專利名稱：一種基于平面靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及對(duì)結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)檢測(cè)中傳感器參數(shù)標(biāo)定方法的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
準(zhǔn)確獲取客觀世界的三維信息是產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量控制、CAD/CAM、醫(yī)學(xué)診斷、文物鑒定、服裝設(shè)計(jì)、自動(dòng)導(dǎo)航以及虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。作為獲取三維信息的主要手段之一，結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)方法具有大量程、非接觸、速度快、系統(tǒng)柔性好、精度適中等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于三維模型重建、物體表面輪廓三維信息測(cè)量等領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器模型參數(shù)的有效標(biāo)定方法一直是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。目前主要有以下方法一是鋸齒靶法。段發(fā)階等在文章“一種新型線結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定方法”(儀器儀表學(xué)報(bào)，Vol.21No.1，2000)及劉鳳梅等在文章“利用鋸齒靶標(biāo)標(biāo)定線結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的新方法”(計(jì)量技術(shù)，No.7 pp.3￣6，1999)中陳述了這種方法。該方法主要讓光平面投射到鋸齒狀的靶標(biāo)上，從而在齒棱上形成一些亮點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn)。此種方法存在以下缺點(diǎn)一是因齒棱反光，造成像點(diǎn)的提取精度低。二是需要外部設(shè)備來(lái)嚴(yán)格調(diào)整光平面與某一基準(zhǔn)面(齒形靶基面)相垂直，難以實(shí)現(xiàn)，不適合現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。三是齒棱有限，獲取標(biāo)定點(diǎn)數(shù)目少。另一種方法是基于三維立體靶標(biāo)或者采用昂貴的輔助設(shè)備獲取三維標(biāo)定特征點(diǎn)的方法。1995年，清華大學(xué)的徐光祐等在文章“一種新的基于結(jié)構(gòu)光的三維視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定方法”(計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，Vol.18 No.6，1995)提出了利用交比不變性原理來(lái)獲取標(biāo)定點(diǎn)的方法，該方法要求高精度的三維輔助設(shè)備，實(shí)現(xiàn)過(guò)于麻煩。1999年，D.Q.HUYNH在文章“線結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的標(biāo)定一種新方法”(Calibration a Structured Light Stripe SystemA NovelApproach)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)國(guó)際期刊，第33卷，第一期，73-86頁(yè)，1999年(International Journal of Computer Vision，Vol.33，No.1，pp.73-86，1999)提出了基于交比不變性原理的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)系統(tǒng)標(biāo)定方法，該方法通過(guò)三維標(biāo)定靶標(biāo)上的已知精確坐標(biāo)的至少三個(gè)共線點(diǎn)，利用交比不變獲得結(jié)構(gòu)光光條與該已知三點(diǎn)所在直線的交點(diǎn)的坐標(biāo)。該方法需要至少兩個(gè)相互垂直的平面構(gòu)成的高精度三維標(biāo)定靶標(biāo)，三維靶標(biāo)的加工成本高，維護(hù)困難，而且由于平面之間對(duì)光照的相互遮擋，難以獲得高質(zhì)量的標(biāo)定圖像，獲取標(biāo)定點(diǎn)數(shù)量不可能太多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種精度較高，基于二維平面標(biāo)定靶的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，降低標(biāo)定設(shè)備的成本，簡(jiǎn)化標(biāo)定過(guò)程，改善其工程化應(yīng)用的便捷性。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定方法，其特征在于，1、設(shè)定一個(gè)靶標(biāo)2，它為一個(gè)二維平面，在靶標(biāo)平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊數(shù)量為4～100個(gè)，方塊的邊長(zhǎng)為(3～50)mm，其邊長(zhǎng)精度為(0.001～0.01)mm，方塊間距為3～50mm，其間距精度為(0.001～0.01)mm，選取每個(gè)方塊的頂點(diǎn)為特征點(diǎn)；2、將傳感器與靶標(biāo)2相距一定距離固定好，打開(kāi)傳感器CCD攝像機(jī)的電源；3、在攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，自由、非平行地移動(dòng)靶標(biāo)至少5個(gè)位置，每移動(dòng)一個(gè)位置，拍攝一幅圖像，稱為攝像機(jī)標(biāo)定圖像，并保存到計(jì)算機(jī)中，要求將靶標(biāo)2的黑色方塊包含在圖像內(nèi)；4、提取每一個(gè)位置的攝像機(jī)標(biāo)定圖像中所有黑色方塊頂點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中；5、利用所有位置的標(biāo)定特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)來(lái)標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，包括攝像機(jī)有效焦距、主點(diǎn)以及畸變系數(shù)，并保存到計(jì)算機(jī)中；6、打開(kāi)激光投射器的電源，放置平面標(biāo)定靶標(biāo)，要求光條1能夠橫向通過(guò)靶標(biāo)2的一行黑色方塊上，并且攝像機(jī)能夠拍攝到包括靶標(biāo)的所有黑色方塊在內(nèi)的圖像，拍攝一幅靶標(biāo)圖像，稱為傳感器標(biāo)定圖像，并保存到計(jì)算機(jī)中，然后將參照物轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，在滿足上述要求的情況下，再拍攝一幅傳感器標(biāo)定圖像并保存到計(jì)算機(jī)中；
7、根據(jù)攝像機(jī)的畸變模型，分別對(duì)兩幅傳感器標(biāo)定圖像進(jìn)行畸變校正，獲得兩幅無(wú)畸變傳感器標(biāo)定圖像；8、提取每幅無(wú)畸變傳感器標(biāo)定圖像中光條和標(biāo)定特征方塊的頂點(diǎn)圖像坐標(biāo)，并計(jì)算傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)即光條擬合直線與同一列標(biāo)定方塊特征點(diǎn)擬合直線的交點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；9、利用交比不變?cè)?，?jì)算傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)在各自靶標(biāo)坐標(biāo)系即定義在靶標(biāo)平面上的局部世界坐標(biāo)系下的局部世界坐標(biāo)；10、設(shè)定全局世界坐標(biāo)與第一個(gè)位置的靶標(biāo)坐標(biāo)系重合，利用第一幅無(wú)畸變傳感器標(biāo)定圖像中方塊頂點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的局部世界坐標(biāo)，根據(jù)攝像機(jī)模型，計(jì)算攝像機(jī)三維坐標(biāo)到全局世界坐標(biāo)的變換矩陣；11、利用傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的局部世界坐標(biāo)，以攝像機(jī)三維坐標(biāo)為中介，求出所有傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)在全局世界坐標(biāo)系下的世界坐標(biāo)；12、利用求出的傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)，標(biāo)定激光視覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；13、將標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)保存到系統(tǒng)參數(shù)文件中，以備測(cè)量調(diào)用。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本方法以攝像機(jī)三維坐標(biāo)系為中介，采用自由移動(dòng)的平面標(biāo)定靶標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定方法相比，本方法基于簡(jiǎn)單的可以自由移動(dòng)的平面靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器所有參數(shù)的標(biāo)定。該方法允許平面靶標(biāo)在測(cè)量空間內(nèi)自由移動(dòng)，攝像機(jī)可以獲取多幅高質(zhì)量的標(biāo)定靶標(biāo)圖像，能夠獲得更多的光平面上的標(biāo)定特征點(diǎn)，提高標(biāo)定精度，簡(jiǎn)化標(biāo)定過(guò)程。不存在三維標(biāo)定靶標(biāo)不同平面之間的相互遮擋問(wèn)題。該標(biāo)定方法不需要高成本的輔助調(diào)整設(shè)備，可以提高標(biāo)定效率，大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，因此特別適合結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。


圖1是平面靶標(biāo)示意圖。圖1中，1是投射的激光光條，2是靶標(biāo)體。
圖2是結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器數(shù)學(xué)模型。圖2中，3是激光投射器，4是光平面，5是圖像平面。
圖3是激光視覺(jué)傳感器標(biāo)定原理示意圖。
圖4是不同平面靶標(biāo)局部世界坐標(biāo)系的統(tǒng)一過(guò)程。
圖5是安裝在現(xiàn)場(chǎng)的激光視覺(jué)傳感器實(shí)物圖。圖5中，6是傳感器電源線、輸出信號(hào)接口端子，7是CCD攝像機(jī)視窗，8是傳感器安裝機(jī)構(gòu)，9是傳感器殼體，10是激光投射器窗口。
圖6、7是用于標(biāo)定傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的兩幅圖像的局部。
圖8是獲得的光平面上標(biāo)定特征點(diǎn)的全局世界坐標(biāo)。
圖9是光平面上標(biāo)定特征點(diǎn)的歸一化圖像坐標(biāo)。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明方法做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明首次使用簡(jiǎn)單可以自由移動(dòng)的平面靶標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器所有參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。本方法能夠獲得傳感器測(cè)量空間范圍內(nèi)任意位置的結(jié)構(gòu)光光平面上所需任意數(shù)量的高精度的三維特征點(diǎn)坐標(biāo)，用于傳感器的標(biāo)定。
激光視覺(jué)傳感器的數(shù)學(xué)模型。
由CCD攝像機(jī)和激光投射器組成的激光視覺(jué)傳感器的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。攝像機(jī)三維坐標(biāo)系為ocxcyczc，圖像坐平面5坐標(biāo)系為OXY。在光平面4上以一點(diǎn)os為原點(diǎn)，建立傳感器的測(cè)量坐標(biāo)系osxsyszs，其中光平面osxsys在測(cè)量參考坐標(biāo)系下的方程為zs＝0 (1)設(shè)光平面上任意一點(diǎn)P在傳感器測(cè)量坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)為p~s=(xs,ys,zs,1)T,]]>在圖像平面上的透視投影點(diǎn)為p，p的齊次坐標(biāo)為p~l=(xl,yl,1)T,]]>相應(yīng)的歸一化坐標(biāo)為p~n=(xn,yn,1)T.]]>攝像機(jī)的透視投影模型可以表為ρp~l=[R|T]p~s,ρ≠0----(2)]]>λp~n=A-1p~l,λ≠0----(3)]]>其中A=fx0u00fyv0001]]>R=r1r2r3r4r5r6r7r8r9,]]>T=txtytz.]]>A為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣，(fx，fy)為攝像機(jī)在x、y方向上的有效焦距，(u0，v0)為攝像機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)。R為3×3單位正交旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矢量。R和T表示了攝像機(jī)三維坐標(biāo)系和傳感器測(cè)量坐標(biāo)系之間的相互位置關(guān)系。
由公式(1)～(3)可得，圖像平面坐標(biāo)系與測(cè)量參考坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系為λxnyn1=r1r2txr4r5tyr7r8tzxsys1=Hxsys1----(4)]]>上式表明光平面與圖像平面之間的關(guān)系可以通過(guò)一個(gè)3×3矩陣表示。如果H的前兩列滿足正交條件，則公式(3)和(4)構(gòu)成了歐式空間上的激光視覺(jué)傳感器的完整的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)這一模型，結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定分為兩步一是攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定，二是傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定。
本發(fā)明方法的具體步驟如下1、設(shè)定一個(gè)靶標(biāo)2，它為一個(gè)二維平面，在靶標(biāo)平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊數(shù)量為4～100個(gè)，方塊的邊長(zhǎng)為(3～50)mm，其邊長(zhǎng)精度為(0.001～0.01)mm，方塊間距為3～50mm，其間距精度為(0.001～0.01)mm，選取每個(gè)方塊的頂點(diǎn)為特征點(diǎn)；2、將傳感器與靶標(biāo)相距一定距離固定好，打開(kāi)傳感器CCD攝像機(jī)的電源。
3、在攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，自由、非平行地移動(dòng)靶標(biāo)至少5個(gè)位置，每移動(dòng)一個(gè)位置，拍攝一幅圖像(以下稱為攝像機(jī)標(biāo)定圖像)并保存到計(jì)算機(jī)中，要求平面標(biāo)定靶標(biāo)的黑色方塊包含在圖像內(nèi)；4、提取每一個(gè)位置的攝像機(jī)標(biāo)定圖像中所有黑色方塊頂點(diǎn)的“亞像素”圖像坐標(biāo)，并將其和對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。方塊特征點(diǎn)坐標(biāo)提取算法參見(jiàn)周富強(qiáng)著《雙目立體視覺(jué)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究》，北京航空航天大學(xué)博士后研究工作報(bào)告，2002。
5、利用所有位置的標(biāo)定特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)來(lái)標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)(包括攝像機(jī)有效焦距、主點(diǎn)以及畸變系數(shù))并保存到計(jì)算機(jī)中。標(biāo)定算法參見(jiàn)周富強(qiáng)著《雙目立體視覺(jué)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究》，北京航空航天大學(xué)博士后研究工作報(bào)告，2002。
6、打開(kāi)激光投射器的電源。放置平面標(biāo)定靶標(biāo)，要求光條能夠橫向通過(guò)靶標(biāo)的一行黑色方塊上，并且攝像機(jī)能夠拍攝到包括靶標(biāo)的所有黑色凡方塊在內(nèi)的圖像，拍攝一幅靶標(biāo)圖像(以下稱為傳感器標(biāo)定圖像)并保存到計(jì)算機(jī)中，然后將參照物轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，再拍攝一幅傳感器標(biāo)定圖像并保存到計(jì)算機(jī)中，要求同第一幅圖像相同，視要求可以按此方式拍攝更多傳感器標(biāo)定圖像(本發(fā)明至少要求兩幅傳感器標(biāo)定圖像，以下基于兩幅圖像討論)。
7、根據(jù)攝像機(jī)的畸變模型，分別對(duì)兩幅傳感器標(biāo)定圖像進(jìn)行畸變校正，獲得兩幅無(wú)畸變傳感器標(biāo)定圖像。畸變校正算法參見(jiàn)周富強(qiáng)著《雙目立體視覺(jué)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究》，北京航空航天大學(xué)博士后研究工作報(bào)告，2002。
8、提取每幅無(wú)畸變傳感器標(biāo)定圖像中光條和標(biāo)定特征方塊的頂點(diǎn)圖像坐標(biāo)，并計(jì)算傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)(光條擬合直線與同一列標(biāo)定方塊特征點(diǎn)擬合直線的交點(diǎn))的圖像坐標(biāo)。設(shè)擬合直線參數(shù)方程為ax+by+cw＝0，其中(x，y，w)為構(gòu)成直線的特征點(diǎn)的齊次坐標(biāo)表示形式，(a，b，c)為擬合直線的參數(shù)方程。光條中心提取算法參見(jiàn)Carsten Steger的文章“一種對(duì)稱曲線結(jié)構(gòu)探測(cè)器”[An Unbiased Detector ofCurvilinear Structures]，IEEE期刊《模式分析及機(jī)器智能》，第20卷第2期，第113～125頁(yè)，1998年。[IEEE Transactions on PatternAhalysis and Machine Intelligence，Vol.20，No.2，1998]。標(biāo)定特征方塊頂點(diǎn)坐標(biāo)提取算法與(4)相同。由擬合的光條直線和特征點(diǎn)擬合直線的交點(diǎn)為傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)。
9、利用交比不變?cè)恚?jì)算傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)在各自靶標(biāo)坐標(biāo)系(定義在靶標(biāo)平面上的局部世界坐標(biāo)系)下的局部世界坐標(biāo)并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。如圖3所示，三維坐標(biāo)系ocxcyczc為攝像機(jī)坐標(biāo)系，oixiyizi為局部世界坐標(biāo)系，osxsyszs為測(cè)量坐標(biāo)系，平面πc為圖像平面，平面πs(osxsys)為光平面，平面πi(oixiyi)為靶標(biāo)平面，πs與πi相交成直線Ls。由交比的定義和不變性原理，可以得到平面標(biāo)定參照物上任意4個(gè)共線點(diǎn)(Aj，Qj，Bj，Cj)的交比和其在圖像平面內(nèi)的投影點(diǎn)(aj，qj，bj，cj)的交比保持不變，其中(j＝1…n)。即r(Aj,Qj,Bj,Cj)=AjBjQjBj:AjCjQjCj=ajbjqjbj:ajcjqjcj----(5)]]>如果給定Aj，Bj，Cj(即靶標(biāo)平面上的共面特征點(diǎn))的世界坐標(biāo)，通過(guò)圖像處理獲得aj，qj，bj，cj的圖像坐標(biāo)，則根據(jù)公式(5)就可以求出光平面上的特征點(diǎn)Qj的世界坐標(biāo)。
以上方法可以獲得光平面上特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)，若采用平面靶標(biāo)，在每一個(gè)位置只能獲得共線特征點(diǎn)，而根據(jù)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)系統(tǒng)的模型，至少需要4個(gè)非共線的光平面特征點(diǎn)，才能夠求出所有結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
10、設(shè)定全局世界坐標(biāo)與第一個(gè)位置的靶標(biāo)坐標(biāo)系重合，利用第一幅無(wú)畸變傳感器標(biāo)定圖像中方塊頂點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的局部世界坐標(biāo)，根據(jù)攝像機(jī)模型，計(jì)算全局世界坐標(biāo)到攝像機(jī)三維坐標(biāo)的變換矩陣。
將全局世界坐標(biāo)系建在第一個(gè)位置的平面靶標(biāo)上，與公式(4)類似，平面靶標(biāo)上特征點(diǎn)世界坐標(biāo)與其圖像坐標(biāo)之間的關(guān)系為sm~=HM~,H=A(r1r2T)=(h1h2h3)----(6)]]>其中m~=(xn,yn,1)]]>為特征點(diǎn)的歸一化圖像坐標(biāo)，M~=(xi,yi,1)]]>為特征點(diǎn)的局部二維世界坐標(biāo)。hi(i＝1～3)為H的第i列，ri(i＝1～3)為旋轉(zhuǎn)矩陣的列向量。H矩陣的自由度為8，因此需要至少4個(gè)非共線對(duì)應(yīng)點(diǎn)，由公式(6)就可以求出帶比例因子的H矩陣。若攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣A已知，則直接可以得到全局世界坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的變換關(guān)系，可以由旋轉(zhuǎn)矩陣Rwc和平移矢量Twc表示r1＝sA-1h1，r2＝sA-1h2，r3＝r1×r2，T＝sA-1h3(7)其中ri(i＝1～3)為旋轉(zhuǎn)矩陣Rwc的列向量，s＝1/‖A-1h1‖＝1/‖A-1h2‖。由公式(7)計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)矩陣并不滿足正交約束，采用奇異值分解方法將其正交化，設(shè)R^=UWVT,]]>則正交的旋轉(zhuǎn)矩陣為Rwc=UW′VT,]]>其中矩陣W′的對(duì)角線元素為1，1，|UVT|按降序排列。
11、利用傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的局部世界坐標(biāo)，以攝像機(jī)三維坐標(biāo)為中介，求出所有傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)在全局世界坐標(biāo)系下的世界坐標(biāo)。算法如下設(shè)任意標(biāo)定特征點(diǎn)P在全局世界坐標(biāo)系、某一局部世界坐標(biāo)系以及三維攝像機(jī)坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)分別為p~w=(xwywzw1)T,]]>p~i=(xiyizi1)T(i=1~N),]]>p~c=(xcyczc1)T.]]>以三維攝像機(jī)坐標(biāo)系為中介坐標(biāo)系，可以將標(biāo)定特征點(diǎn)的任意局部世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的全局世界坐標(biāo)。如圖4所示，主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下◆確定局部世界坐標(biāo)系到三維攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，即p~c=Hicp~i----(8)]]>
其中Hic=RicTic0T1]]>表示第i個(gè)局部世界坐標(biāo)系到三維攝像機(jī)坐標(biāo)系的4×4轉(zhuǎn)換矩陣，它由3×1的平移矢量Tic和3×3的正交旋轉(zhuǎn)矩陣Ric組成，Hic求法與(13)相同。
◆確定三維攝像機(jī)坐標(biāo)系到全局世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，即p~w=Hcwp~c----(9)]]>其中Hcw=(Rwc)1-Twc0T1]]>表示攝像機(jī)三維坐標(biāo)系到全局世界坐標(biāo)系的4×4轉(zhuǎn)換矩陣，其逆變換為Hwc，它由3×1的平移矢量Twc和3×3的正交旋轉(zhuǎn)矩陣Rwc組成，Rwc和Twc由(13)計(jì)算。
由此可知，局部世界坐標(biāo)系到全局世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換為p~w=HcwHicp~i=Hiwp~i----(10)]]>其中Hiw=HcwHic=RiwTiw0T1]]>表示局部世界坐標(biāo)系到全局世界坐標(biāo)系的4×4轉(zhuǎn)換矩陣，它由3×1的平移矢量Tiw和3×3的正交旋轉(zhuǎn)矩陣Riw組成。
由交比不變?cè)砬蟪龉馄矫嫔蠘?biāo)定特征點(diǎn)的局部世界坐標(biāo)后，由公式(10)就可以獲得相應(yīng)的全局世界坐標(biāo)。因此在攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，保證能夠觀測(cè)到光平面，自由移動(dòng)平面靶標(biāo)，理論上可以獲得任意多的位于光平面上的非共線標(biāo)定特征點(diǎn)。所有的非共線標(biāo)定三維特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)及相應(yīng)的圖像坐標(biāo)為 其中Qi為平面靶標(biāo)在位置i時(shí)特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，由(8)求得。
12、利用求出的傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)，標(biāo)定結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。傳感器的測(cè)量坐標(biāo)系為osxsyszs，其中zs軸與光平面的法向矢量一致，xs軸和ys軸位于光平面內(nèi)，測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)定義在所有非共線標(biāo)定特征點(diǎn)的中心 設(shè)p~s=(xsys01)T]]>為標(biāo)定特征點(diǎn)的非齊次測(cè)量坐標(biāo)，則世界坐標(biāo)到傳感器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換為p~s=Hwsp~w----(12)]]>其中Hws=Rws-Rwsp~0T1]]>表示世界坐標(biāo)系到測(cè)量坐標(biāo)系的4×4轉(zhuǎn)換矩陣，它由3×1的平移矢量 和3×3的正交旋轉(zhuǎn)矩陣Rws組成。
設(shè)由4個(gè)以上的非共線特征點(diǎn)擬合的光平面的單位法向矢量為n＝(n1n2n3)T，世界坐標(biāo)的Z軸方向矢量為zw＝(0 0 1)T，則將矢量n和zw對(duì)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)軸為a＝(n×zw)/‖n×zw‖，旋轉(zhuǎn)角度為＝cos-1(n·zw)＝cos-1(n3)。因此Rws由下式計(jì)算 其中I為3×3的單位正交矩陣，I×a=0-a3a2a30a1-a2a10]]>為矢量a定義的反對(duì)稱矩陣。
由步驟11計(jì)算出的多個(gè)位置的標(biāo)定靶標(biāo)光平面上非共線標(biāo)定特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)，由公式(12)將其轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系下，就可以獲得標(biāo)定特征點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系下的坐標(biāo) 由公式(3)可以得到標(biāo)定特征點(diǎn)的歸一化圖像坐標(biāo) 由激光視覺(jué)傳感器的數(shù)學(xué)模型即公式(4)，采用非線性優(yōu)化的方法求出傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。非線性優(yōu)化算法采用Levenberg-Marquardt算法，參見(jiàn)《最優(yōu)化理論與方法》，(袁亞湘、孫文瑜著，科學(xué)出版社，1999年)。
13、將標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)和結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)保存到一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)文件中，以備測(cè)量調(diào)用。
實(shí)施例實(shí)際設(shè)計(jì)的激光視覺(jué)傳感器的實(shí)物如圖5所示。圖5是安裝在現(xiàn)場(chǎng)的激光視覺(jué)傳感器實(shí)物圖。圖5中，6是傳感器電源線、輸出信號(hào)接口端子，7是CCD攝像機(jī)視窗，8是傳感器安裝機(jī)構(gòu)，9是傳感器殼體，10是激光投射器窗口。
按照上面敘述的步驟，利用圖1所示的平面標(biāo)定靶標(biāo)對(duì)CCD攝像機(jī)和結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定。使用了兩個(gè)位置的靶標(biāo)來(lái)標(biāo)定傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，標(biāo)定圖像的局部如圖6、7所示，圖8為獲得的光平面上標(biāo)定特征點(diǎn)的全局世界坐標(biāo)，圖9為光平面上標(biāo)定特征點(diǎn)的歸一化圖像坐標(biāo)。獲得的標(biāo)定參數(shù)為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)A=952.5960393.3910949.901309.320001pixel]]>
攝像機(jī)畸變系數(shù)為(k1，k2，p1，p2)＝(-3.044544×10-1，1.093844×10-1，1.358633×10-3-1.953443×10-3)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)H=0.926475-0.311043-47.213-0.301995-0.278446-177.155-0.224591-0.908691882.040]]>標(biāo)定的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器測(cè)量物體空間兩點(diǎn)距離的RMS誤差為ERMS＝0.135mm。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定方法，其特征在于，1.1、設(shè)定一個(gè)靶標(biāo)[2]，它為一個(gè)二維平面，在靶標(biāo)平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊數(shù)量為4～100個(gè)，方塊的邊長(zhǎng)為(3～50)mm，其邊長(zhǎng)精度為(0.001～0.01)mm，方塊間距為3～50mm，其間距精度為(0.001～0.01)mm，選取每個(gè)方塊的頂點(diǎn)為特征點(diǎn)；1.2、將傳感器與靶標(biāo)[2]相距一定距離固定好，打開(kāi)傳感器CCD攝像機(jī)的電源；1.3、在攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，自由、非平行地移動(dòng)靶標(biāo)至少5個(gè)位置，每移動(dòng)一個(gè)位置，拍攝一幅圖像，稱為攝像機(jī)標(biāo)定圖像，并保存到計(jì)算機(jī)中，要求將靶標(biāo)[2]的黑色方塊包含在圖像內(nèi)；1.4、提取每一個(gè)位置的攝像機(jī)標(biāo)定圖像中所有黑色方塊頂點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中；1.5、利用所有位置的標(biāo)定特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)來(lái)標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，包括攝像機(jī)有效焦距、主點(diǎn)以及畸變系數(shù)，并保存到計(jì)算機(jī)中；1.6、打開(kāi)激光投射器的電源，放置平面標(biāo)定靶標(biāo)，要求光條[1]能夠橫向通過(guò)靶標(biāo)[2]的一行黑色方塊上，并且攝像機(jī)能夠拍攝到包括靶標(biāo)的所有黑色方塊在內(nèi)的圖像，拍攝一幅靶標(biāo)圖像，稱為傳感器標(biāo)定圖像，并保存到計(jì)算機(jī)中，然后將參照物轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，在滿足上述要求的情況下，再拍攝一幅傳感器標(biāo)定圖像并保存到計(jì)算機(jī)中；1.7、根據(jù)攝像機(jī)的畸變模型，分別對(duì)兩幅傳感器標(biāo)定圖像進(jìn)行畸變校正，獲得兩幅無(wú)畸變傳感器標(biāo)定圖像；1.8、提取每幅無(wú)畸變傳感器標(biāo)定圖像中光條和標(biāo)定特征方塊的頂點(diǎn)圖像坐標(biāo)，并計(jì)算傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)即光條擬合直線與同一列標(biāo)定方塊特征點(diǎn)擬合直線的交點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；1.9、利用交比不變?cè)恚?jì)算傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)在各自靶標(biāo)坐標(biāo)系即定義在靶標(biāo)平面上的局部世界坐標(biāo)系下的局部世界坐標(biāo)；1.10、設(shè)定全局世界坐標(biāo)與第一個(gè)位置的靶標(biāo)坐標(biāo)系重合，利用第一幅無(wú)畸變傳感器標(biāo)定圖像中方塊頂點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的局部世界坐標(biāo)，根據(jù)攝像機(jī)模型，計(jì)算攝像機(jī)三維坐標(biāo)到全局世界坐標(biāo)的變換矩陣；1.11、利用傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的局部世界坐標(biāo)，以攝像機(jī)三維坐標(biāo)為中介，求出所有傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)在全局世界坐標(biāo)系下的世界坐標(biāo)；1.12、利用求出的傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)，標(biāo)定激光視覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；1.13、將標(biāo)定的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)保存到系統(tǒng)參數(shù)文件中，以備測(cè)量調(diào)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及對(duì)結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)檢測(cè)中傳感器參數(shù)標(biāo)定方法的改進(jìn)。本發(fā)明的步驟是設(shè)定靶標(biāo)－拍攝靶標(biāo)圖像－標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)－拍攝傳感器標(biāo)定圖像－對(duì)感器標(biāo)定圖像進(jìn)行畸變校正－計(jì)算傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)－計(jì)算傳感器標(biāo)定特征點(diǎn)的局部世界坐標(biāo)－計(jì)算攝像機(jī)的變換矩陣－求標(biāo)定特征點(diǎn)的全局世界坐標(biāo)－標(biāo)定激光視覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)－保存參數(shù)。本方法標(biāo)定精度高，標(biāo)定過(guò)程簡(jiǎn)單，不需要高成本的輔助調(diào)整設(shè)備，標(biāo)定效率高，特別適合結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。
文檔編號(hào)G01D18/00GK1566906SQ03142658
公開(kāi)日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月11日
發(fā)明者周富強(qiáng), 張廣軍 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)