CN115810055A - 一种基于平面棋盘格的环形结构光标定方法 - Google Patents

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CN115810055A CN202211623564.1A CN202211623564A CN115810055A CN 115810055 A CN115810055 A CN 115810055A CN 202211623564 A CN202211623564 A CN 202211623564A CN 115810055 A CN115810055 A CN 115810055A
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严飞
吴迪
刘佳
文杰
肖雨倩
路长秋
孙成
吴佩悦
刘银萍
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Abstract

本发明公开了一种基于平面棋盘格的环形结构光标定方法，包括：(1)将环形结构光投射在棋盘格标定板上，改变棋盘格标定板位姿获取多组标定图案；(2)获取每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标；(3)利用交比不变性原理，分别将每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标转化为相机坐标系下的三维坐标；(4)将所有交点对应相机坐标系下的三维坐标拟合成圆锥曲面方程；基于拟合的圆锥曲面方程建立环形结构光视觉传感器的数学模型完成标定。本发明能够提供一种操作简单、高效的快速环形结构光标定方案。

Description

一种基于平面棋盘格的环形结构光标定方法
技术领域
本发明涉及光学测量及检测技术领域，具体是涉及一种基于平面棋盘格的环形结构光标定方法。
背景技术
随着社会不断发展和工业生产水平不断提高，自动化行业通对圆环内壁测量和检查提出更高要求，而三维视觉成像技术作为计算机视觉的一个重要分支，其高效率和高精度能够满足自动化生产产测需求。结构光三维测量技术具备成本低、精度高、易于实现并具备非接触等多方面优势，在工业检测与生产具有广泛发展空间和实际应用价值。结构光是一组由投射器(点，线，面)和相机组成的***结构，用投影器投射特定的光信息到物体表面后及背景后，由摄像头采集，根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。结构光标定是实现测量的首要工作，其目的在于确定激光器与相机的位置关系。
结构光模式分为点结构光模式、线结构光模式、多线结构光模式、面结构光模式和近期出现相位法。现有通过结构光进行三维物体测量一般需要制作特殊标靶，制作特殊标靶的过程复杂且成本较高。为了降低成本，现有技术中也存在采用棋传统的易于生成的棋盘格代替特殊标靶，例如：申请号为：2021110778226，名称为：单目视觉加环形结构光簇的三维扫描内壁设备与方法的专利申请中的结构光标定采用环形光投射于棋盘格上，但是该技术方案中按照相机中心于环形结构光发射器光心在一条直线上的原则固定轨道小车，由轨道小车上的精密仪器步进电机带动棋盘格在光轴直线上前后移动，该方案直接认为投射在棋盘格上的就是圆环，由此计算获取的三维点云数据是不准确的。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于平面棋盘格的环形结构光标定方法，操作简单，能够快速准确的完成环形结构光的标定。
技术方案：本发明提供一种基于平面棋盘格的环形结构光标定方法，具体包括：
(1)将环形结构光投射在棋盘格标定板上，通过相机拍摄一张标定图案；保持棋盘格标定板当前位姿不变，关闭环形结构光再拍摄一张标定图案，同一位姿的两张标定图案形成一组标定图案；改变棋盘格标定板位姿获取多组标定图案；
(2)针对获取的多组标定图案进行掩膜处理，将每组标定图案中环形结构光分割出来；采用激光中心提取算法，提取每组标定图案中环形结构光的像素坐标；根据环形结构光的像素坐标获取每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标；
(3)利用交比不变性原理，分别将每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标转化为世界坐标系下三维坐标；再将获取每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点对应的世界坐标系下三维坐标通过相机标定转化为相机坐标系下的三维坐标；
(4)将所有交点对应相机坐标系下的三维坐标拟合成圆锥曲面方程；基于拟合的圆锥曲面方程建立环形结构光视觉传感器的数学模型完成标定；具体的数学模型为：
Figure BDA0004003483930000021
式中，S为尺度变换因子；(u,v,1)为交点像素坐标；fx,fy,u0,v0均为相机内参；(Xc,Yc,Zc)为交点对应相机坐标系下的三维坐标；l0～l10均为拟合圆锥曲面方程系数。
进一步的，步骤(2)中交点的像素坐标获取具体为：
(2.1)针对每组标定图案，将打开环形结构光下拍摄的标定图案与同一位姿关闭环形结构光下拍摄的标定图案作差提取该组标定图案中环形结构光的掩膜，再通过图像处理将每组标定图案中环形结构光分割出来；
(2.2)采用steger中心点亚像素提取算法，提取每组标定图案中环形结构光的亚像素坐标；
(2.3)针对每组标定图案对应提取的环形结构光的亚像素坐标分别拟合成椭圆方程，同时将棋盘格上的直线拟合成直线方程，联立椭圆方程与直线方程获取每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标。
进一步的，步骤(3)具体包括：
(3.1)将每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标转化为图像坐标，公式为：
Figure BDA0004003483930000031
式中，1/dx与1/dy均表示相机内参，(x,y,z)表示图像坐标，z作归一化处理；
(3.2)利用交比不变性原理，基于图像坐标系下的复比与世界坐标系下的复比相等条件下将(x,y,z)转化为世界三维坐标中的(Xw,Yw,Zw)；
(3.3)利用相机的内参将世界三维坐标转化到相机坐标系下的三维坐标，公式为：
Figure BDA0004003483930000032
式中，R、T均为相机的外参数。
进一步的，步骤(4)中所有交点对应相机坐标系下的三维坐标通过最小二乘法拟合成圆锥曲面方程。
进一步的，步骤(3)中通过每组标定图案中关闭环形结构光下拍摄的标定图案进行相机标定获取相机的内参数与外参数。
此外，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
有益效果：本发明所述一种基于平面棋盘格的环形结构光标定方法相对于现有技术，其显著优点是：1、用传统的易于生成的棋盘格代替特殊标靶，省去制作标靶的复杂过程，成本低廉、操作简单；2、通过拍摄多组不同位姿下的标定图案，采用亚像素提取算法准确获取环形结构光的亚像素坐标，将其拟合成椭圆方程，更具备一般性，有利于提升精度；3、可以通过拍摄的多组不同位姿下的标定图案丰富实验数据，使得标定更具有可靠性。
附图说明
图1所示为本发明所述方法的流程图；
图2所示为本发明所述方法的原理图；
图3所示为本发明所述方法的***架构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种基于平面棋盘格的环形结构光标定方法，具体包括：如图3所示，包括相机、环形结构光视觉传感器、棋盘格标定板；本实施例中，环形结构光视觉传感器用于发射圆环结构光，相机中心与环形结构光视觉传感器中心无需保持在一条直线上，棋盘格标定板的位姿可以根据环形结构光调整，不用固定单一方向上。
步骤一、将环形结构光投射在棋盘格标定板上，并且变化棋盘格的位姿，获取多组标定图案。具体的，
每一组标定图案包含两幅图案，其中一幅打开环形结构光，将环形结构光投射在棋盘格标定板上，通过相机拍摄一张标定图案；然后不改变棋盘格的当前位姿，关闭结构光再拍摄一张标定图案获取第二幅图案；同一位姿的两张标定图案形成一组标定图案。
***标定一次需要多组标定图案，每一组标定图案需要改变棋盘格的位姿，为保证数据可靠性，至少保证获取15组标定图案。
步骤二、获取棋盘格上直线与环形结构光的交点像素坐标。具体的：
(1)针对每组标定图案，将打开环形结构光下拍摄的标定图案与同一位姿关闭环形结构光下拍摄的标定图案做差提取该组标定图案中环形结构光的掩膜，再通过图像处理将每组标定图案中环形结构光分割出来；
(2)用激光中心提取算法，提取每组标定图案中环形结构光的像素坐标；具体的，为了获取准确的环形结构光的像素坐标，采用steger中心点亚像素提取算法，提取每组标定图案中环形结构光的亚像素坐标；
(3)针对每组标定图案对应提取的环形结构光的亚像素坐标分别拟合成椭圆方程，同时将棋盘格上的直线拟合成直线方程，联立椭圆方程与直线方程获取每组标定图案环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标。具体的公式为：
k1u2+k2v2+k3u+k4v+k5uv+k6＝0
Figure BDA0004003483930000051
式中，k1～k6均为拟合椭圆方程系数，a1～a6和b1～b6为拟合棋盘格直线方程系数；n表示棋盘格的行数；将上述椭圆方程和直线方程联立可以求出棋盘格上每一条直线与环形结构光的交点像素坐标(u,v)。
步骤三、利用交比不变性原理，分别将每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标转化空间三维坐标(即世界坐标系下三维坐标)，再通过相机标定转化为相机坐标系下的三维坐标。具体的：
(1)将每一组的关闭环形结构光的图案单独进行相机标定，获得相机的内外参数，再用交比不变性原理获取交点的空间三维坐标。首先将每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标转化为图像坐标，公式为：
Figure BDA0004003483930000052
式中，1/dx与1/dy均表示相机内参，(x,y,z)表示图像坐标，z作归一化处理；
(2)利用交比不变性原理，基于图像坐标系下的复比与世界坐标系下的复比相等条件下将图像坐标(x,y,z)转化为世界三维坐标中的(Xw,Yw,Zw)；由于每组标定图案对应的每一张棋盘格为参考平面，因此深度Zw均为0；
(3)利用相机的内参将世界三维坐标转化到相机坐标系下的三维坐标，公式为：
Figure BDA0004003483930000053
式中，R、T均为相机的外参数。
步骤四、如图2所示，通过最小二乘法将所有交点对应相机坐标系下的三维坐标拟合成圆锥曲面方程；基于拟合的圆锥曲面方程建立环形结构光视觉传感器的数学模型完成标定。具体环形结构光视觉传感器的数学模型为：
Figure BDA0004003483930000061
式中，S为尺度变换因子；(u,v,1)为交点像素坐标；fx,fy,u0,v0均为相机内参；(Xc,Yc,Zc)为交点对应相机坐标系下的三维坐标；l0～l10均为拟合圆锥曲面方程系数。
综上，本发明所述方法无需制作特殊的平面标靶模型，无需精密仪器移动标靶，操作简单，***成本可控，有着显著的实际应用价值。

Claims (7)

1.一种基于平面棋盘格的环形结构光标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将环形结构光投射在棋盘格标定板上，通过相机拍摄一张标定图案；保持棋盘格标定板当前位姿不变，关闭环形结构光再拍摄一张标定图案，同一位姿的两张标定图案形成一组标定图案；改变棋盘格标定板位姿获取多组标定图案；
(2)针对获取的多组标定图案进行掩膜处理，将每组标定图案中环形结构光分割出来；采用激光中心提取算法，提取每组标定图案中环形结构光的像素坐标；根据环形结构光的像素坐标获取每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标；
(3)利用交比不变性原理，分别将每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标转化为世界坐标系下三维坐标；再将获取每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点对应的世界坐标系下三维坐标通过相机标定转化为相机坐标系下的三维坐标；
(4)将所有交点对应相机坐标系下的三维坐标拟合成圆锥曲面方程；基于拟合的圆锥曲面方程建立环形结构光视觉传感器的数学模型完成标定；具体环形结构光视觉传感器的数学模型为：
Figure FDA0004003483920000011
式中，S为尺度变换因子；(u,v,1)为交点像素坐标；fx,fy,u0,v0均为相机内参；(Xc,Yc,Zc)为交点对应相机坐标系下的三维坐标；l0～l10均为拟合圆锥曲面方程系数。
2.根据权利要求1所述的基于平面棋盘格的环形结构光标定方法，其特征在于，步骤(2)中交点的像素坐标获取具体为：
(2.1)针对每组标定图案，将打开环形结构光下拍摄的标定图案与同一位姿关闭环形结构光下拍摄的标定图案作差提取该组标定图案中环形结构光的掩膜，再通过图像处理将每组标定图案中环形结构光分割出来；
(2.2)采用steger中心点亚像素提取算法，提取每组标定图案中环形结构光的亚像素坐标；
(2.3)针对每组标定图案对应提取的环形结构光的亚像素坐标分别拟合成椭圆方程，同时将棋盘格上的直线拟合成直线方程，联立椭圆方程与直线方程获取每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标。
3.根据权利要求1所述的基于平面棋盘格的环形结构光标定方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：
(3.1)将每组标定图案中环形结构光与棋盘格直线交点的像素坐标转化为图像坐标，公式为：
Figure FDA0004003483920000021
式中，1/dx与1/dy均表示相机内参，(x,y,z)表示图像坐标，z作归一化处理；
(3.2)利用交比不变性原理，基于图像坐标系下的复比与世界坐标系下的复比相等条件下将(x,y,z)转化为世界三维坐标中的(Xw,Yw,Zw)；
(3.3)利用相机的内参将世界三维坐标转化到相机坐标系下的三维坐标，公式为：
Figure FDA0004003483920000022
式中，R、T均为相机的外参数。
4.根据权利要求1所述的基于平面棋盘格的环形结构光标定方法，其特征在于，步骤(4)中所有交点对应相机坐标系下的三维坐标通过最小二乘法拟合成圆锥曲面方程。
5.根据权利要求1所述的基于平面棋盘格的环形结构光标定方法，其特征在于，步骤(3)中通过每组标定图案中关闭环形结构光下拍摄的标定图案进行相机标定获取相机的内参数与外参数。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至权利要求5中任意一项所述方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至权利要求5中任意一项所述的方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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