CN113655466A - 一种基于结构光三角测量的标定***和标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于结构光三角测量的标定方法，涉及激光测距技术领域，解决现有标定方式成本高的技术问题，方法为：使用棋盘格标定板标定图像采集设备，向棋盘格标定板照射一字线激光，并获取棋盘格标定板的图像，获取所述图像中黑色和白色方块的交叉点，建立棋盘格标定板坐标系，并计算各交叉点的实际坐标，计算图像采集设备坐标系与棋盘格标定板坐标系的相对位置关系，计算得到一字线激光在图像采集设备坐标系的一字线激光平面方程。本发明还公开了一种基于结构光三角测量的标定***。本发明不需要借助外部机械移动平台来标定摄像机激光平面的相对关系，不必限定激光平面与摄像机平行安装，大大降低了标定***的复杂度和标定成本。

Description

一种基于结构光三角测量的标定***和标定方法
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，更具体地说，它涉及一种基于结构光三角测量的标定***和标定方法。
背景技术
目前，激光测距在国内外已经得到广泛应用，三角测量法因其精度高被广泛应用于各行各业对精度要求高的场合。现有的标定方法需要借助于外部机构提供参照物的绝对位移，通过绝对位移来计算摄像机和一字线激光的位置关系，且一字线激光平面需要与摄像机单轴平行，不仅需要搭建复杂的控制***，而且对移动平台的控制精度要求较高、成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的一是提供一种成本低的基于结构光三角测量的标定方法。
本发明的目的二是提供一种成本低的基于结构光三角测量的标定***。
为了实现上述目的一，本发明提供一种基于结构光三角测量的标定方法，包括：
步骤一.使用棋盘格标定板标定图像采集设备，得到所述图像采集设备的标定参数矩阵K，
Figure BDA0003167345660000011
其中fx为x轴方向焦距，fy为y轴方向焦距，cx为图像采集设备光轴在图像坐标系中x方向坐标，cy为图像采集设备光轴在图像坐标系中y方向坐标；
步骤二.向所述棋盘格标定板照射一字线激光，并获取所述棋盘格标定板的图像；
步骤三.获取所述图像中黑色和白色方块的交叉点，得到交叉点的点集p，某点的坐标为p(u,v)；
步骤四.根据所述棋盘格标定板建立棋盘格标定板坐标系，根据所述棋盘格标定板坐标系得到步骤三中各交叉点的实际坐标，点集记作P，第i行第j列点坐标为Pij(X,Y,Z)；
步骤五.根据点p(u,v)与对应的点P(X,Y,Z)使用PnP方法求解图像采集设备坐标系与棋盘格标定板坐标系的相对位置关系(R,t)，PnP的解算公式为：
Figure BDA0003167345660000021
其中，由rj组成的方阵为旋转矩阵R,ti组成的列向量为平移向量t；
步骤六.从所述图像中的激光线上选择任意两点p1′、p2′，通过(R,t)以及图像采集设备的标定参数计算棋盘格标定板坐标系下的坐标P1′、P2′，计算公式为：
Figure BDA0003167345660000022
将P1′、P2′转换到图像采集设备坐标系，计算两点对应的实际坐标P1″、P2″，计算公式为：
Figure BDA0003167345660000023
步骤七.任意改变所述棋盘格标定板的姿态，重复步骤三～步骤六，直到采集到N组点，记录下每一组操作中图像采集设备坐标系的点P1″、P2″，并组成点集P″；
步骤八.根据步骤七得到的点集P″通过最小二乘法计算方程：
Z＝AX+BY+C，
的系数A、B、C，得到一字线激光在图像采集设备坐标系的一字线激光平面方程，根据所述一字线激光平面方程计算所述图像中的激光线上任意点(u,v)在图像采集设备坐标系的坐标(X,Y,Z)，计算公式为：
Figure BDA0003167345660000031
作为进一步地改进，所述建立棋盘格标定板坐标系具体为：以所述棋盘格标定板的左上角为棋盘格标定板坐标系的原点，以棋盘格标定板的长边方向为x轴，以棋盘格标定板的短边方向为y轴，以棋盘格标定板的法线方向为z轴，根据棋盘格标定板的方块尺寸squareSize计算第i行第j列点Pij(X,Y,Z)的实际坐标X、Y、Z：
Figure BDA0003167345660000032
进一步地，在所述步骤七中，N≥10。
为了实现上述目的二，本发明提供一种基于结构光三角测量的标定***，包括图像采集设备、一字线激光发射器、棋盘格标定板、计算机处理单元，所述计算机处理单元信号连接所述图像采集设备、一字线激光发射器，所述图像采集设备与一字线激光发射器成三角测量位置关系且位置固定；
所述一字线激光发射器用于照射一字线激光到所述棋盘格标定板；
所述计算机处理单元通过所述图像采集设备获取所述棋盘格标定板的图像，并根据上述的方法计算所述图像中的激光线上选择任意点的坐标。
作为进一步地改进，所述图像采集设备为摄像机或相机或摄像头。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有的优点为：
本发明不需要借助外部机械移动平台来标定摄像机激光平面的相对关系，而且不必限定激光平面与摄像机平行安装，大大降低了标定***的复杂度，同时降低了标定成本。
附图说明
图1为本发明的标定流程图；
图2为本发明***的结构示意图。
其中：1-图像采集设备、2-一字线激光发射器、3-棋盘格标定板、4-计算机处理单元。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
参阅图1、2，一种基于结构光三角测量的标定方法，包括：
步骤一.使用棋盘格标定板3标定图像采集设备1，得到图像采集设备1的标定参数矩阵K，
Figure BDA0003167345660000041
其中fx为x轴方向焦距，fy为y轴方向焦距，cx为图像采集设备光轴在图像坐标系中x方向坐标，cy为图像采集设备光轴在图像坐标系中y方向坐标；
步骤二.放置棋盘格标定板3在图像采集设备1的视野内，向棋盘格标定板3照射一字线激光，并获取棋盘格标定板3的图像；
步骤三.在图像上的坐标系获取图像中黑色和白色方块的交叉点，得到交叉点的点集p，某点的坐标为p(u,v)，u、v表示像素；
步骤四.根据棋盘格标定板3建立棋盘格标定板坐标系，根据棋盘格标定板坐标系得到步骤三中各交叉点的实际坐标，点集记作P，第i行第j列点坐标为Pij(X,Y,Z)；
步骤五.点集p与点集P内的点是一一对应的，根据点p(u,v)与对应的点P(X,Y,Z)使用PnP方法求解图像采集设备坐标系与棋盘格标定板坐标系的相对位置关系(R,t)，PnP的解算公式为：
Figure BDA0003167345660000051
其中，等号左边列向量为交叉点在图像上的坐标，等号右边第一个矩阵为图像采集设备的标定参数矩阵K，等号右边的第二个矩阵为待求解矩阵，由rj组成的方阵为旋转矩阵R,ti组成的列向量为平移向量t，(R,t)描述的是图像采集设备坐标系和棋盘格标定板坐标系的位置关系，最右边的列向量为各个特征点在棋盘格标定板坐标系中的坐标；
步骤六.从图像中的激光线上选择任意两点p1′、p2′，通过(R,t)以及图像采集设备的标定参数计算棋盘格标定板坐标系下的坐标P1′、P2′，计算公式为：
Figure BDA0003167345660000061
其中，等号左边列向量为棋盘格标定板坐标系下选择的点坐标，R为步骤五中计算的旋转矩阵，t为平移向量，K为步骤一标定的图像采集设备的标定参数矩阵，s为系数，最右边列向量为图像像素坐标，由于P1′、P2′在同一个平面上，Z′为常数0；
将P1′、P2′转换到图像采集设备坐标系，计算两点对应的实际坐标P1″、P2″，计算公式为：
Figure BDA0003167345660000062
步骤七.任意改变棋盘格标定板3的姿态，尽量不要与上一次平行，重复步骤三～步骤六，直到采集到N组点，N≥10，记录下每一组操作中图像采集设备坐标系的点P1″、P2″，并组成点集P″；
步骤八.根据步骤七得到的点集P″通过最小二乘法计算方程：
Z＝AX+BY+C，
的系数A、B、C，得到一字线激光在图像采集设备坐标系的一字线激光平面方程，根据一字线激光平面方程计算图像中的激光线上任意点(u,v)在图像采集设备坐标系的坐标(X,Y,Z)，计算公式为：
Figure BDA0003167345660000063
其中，摄像机的标定参数矩阵K由步骤一标定得出。
建立棋盘格标定板坐标系具体为：以棋盘格标定板3的左上角为棋盘格标定板坐标系的原点，以棋盘格标定板3的长边方向为x轴，以棋盘格标定板3的短边方向为y轴，以棋盘格标定板3的法线方向为z轴，根据棋盘格标定板3的方块尺寸squareSize计算第i行第j列点Pij(X,Y,Z)的实际坐标X、Y、Z：
Figure BDA0003167345660000071
一种基于结构光三角测量的标定***，包括图像采集设备1、一字线激光发射器2、棋盘格标定板3、计算机处理单元4，计算机处理单元4信号连接图像采集设备1、一字线激光发射器2，如计算机处理单元4通过线缆信号连接图像采集设备1、一字线激光发射器2，或者计算机处理单元4通过无线信号连接图像采集设备1、一字线激光发射器2，图像采集设备1与一字线激光发射器2成三角测量位置关系且位置固定；
一字线激光发射器2用于照射一字线激光到棋盘格标定板3；
计算机处理单元4通过图像采集设备1获取棋盘格标定板3的图像，并根据上述的方法计算图像中的激光线上选择任意点的坐标。
图像采集设备1为摄像机或相机或摄像头。
本发明不需要借助外部机械移动平台来标定摄像机激光平面的相对关系，而且不限定激光平面与摄像机平行安装，降低了标定***的复杂度和标定成本，克服了现有标定方案需要复杂控制***、成本高的缺陷。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (6)

1.一种基于结构光三角测量的标定方法，其特征在于，包括：
步骤一.使用棋盘格标定板(3)标定图像采集设备(1)，得到所述图像采集设备(1)的标定参数矩阵K，
Figure FDA0003167345650000011
其中fx为x轴方向焦距，fy为y轴方向焦距，cx为图像采集设备光轴在图像坐标系中x方向坐标，cy为图像采集设备光轴在图像坐标系中y方向坐标；
步骤二.向所述棋盘格标定板(3)照射一字线激光，并获取所述棋盘格标定板(3)的图像；
步骤三.获取所述图像中黑色和白色方块的交叉点，得到交叉点的点集p，某点的坐标为p(u,v)；
步骤四.根据所述棋盘格标定板(3)建立棋盘格标定板坐标系，根据所述棋盘格标定板坐标系得到步骤三中各交叉点的实际坐标，点集记作P，第i行第j列点坐标为Pij(X,Y,Z)；
步骤五.根据点p(u,v)与对应的点P(X,Y,Z)使用PnP方法求解图像采集设备坐标系与棋盘格标定板坐标系的相对位置关系(R,t)，PnP的解算公式为：
Figure FDA0003167345650000012
其中，由rj组成的方阵为旋转矩阵R,ti组成的列向量为平移向量t；
步骤六.从所述图像中的激光线上选择任意两点p1′、p2′，通过(R,t)以及图像采集设备的标定参数计算棋盘格标定板坐标系下的坐标P1′、P2′，计算公式为：
Figure FDA0003167345650000021
将P1′、P2′转换到图像采集设备坐标系，计算两点对应的实际坐标P1″、P2″，计算公式为：
Figure FDA0003167345650000022
步骤七.任意改变所述棋盘格标定板(3)的姿态，重复步骤三～步骤六，直到采集到N组点，记录下每一组操作中图像采集设备坐标系的点P1″、P2″，并组成点集P″；
步骤八.根据步骤七得到的点集P″通过最小二乘法计算方程：
Z＝AX+BY+C，
的系数A、B、C，得到一字线激光在图像采集设备坐标系的一字线激光平面方程，根据所述一字线激光平面方程计算所述图像中的激光线上任意点(u,v)在图像采集设备坐标系的坐标(X,Y,Z)，计算公式为：
Figure FDA0003167345650000023
2.根据权利要求1所述的一种基于结构光三角测量的标定方法，其特征在于，所述建立棋盘格标定板坐标系具体为：以所述棋盘格标定板(3)的左上角为棋盘格标定板坐标系的原点，以棋盘格标定板(3)的长边方向为x轴，以棋盘格标定板(3)的短边方向为y轴，以棋盘格标定板(3)的法线方向为z轴，根据棋盘格标定板(3)的方块尺寸squareSize计算第i行第j列点Pij(X,Y,Z)的实际坐标X、Y、Z：
Figure FDA0003167345650000031
3.根据权利要求1所述的一种基于结构光三角测量的标定方法，其特征在于，在所述步骤七中，N≥10。
4.根据权利要求1所述的一种基于结构光三角测量的标定方法，其特征在于，所述图像采集设备(1)为摄像机或相机或摄像头。
5.一种基于结构光三角测量的标定***，其特征在于，包括图像采集设备(1)、一字线激光发射器(2)、棋盘格标定板(3)、计算机处理单元(4)，所述计算机处理单元(4)信号连接所述图像采集设备(1)、一字线激光发射器(2)，所述图像采集设备(1)与一字线激光发射器(2)成三角测量位置关系且位置固定；
所述一字线激光发射器(2)用于照射一字线激光到所述棋盘格标定板(3)；
所述计算机处理单元(4)通过所述图像采集设备(1)获取所述棋盘格标定板(3)的图像，并根据权利要求1-4任意一项所述的方法计算所述图像中的激光线上选择任意点的坐标。
6.根据权利要求5所述的一种基于结构光三角测量的标定***，其特征在于，所述图像采集设备(1)为摄像机或相机或摄像头。
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