

由S₁、p₁和S₂三点共面(核面)，可得核面在S₂像空间坐标系中的方程为：

$\left|\begin{array}{ccc}x& y& z\\ X_{s12}& Y_{s12}& Z_{s12}\\ x_{12}& y_{12}& z_{12}\end{array}\right|=0---\left(2\right)$

在S₂像空间坐标系下，像平面I₂的平面方程为：

z＝-f (3)

将3式代入2式，即可得像点p₁在像平面I₂上的对应核线方程：

$\left|\begin{array}{cc}{Y}_{s12}& Z_{s12}\\ y_{12}& z_{12}\end{array}\right|x-\left|\begin{array}{cc}{X}_{s12}& Z_{s12}\\ x_{12}& z_{12}\end{array}\right|y-\left|\begin{array}{cc}{X}_{s12}& Y_{s12}\\ x_{12}& y_{12}\end{array}\right|\·f=0---\left(4\right).$

前述的结构光测量传感器标定方法，其中所述的第五步中，激光面上点的三维坐标计算公式为：

$\begin{array}{c}(f*a_1+\hat{x}*a_3)*X+(f*b_1+\hat{x}*b_3)*Y+(f*c_1+\hat{x}*c_3)*Z=(f*a_1+\hat{x}*a_3)*X_s+\\ (f*b_1+\hat{x}*b_3)*Y_s+(f*c_1+\hat{x}*c_3)*Z_s\end{array}$

$\begin{array}{c}(f*a_2+\hat{x}*a_3)*X+(f*b_2+\hat{x}*b_3)*Y+(f*c_2+\hat{x}*c_3)*Z=(f*a_2+\hat{x}*a_3)*X_s+\\ (f*b_2+\hat{x}*b_3)*Y_s+(f*c_2+\hat{x}*c_3)*Z_s\end{array}$

将匹配到的同名点坐标，代入上式；计算出平面上点的三维点坐标，其中，为纠正后的像点坐标，f为相机镜头焦距，a_i，b_i，c_i为旋转矩阵参数，X_s，Y_s，Z_s为外方位参数。

前述的结构光测量传感器标定方法，其中步骤7中最小二乘拟合，误差方程为：

$0=\hat{F}+\frac{|a*x+b*y+c*z+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}.$

对上式求平面方程系数的偏导数，系数初值为1，代入迭代解算出平面方程式系数。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案,本发明可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

该发明使用两台已经完成定向的相机，拍摄投射到标靶上的激光的光斑，通过图像处理，分别从两个相机拍摄的两张图像，提取激光光斑的中心坐标。通过核线匹配的方式，匹配出两个以上同名点，计算出同名点所对应的空间物方点坐标。变动标靶的位置(保证激光始终能投射在标靶上)，重复上边的计算一次以上即可。将所有位置计算得到的三维点坐标，进行平面拟合，计算出激光型面的空间方程式，完成结构光标定。降低了标定难度，有利于结构光测量方法的推广应用。为社会生产提供更简洁的测量工具，提高生产效率，创造社会财富。

附图说明

图1为本发明所用的标定装置示意图；

图2为投射到标靶上的激光线；

图3为核线示意图；

图4为标定处理流程图。

【主要元件符号说明】

1：相机

2：激光器

3：基线

L1，L2：图像

S1，S2：相机投影中心

p1,p2:同名点

P:像点所对应的物方点

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种结构光测量传感器标定方法其具体实施方式、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1-4，本发明一种结构光测量传感器标定方法包含以下步骤：

第一步，将标靶放置到激光器2前，确保激光能投影到靶标上，两个已完成定向的相机1分别放置在激光器2的上部和下部，且使其能拍摄到标靶上的激光光斑。

第二步，控制上下两个相机1同步拍摄标靶图像，得到图像L1,L2。

第三步，分别处理图像L1,L2，提取图像上光斑的中心坐标。具体处理步骤如下

a阈值分割图像，将图像分成背景图像与光斑；

b激光线条细化处理，计算线条上每一点的切线方向；

c在垂直于当前点切线的方向搜索光斑上的点，记录点的灰度值与像点坐标；

d以灰度值为权值，计算光斑的精确中心坐标。

第四步，核线匹配

利用核线匹配像点，首先要计算出给定像点在其它像片上的对应核线。

以图3为例，像点p₁在S₁像空间坐标系中的坐标记为(x₁,y₁,z₁)，在S₂像空间坐标系中的坐标为(x,y,z)，则有：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=M_2^T(M_1\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{X}_{s1}-X_{s1}\\ Y_{s1}-Y_{s2}\\ Z_{s1}-Z_{s2}\end{array}\right))---1$

上式中，(X_s,Y_s,Z_s)为像片投影中心在物方空间坐标系中的坐标，M₁和M₂为像空间坐标系相对于物方空间坐标系的旋转矩阵。在S₁像空间坐标系中，S₁和p₁的坐标已知，分别为(0,0,0)和(x₁,y₁,-f)。根据1式，可得S₁和p₁在S₂像空间坐标系中的坐标，分别记为(X_s12,Y_s12,Z_s12)和(x₁₂,y₁₂,z₁₂)。

由S₁、p₁和S₂三点共面(核面)，可得核面在S₂像空间坐标系中的方程为：

$\left|\begin{array}{ccc}x& y& z\\ X_{s12}& Y_{s12}& Z_{s12}\\ x_{12}& y_{12}& z_{12}\end{array}\right|=0---2$

在S₂像空间坐标系下，像平面I₂的平面方程为：

z＝-f 3

将3式代入2式，即可得像点p₁在像平面I₂上的对应核线方程：

$\left|\begin{array}{cc}{Y}_{s12}& Z_{s12}\\ y_{12}& z_{12}\end{array}\right|x-\left|\begin{array}{cc}{X}_{s12}& Z_{s12}\\ x_{12}& z_{12}\end{array}\right|y-\left|\begin{array}{cc}{X}_{s12}& Y_{s12}\\ x_{12}& y_{12}\end{array}\right|\·f=0---4$

第五步，计算激光面上点的三维点坐标，计算公式为：

$\begin{array}{c}(f*a_1+\hat{x}*a_3)*X+(f*b_1+\hat{x}*b_3)*Y+(f*c_1+\hat{x}*c_3)*Z=(f*a_1+\hat{x}*a_3)*X_s+\\ (f*b_1+\hat{x}*b_3)*Y_s+(f*c_1+\hat{x}*c_3)*Z_s\end{array}$

$\begin{array}{c}(f*a_2+\hat{x}*a_3)*X+(f*b_2+\hat{x}*b_3)*Y+(f*c_2+\hat{x}*c_3)*Z=(f*a_2+\hat{x}*a_3)*X_s+\\ (f*b_2+\hat{x}*b_3)*Y_s+(f*c_2+\hat{x}*c_3)*Z_s\end{array}$

将匹配到的同名点坐标，代入上式；计算出平面上点的三维点坐标。其中，为纠正后的像点坐标，f为相机镜头焦距，a_i，b_i，c_i为旋转矩阵参数，X_s，Y_s，Z_s为外方位参数。

第六步，变换标靶的位置，重复1～5步的过程，重复次数一次以上。

第七步，由三维点拟合激光平面方程。

其中最小二乘拟合，误差方程为：

$0=\hat{F}+\frac{|a*x+b*y+c*z+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}$

对上式求平面方程系数的偏导数，系数初值为1，代入迭代解算出平面方程式系数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种结构光测量传感器标定方法，其特征在于，包含以下步骤：

第一步，将标靶放置到激光器(2)前，使激光投影到靶标上，将两个已完成定向的相机(1)分别放置在激光器(2)的上部和下部，使其能拍摄到标靶的激光光斑；

第二步，控制上下两个相机(1)同步拍摄标靶图像，得到图像L1,L2；

第三步，分别处理图像L1,L2，提取图像上光斑的中心坐标，具体处理步骤如下

a阈值分割图像，将图像分成背景图像与光斑；

b激光线条细化处理，计算线条上每一点的切线方向；

c在垂直于当前点切线的方向搜索光斑上的点，记录点的灰度值与像点坐标；

d以灰度值为权值，计算光斑的精确中心坐标；

第四步，核线匹配利用核线匹配像点；

第五步，计算激光面上点的三维点坐标；

第六步，变换标靶的位置，重复1～5步的过程，重复次数一次以上；

第七步，由三维点拟合激光平面方程。

2.根据权利要求1所述的结构光测量传感器标定方法，其特征在于，其中所述的第二步中，当标靶相对于激光器(2)运动时，标靶和激光器(2)之间设置硬件同步触发信号。

3.根据权利要求1所述的结构光测量传感器标定方法，其特征在于，其中所述的第四步中，首先计算出给定像点在其它像片上的对应核线，像点p₁在像S₁空间坐标系中的坐标记为，在S₂像空(x₁,y₁,z₁)间坐标系中的坐标为(x,y,z)，则有：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=M_2^T\left(M_1\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{X}_{s1}-X_{s1}\\ Y_{s1}-Y_{s2}\\ Z_{s1}-Z_{s2}\end{array}\right)\right)---\left(1\right)$

上式中，(X_s,Y_s,Z_s)为像片投影中心在物方空间坐标系中的坐标，M₁和M₂为像空间坐标系相对于物方空间坐标系的旋转矩阵，在S₁像空间坐标系中，S₁和p₁的坐标已知，分别为(0,0,0)和(x₁,y₁,-f)，根据1式，可得S₁和p₁在S₂像空间坐标系中的坐标，分别记为(X_s12,Y_s12,Z_s12)和(x₁₂,y₁₂,z₁₂)；

由S₁、p₁和S₂三点共面(核面)，可得核面在S₂像空间坐标系中的方程为：

$\left|\begin{array}{ccc}x& y& z\\ X_{s12}& Y_{s12}& Z_{s12}\\ x_{12}& y_{12}& z_{12}\end{array}\right|=0---\left(2\right)$

在S₂像空间坐标系下，像平面I₂的平面方程为：

z＝-f (3)

将3式代入2式，即可得像点p₁在像平面I₂上的对应核线方程：

$\left|\begin{array}{cc}{Y}_{s12}& Z_{s12}\\ y_{12}& z_{12}\end{array}\right|x-\left|\begin{array}{cc}{X}_{s12}& Z_{s12}\\ x_{12}& z_{12}\end{array}\right|y-\left|\begin{array}{cc}{X}_{s12}& Y_{s12}\\ x_{12}& y_{12}\end{array}\right|\·f=0---\left(4\right).$

4.根据权利要求1所述的结构光测量传感器标定方法，其特征在于，其中所述的第五步，激光面上点的三维坐标计算公式为：

$\begin{array}{c}(f_1*a_1+\hat{x}*a_3)*X+(f*b_1+\hat{x}*b_3)*Y+(f*c_1+\hat{x}*c_3)*Z=(f*a_1+\hat{x}*a_3)*X_s+\\ (f*b_1+\hat{x}*b_3)*Y_s+(f*c_1+\hat{x}*c_3)*Z_s\end{array}$

$\begin{array}{c}(f*a_2+\hat{x}*a_3)*X+(f*b_2+\hat{x}*b_3)*Y+(f*c_2+\hat{x}*c_3)*Z=(f*a_2+\hat{x}*a_3)*X_s+\\ (f*b_2+\hat{x}*b_3)*Y_s+(f*c_2+\hat{x}*c_3)*Z_s\end{array}$

将匹配到的同名点坐标，代入上式；计算出平面上点的三维点坐标，其中，为纠正后的像点坐标，f为相机镜头焦距，a_i，b_i，c_i为旋转矩阵参数，X_s，Y_s，Z_s为外方位参数。

5.根据权利要求1所述的结构光测量传感器标定方法，其特征在于，其中步骤7中最小二乘拟合，误差方程为：

$0=\hat{F}+\frac{\left|a*x+b*y+c*z+d\right|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}.$

对上式求平面方程系数的偏导数，系数初值为1，代入迭代解算出平面方程式系数。