專利名稱：：基于空間平面約束的線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的快速標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)，尤其涉及一種基于空間平面約束的線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的快速標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
：線結(jié)構(gòu)光視覺測量技術(shù)是一種非接觸的主動傳感測量技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、柔性好、抗干擾性強、測量迅速，以及光條圖像信息易于提取等優(yōu)點。在高速視覺測量、工業(yè)檢測、逆向工程等領(lǐng)域有著重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的標(biāo)定是線結(jié)構(gòu)光視覺測量
技術(shù)領(lǐng)域：
中的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前，主要常用的標(biāo)定方法有拉絲法和鋸齒靶標(biāo)法，采用這兩種標(biāo)定方法所獲得的標(biāo)定點，其精度往往較低，且數(shù)量較少，限制了標(biāo)定精度的提高。還有一種標(biāo)定方法是基于靶標(biāo)面的機械調(diào)節(jié)法，該方法的實現(xiàn)需要精密移動臺，其成本高，操作不方便，標(biāo)定費時，通過該方法盡管能夠獲得較高精度的標(biāo)定點，但不適合現(xiàn)場標(biāo)定。再有一種標(biāo)定方法是利用交比不變性提取結(jié)構(gòu)光標(biāo)定點的方法，該方法通過高精度的三維立體標(biāo)定靶標(biāo)可以獲得高精度的標(biāo)定點，且適用于現(xiàn)場測量，但是對靶標(biāo)的三維加工精度要求較高。因此，目前需要設(shè)計出一套適用于現(xiàn)場標(biāo)定，且操作簡單，結(jié)果精確的線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器快速標(biāo)定方法。
發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種基于空間平面約束的線結(jié)構(gòu)光視覺測量傳感器的標(biāo)定方法，本發(fā)明標(biāo)定方法使用二維平面靶標(biāo)，可同步完成攝像機內(nèi)部參數(shù)和光平面位置參數(shù)的標(biāo)定，并且不需任何輔助調(diào)整設(shè)備，從而簡化了標(biāo)定過程，提高了應(yīng)用的便捷性，同時可以滿足現(xiàn)場標(biāo)定的需要。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明基于空間平面約束的線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的快速標(biāo)定方法予以實現(xiàn)的技術(shù)方案是該方法包括步驟一、采集一組圖像，包括將一二維平面靶標(biāo)置于攝像機視場范圍內(nèi)，并采集一組該二維平面靶標(biāo)不同位置的圖像；該組圖像包括在靶標(biāo)平面上有矩陣排列的m個特征圓，其相鄰特征圓的圓心間距均為D；在保證靶標(biāo)和投射在靶標(biāo)平面上的結(jié)構(gòu)光光條都在攝像機視場和景深范圍內(nèi)的前提下，自由、非平行或共面地擺放靶標(biāo)η次以上，其中，η彡5，并采集圖像，將采集到的圖像保存到計算機；步驟二、確定靶標(biāo)拓?fù)潢P(guān)系，包括將特征圓的圓心定義為標(biāo)定特征點，上述矩陣排列的m個特征圓中的一特征圓的圓心定義為世界坐標(biāo)系的原點0W，世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸為OwXw軸和OwYw軸，其中，所述OwZw軸為靶標(biāo)平面的法向量方向；在上述世界坐標(biāo)系下，在水平和豎直相鄰兩個特征圓圓心的距離dx和dy均為D，則與Ow(0，0，0)在OwXw軸方向上相鄰和在OwYw軸方向上相鄰的特征圓圓心的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)分別為(D，0，0)和(0，D，0)，以此類推，確定各標(biāo)定特征點的世界坐4標(biāo)系坐標(biāo)，并保存到計算機；步驟三、攝像機標(biāo)定，包括(3-1)定義線結(jié)構(gòu)光視覺測量模型，其中，(xc,yc,zc)為光平面上P。點在攝像機坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，(U,ν)和(ud，Vd)分別為理想像APu和實際像點Pd在計算機圖像坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)，P。(x。，yc，zc)與(u,ν)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下權(quán)利要求一種基于空間平面約束的線結(jié)構(gòu)光視覺測量傳感器的標(biāo)定方法，其特征在于該標(biāo)定方法包括以下步驟步驟一、采集一組圖像，包括將一二維平面靶標(biāo)置于攝像機視場范圍內(nèi)，并采集一組該二維平面靶標(biāo)不同位置的圖像；該組圖像包括在靶標(biāo)平面上有矩陣排列的m個特征圓，其相鄰特征圓的圓心間距均為D；在保證靶標(biāo)和投射在靶標(biāo)平面上的結(jié)構(gòu)光光條都在攝像機視場和景深范圍內(nèi)的前提下，自由、非平行或共面地擺放靶標(biāo)n次以上，其中，n≤5，并采集圖像，將采集到的圖像保存到計算機；步驟二、確定靶標(biāo)拓?fù)潢P(guān)系，包括將特征圓的圓心定義為標(biāo)定特征點，上述矩陣排列的m個特征圓中的一特征圓的圓心定義為世界坐標(biāo)系的原點Ow，世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸為OwXw軸和OwYw軸，其中，所述OwZw軸為靶標(biāo)平面的法向量方向；在上述世界坐標(biāo)系下，在水平和豎直相鄰兩個特征圓圓心的距離dx和dy均為D，則與Ow(0，0，0)在OwXw軸方向上相鄰和在OwYw軸方向上相鄰的特征圓圓心的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)分別為(D，0，0)和(0，D，0)，以此類推，確定各標(biāo)定特征點的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)，并保存到計算機；步驟三、攝像機標(biāo)定，包括(31)定義線結(jié)構(gòu)光視覺測量模型，其中，(xc，yc，zc)為光平面上Pc點在攝像機坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，(u，v)和(ud，vd)分別為理想像點Pu和實際像點Pd在計算機圖像坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)，Pc(xc，yc，zc)與(u，v)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下<mrow><mi>s</mi><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>u</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>v</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>·</mo><mo>[</mo><mi>R</mi><mo>|</mo><mi>T</mi><mo>]</mo><mo>·</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>w</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>w</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>w</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>f</mi><mi>x</mi></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><msub><mi>f</mi><mi>y</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>v</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>·</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>c</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>c</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>c</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>公式(1)中，矩陣A為攝像機的內(nèi)部參數(shù)矩陣；R和T分別為世界坐標(biāo)系到攝像機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量；畸變修正公式為<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msup><mi>u</mi><mo>′</mo></msup><mo>=</mo><msub><mi>u</mi><mi>d</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mi>v</mi><mo>′</mo></msup><mo>=</mo><msub><mi>v</mi><mi>d</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>v</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>u</mi><mo>=</mo><msup><mi>u</mi><mo>′</mo></msup><mo>·</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><mo>·</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><mo>·</mo><msup><mi>r</mi><mn>4</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>·</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><mo>·</mo><msup><mi>u</mi><mo>′</mo></msup><mo>·</mo><msup><mi>v</mi><mo>′</mo></msup><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><mo>·</mo><mo>[</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mn>2</mn><mi>u</mi></mrow><mrow><mo>′</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>]</mo><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>v</mi><mo>=</mo><msup><mi>v</mi><mo>′</mo></msup><mo>·</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><mo>·</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><mo>·</mo><msup><mi>r</mi><mn>4</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>·</mo><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><mo>·</mo><msup><mi>u</mi><mo>′</mo></msup><mo>·</mo><msup><mi>v</mi><mo>′</mo></msup><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><mo>·</mo><mo>[</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>2</mn><msup><mi>v</mi><mrow><mo>′</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>]</mo><mo>+</mo><msub><mi>v</mi><mn>0</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msup><mi>u</mi><mrow><mo>′</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>+</mo><msup><mi>v</mi><mrow><mo>′</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>公式(2)中，k1，k2，p1，p2為畸變系數(shù)；(32)確定CCD攝像機內(nèi)部參數(shù)，包括fx，fy，u0，v0，k1，k2，p1，p2，并計算所述n個靶標(biāo)擺放位置的世界坐標(biāo)系和攝像機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣Ri和平移向量Ti，每個位置靶標(biāo)m個特征點的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)記為Mij(xw，yw，0)，與其對應(yīng)的圖像處理得到的像素坐標(biāo)為Iij(ud，vd)(i＝1，2，...，n；j＝1，2，...，m)；(33)根據(jù)公式(1)，利用Mij，fx，fy，u0，v0和Ri，Ti計算出理想像素坐標(biāo)，其表達(dá)式為(u1ij，v1ij)＝H(Mij，fx，fy，u0，v0，Ri，Ti)；(34)根據(jù)公式(2)，利用Iij，k1，k2，p1，p2計算出理想像素坐標(biāo)，其表達(dá)式為(u2ij，v2ij)＝L(Iij，k1，k2，p1，p2)；(35)設(shè)(u1ij，v1ij)和(u2ij，v2ij)相同，因此，構(gòu)建最優(yōu)化計算估計的目標(biāo)函數(shù)為<mrow><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><msup><mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><mi>H</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>M</mi><mi>ij</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>f</mi><mi>x</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>f</mi><mi>x</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>u</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>v</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>R</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>T</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>L</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>I</mi><mi>ij</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>|</mo><mo>|</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>(36)對所有靶標(biāo)特征點，利用最優(yōu)化方法通過最小化公式(3)的數(shù)值，得到需標(biāo)定的參數(shù)fx，fy，u0，v0i，k1，k2，p1，p2，Ri，Ti，將得到的上述攝像機內(nèi)部參數(shù)及靶標(biāo)在各擺放位置的旋轉(zhuǎn)矩陣Ri和平移向量Ti保存到計算機；步驟四、光平面標(biāo)定，包括根據(jù)每個靶標(biāo)擺放位置的旋轉(zhuǎn)矩陣Ri和平移向量Ti，確定每幅圖像的靶標(biāo)平面在攝像機坐標(biāo)系下的平面方程，根據(jù)上述步驟二的靶標(biāo)拓?fù)潢P(guān)系，旋轉(zhuǎn)矩陣Ri的第三列列向量(r3i，r6i，r9i)T為靶標(biāo)平面的法向量，Ti(t1i，t2i，t3i)則為靶標(biāo)平面上的圓點Ow在攝像機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，因此，攝像機坐標(biāo)系下的靶標(biāo)平面方程為r3i·xc+r6i·yc+r9i·zc＝r3i·t1i+r6i·t2i+r9i·t3i(4)對采集的每一幅靶標(biāo)圖像中的光條進(jìn)行圖像處理，可得到靶標(biāo)平面上各光條點的像素坐標(biāo)，根據(jù)公式(2)，首先對像素坐標(biāo)進(jìn)行去畸變處理，隨后根據(jù)公式(1)和公式(4)，計算各光條點的攝像機坐標(biāo)系坐標(biāo)，隨后利用主元素分析法PCA對攝像機坐標(biāo)系下的光條點集進(jìn)行空間平面擬合，從而確定攝像機坐標(biāo)系下的光平面方程axc+byc+czc+d＝0，至此，完成光平面標(biāo)定，將將得到的光平面參數(shù)保存到計算機。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于空間平面約束的線結(jié)構(gòu)光視覺測量傳感器的標(biāo)定方法，其特征在于所述特征圓的個數(shù)m為1235個，其相鄰特征圓的圓心間距D為10mm，間距精度為0.01mm。全文摘要本發(fā)明公開了一種基于空間平面約束的線結(jié)構(gòu)光視覺測量傳感器的標(biāo)定方法，通過以下步驟進(jìn)行標(biāo)定將一二維平面靶標(biāo)置于攝像機視場范圍內(nèi)，并采集一組該二維靶標(biāo)平面上不同位置多個特征圓的圖像；確定靶標(biāo)拓?fù)潢P(guān)系；同步完成攝像機內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定和光平面標(biāo)定。在光平面標(biāo)定過程中，利用攝像機成像模型和各位置靶標(biāo)形成的空間平面提供的約束，可容易地提取到較大數(shù)量的線結(jié)構(gòu)光光平面三維點，對三維點集進(jìn)行基于主元素分析方法的平面擬合，從而得到光平面在攝像機坐標(biāo)系下的方程。本發(fā)明標(biāo)定方法操作簡單，結(jié)果可靠，適合現(xiàn)場標(biāo)定，能夠滿足線結(jié)構(gòu)光視覺高精度檢測任務(wù)的需要。文檔編號G01B11/00GK101943563SQ20101013305公開日2011年1月12日申請日期2010年3月26日優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日發(fā)明者劉斌,孫長庫申請人:天津大學(xué)