CN113983933B - 一种多线激光传感器的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多线激光传感器的标定方法，包括以下步骤：1）标定相机内外参、放标定板；2）投激光条，采集图像；解算特征点三维坐标，构建空间平面；3）将任一图像、任一光条中心线上点进行如下处理：①在同时采集的另一图像中找对应极线，确定极线与所有激光条交点；②利用交点与对应点解算空间坐标，寻找步骤1）构建平面上的点；如无则进行步骤4）；③上步得到点构成激光条对应空间直线；4）用相同方法处理其他激光条；5）变换位姿，重复步骤2）~4），获取所有位姿下的激光条对应空间直线；6）筛选同一激光条所对应空间直线，拟合平面，完成标定。该方法无需人为干预，能同时标出所有光平面，实现了多线激光器的快速自动化标定。
Description
技术领域
本发明涉及传感器标定领域，具体涉及一种多线激光传感器的标定方法。
背景技术
随着光学测量技术发展，因线激光的视觉***测试效率高、便携，被广泛应用于尺寸测量和逆向工程。该***中包括相机和激光器，其标定包括以下两部分：双目相机标定和光平面标定。目前，对双目相机的标定有很多成熟的方法，此处不再赘述；对光平面的标定，大多仅针对单个光平面进行，具体为：视觉***中的激光器向靶标投射光条，相机拍摄靶标以及靶标上的光条图像，提取光条点的空间坐标，变化靶标位置，多次采集靶标及光条图像，根据各位姿下获取的光条点的空间坐标，拟合出光平面。当图像中同时存在多个激光条时，多个光平面均需要拟合，此时，标定方法若沿用单线结构光的标定策略，即首先单线逐条检测、索引、估计每个光平面与标靶交线图像上的特征点，然后得到光平面方程，步骤繁琐，而且***的最大标定精度取决于单个光平面的标定误差。
若要同时标定多个光平面，降低标定误差，难点为：无法区分各激光条，需要人工干预、区分各条激光条。由于多线结构光投射器可投射的线数较多（从7线到81线，一般情况为奇数条），且标定过程涉及到多个靶标位姿，这样人工区分的标定方式效率低且易错，标定过程耗时长。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明针对双目多线激光传感器，提出一种新的标定方法，无需人为干预，就能同时标定出所有光平面，实现了多线激光器的快速自动化标定。
为此，本发明的技术方案如下：
一种多线激光传感器的标定方法，所述多线激光传感器包括双目相机和多线激光器，双目相机中的一个标记为相机A，另一个标记为相机B；包括：
步骤一、标定双目相机内外参；在多线激光传感器的测量体积内摆放标定板，所述标定板上设有多个特征点；
步骤二、激光器在标定板上投射激光条，双目相机采集图像，图像中至少包括三个不共线的特征点以及部分或全部激光条；解算图像中特征点的三维坐标，并以此构建空间平面，将其标记为平面P；
步骤三、将相机A获取图像中的任一激光条的光条中心线上的点分别进行如下处理：所述光条中心线上的点记为点D i ，i=1,2,3,4……n，n为光条中心线上点的数量；
1）分别查找点D i 在相机B所采集图像上的极线，极线与相机B采集到图像中的所有激光条的交点组成交点集合；
2）利用交点集合中所有点分别与点D i 配合解算空间坐标，若没有空间坐标位于平面P上，则跳转到步骤四，否则，取平面P上的空间坐标为点D i 的空间坐标；
3）将n个点D i 的空间坐标形成的直线记为所述激光条对应的空间直线L；
步骤四、对相机A获取图像中其他激光条分别进行步骤三，将获取的所有空间直线L记为集合Q；
步骤五、变换多线激光传感器和所述标定板的相对位置关系，重复步骤二~四N次（为了拟合出的光平面更加准确，优选N≥10），获取所有位姿下的集合Q，组成集合W；
所述集合W中包括激光器投射的所有激光条所对应的空间直线L；
步骤六、在集合W中分别筛选激光器投射的同一激光条所对应的空间直线L；利用其拟合光平面，获取激光器投射的所有激光条所对应的光平面，完成标定。
进一步，在重复步骤二~四N次的过程中，每条激光条在双目相机公共视场中出现的次数大于等于Floor（
）次， Floor表示向下取整运算。
进一步，步骤二采集到的图像中，部分或全部激光条与图像坐标系的X轴均不平行。
为了防止激光条对特征点拟合的干扰，步骤二，多线激光传感器与标定板在同一相对位姿下，在不打开激光器的条件下采集图像对I；在打开激光器的条件下，采集图像对II；
利用图像对I中图像解算特征点的三维坐标，获取平面P；利用图像对II中图像进行步骤三。
进一步，标定板的颜色、特征点的颜色与激光条的颜色互不相同。
进一步，特征点为特征圆圆心或棋盘格角点。
进一步，双目相机的内外参通过张氏标定或光束平差的方法解算。
进一步，同一激光条所对应的空间直线L采用如下方法获得：从任一集合Q中任选一条空间直线L，依次选择不同位姿下获取的集合Q中的任意一条空间直线L，利用两条空间直线L拟合平面，记为平面K，选择其他集合Q中落在平面K上的空间直线L，所有选出的空间直线L即为同一激光条所对应的空间直线L；若其他集合Q中没有落在平面K上的空间直线L则表明用于拟合平面的两条空间直线L并非是同一激光条所对应的空间直线L。
进一步，同一激光条所对应的空间直线L采用如下方法获得：
①选择任一集合Q位于中间位置的空间直线L，利用其与其他集合Q中的任意一条空间直线L拟合空间平面，记为平面J，选择其他集合Q中落在平面J上的空间直线L，所有选出的空间直线L即为同一激光条所对应的空间直线L，将其标记为空间直线L’；
②确定所有空间直线L’所对应的相机A、相机B所采集的图像中的光条位置，将其标记为光条F，分别计算各图像上光条的平均间距，依据各光条与同张图像上光条F的间距，配对相机A、相机B所采集图像上的光条，并利用配对结果查找对应空间直线L，依次获取与空间直线L’相对位置已知的空间直线L；即能得到同一激光条所对应的所有空间直线L。
该方法采用设有多个特征点的标定板，通过特征点拟合出空间平面、利用空间平面约束光条点在空间中的坐标，准确获得激光条的空间点集，得到空间直线L；建立了单根激光条在左右图像中的对应关系；变换多位姿，得出集合W，由于同一条激光线不同位姿下的空间直线L是共面的，因此在集合W中能够筛选出各个激光条对应的光条直线集合，拟合光平面，完成光平面标定。
本方法操作简单，耗时短，传感器与标定板无严格位置要求，标定板只需摆放在传感器测量体积内，激光条可以投射在特征点上也可以投射在特征点间，标定板上的特征点可以有序也可以无序只需要能够确定唯一的空间平面即可；单位姿下，公共视场采集的图像只需尽量包含较多的光条。该方法提高了标定效率，可实现自动化标定。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
一种多线激光传感器的标定方法，多线激光传感器包括双目相机和多线激光器，双目相机中的一个标记为相机A，另一个标记为相机B；包括：
步骤一、标定双目相机内外参；在多线激光传感器的测量体积（两部相机视锥体空间范围的总和）内摆放标定板，标定板上设有多个特征点；
步骤二、激光器在标定板上投射激光条，双目相机采集图像，图像中至少包括三个不共线的特征点以及部分或全部激光条；解算图像中特征点的三维坐标，并以此构建空间平面，将其标记为平面P；
步骤三、将相机A获取图像中的任一激光条的光条中心线上的点分别进行如下处理：光条中心线上的点记为点D i ，i=1,2,3,4……n，n为光条中心线上点的数量；
1）分别查找点D i 在相机B所采集图像上的极线，极线与相机B采集到图像中的所有激光条的交点组成交点集合；
2）利用交点集合中所有点分别与点D i 配合解算空间坐标，若没有空间坐标位于平面P上，则跳转到步骤四，否则，取平面P上的空间坐标为点D i 的空间坐标；
3）将n个点D i 的空间坐标形成的直线记为激光条对应的空间直线L；
步骤四、对相机A获取图像中其他激光条分别进行步骤三，将获取的所有空间直线L记为集合Q；
步骤五、变换多线激光传感器和标定板的相对位置关系，重复步骤二~四N次（为了拟合出的光平面更加准确，优选N≥10），获取所有位姿下的集合Q，组成集合W；
在具体实施时，优选，每条激光条在双目相机公共视场中出现的次数大于等于Floor（N/2）次，Floor表示向下取整运算；
集合W中包括激光器投射的所有激光条所对应的空间直线L；
步骤六、在集合W中分别筛选激光器投射的同一激光条所对应的空间直线L；利用其拟合光平面，获取激光器投射的所有激光条所对应的光平面，完成标定。
具体来说：同一激光条所对应的空间直线L采用如下方法获得：从任一集合Q中任选一条空间直线L，依次选择不同位姿下获取的集合Q中的任意一条空间直线L，利用两条空间直线L拟合平面，记为平面K，选择其他集合Q中落在平面K上的空间直线L，所有选出的空间直线L即为同一激光条所对应的空间直线L；若其他集合Q中没有落在平面K上的空间直线L则表明用于拟合平面的两条空间直线L并非是同一激光条所对应的空间直线L。
或者，同一激光条所对应的空间直线L采用如下方法获得：
①选择任一集合Q位于中间位置的空间直线L，利用其与其他集合Q中的任意一条空间直线L拟合空间平面，记为平面J，选择其他集合Q中落在平面J上的空间直线L，所有选出的空间直线L即为同一激光条所对应的空间直线L，将其标记为空间直线L’；
②确定所有空间直线L’所对应的相机A、相机B所采集的图像中的光条位置，将其标记为光条F，分别计算各图像上光条的平均间距，依据各光条与同张图像上光条F的间距，配对相机A、相机B所采集图像上的光条，并利用配对结果查找对应空间直线L，依次获取与空间直线L’相对位置已知的空间直线L；即能得到同一激光条所对应的所有空间直线L。
此处仅给出两种实现方式，本领域技术人员可结合数学知识，推断衍生其他方式进行。
作为对上述方案的一种改进，为了防止激光条对特征点拟合的干扰，步骤二，多线激光传感器与标定板在同一相对位姿下，在不打开激光器的条件下采集图像对I；在打开激光器的条件下，采集图像对II；利用图像对I中图像解算特征点的三维坐标，获取平面P；利用图像对II中图像进行步骤三。
为了优化标定结果或简化计算过程，优选，步骤二采集到的图像中，部分或全部激光条与图像坐标系的X轴均不平行。
优选，标定板的颜色、特征点的颜色与激光条的颜色互不相同。
优选，特征点为特征圆圆心或棋盘格角点。
优选，双目相机的内外参通过张氏标定或光束平差的方法解算。
该方法操作简单，耗时短，传感器与标定板无严格位置要求，标定板只需摆放在传感器测量体积内，激光条可以投射在特征点上也可以投射在特征点间，标定板上的特征点可以有序也可以无序只需要能够确定唯一的空间平面即可；单位姿下，公共视场采集的图像只需尽量包含较多的光条即可。该方法提高了标定效率，可实现自动化标定。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。
Claims (10)
1.一种多线激光传感器的标定方法，所述多线激光传感器包括双目相机和多线激光器，双目相机中的一个标记为相机A，另一个标记为相机B；
其特征在于，包括：
步骤一、标定双目相机内外参；在多线激光传感器的测量体积内摆放标定板，所述标定板上设有多个特征点；
步骤二、激光器在标定板上投射激光条，双目相机采集图像，图像中至少包括三个不共线的特征点以及部分或全部激光条；解算图像中特征点的三维坐标，并以此构建空间平面，将其标记为平面P；
步骤三、将相机A获取图像中的任一激光条的光条中心线上的点分别进行如下处理：所述光条中心线上的点记为点D i ，i=1,2,3,4……n，n为光条中心线上点的数量；
1）分别查找点D i 在相机B所采集图像上的极线，极线与相机B采集到图像中的所有激光条的交点组成交点集合；
2）利用交点集合中所有点分别与点D i 配合解算空间坐标，若没有空间坐标位于平面P上，则跳转到步骤四，否则，取平面P上的空间坐标为点D i 的空间坐标；
3）将n个点D i 的空间坐标形成的直线记为所述激光条对应的空间直线L；
步骤四、对相机A获取图像中其他激光条分别进行步骤三，将获取的所有空间直线L记为集合Q；
步骤五、变换多线激光传感器和所述标定板的相对位置关系，重复步骤二~四N次，获取所有位姿下的集合Q，组成集合W；
所述集合W中包括激光器投射的所有激光条所对应的空间直线L；
步骤六、在集合W中分别筛选激光器投射的同一激光条所对应的空间直线L；利用其拟合光平面，获取激光器投射的所有激光条所对应的光平面，完成标定。
2.如权利要求1所述多线激光传感器的标定方法，其特征在于：步骤五中：N≥10。
3.如权利要求1或2所述多线激光传感器的标定方法，其特征在于：在重复步骤二~四N次的过程中，每条激光条在双目相机公共视场中出现的次数大于等于Floor（
）次，Floor表示向下取整运算。
4.如权利要求1所述多线激光传感器的标定方法，其特征在于：步骤二采集到的图像中，部分或全部激光条与图像坐标系的X轴均不平行。
5.如权利要求1所述多线激光传感器的标定方法，其特征在于：步骤二，多线激光传感器与标定板在同一相对位姿下，在不打开激光器的条件下采集图像对I；在打开激光器的条件下，采集图像对II；
利用图像对I中图像解算特征点的三维坐标，获取平面P；利用图像对II中图像进行步骤三。
6.如权利要求1所述多线激光传感器的标定方法，其特征在于：标定板的颜色、特征点的颜色与激光条的颜色互不相同。
7.如权利要求1所述多线激光传感器的标定方法，其特征在于：特征点为特征圆圆心或棋盘格角点。
8.如权利要求1所述多线激光传感器的标定方法，其特征在于：双目相机的内外参通过张氏标定或光束平差的方法解算。
9.如权利要求1所述多线激光传感器的标定方法，其特征在于：同一激光条所对应的空间直线L采用如下方法获得：从任一集合Q中任选一条空间直线L，依次选择不同位姿下获取的集合Q中的任意一条空间直线L，利用两条空间直线L拟合平面，记为平面K，选择其他集合Q中落在平面K上的空间直线L，所有选出的空间直线L即为同一激光条所对应的空间直线L；若其他集合Q中没有落在平面K上的空间直线L则表明用于拟合平面的两条空间直线L并非是同一激光条所对应的空间直线L。
10.如权利要求1所述多线激光传感器的标定方法，其特征在于：同一激光条所对应的空间直线L采用如下方法获得：
①选择任一集合Q位于中间位置的空间直线L，利用其与其他集合Q中的任意一条空间直线L拟合空间平面，记为平面J，选择其他集合Q中落在平面J上的空间直线L，所有选出的空间直线L即为同一激光条所对应的空间直线L，将其标记为空间直线L’；
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