包含掃描方向信息的線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)完整標定方法
【專利摘要】包含掃描方向信息的線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)完整標定方法屬于線結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)的標定方法領(lǐng)域，該方法是在基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動標定裝置的輔助下融入相對運動坐標系轉(zhuǎn)換思維，直接利用常規(guī)的光平面標定過程一次性獲得多幅同時包含有光條位置信息和掃描方向信息的反向相對運動標定圖像，從而在簡化標定步驟的同時也極大幅度地減少了計算系統(tǒng)求解結(jié)構(gòu)光平面空間方程所需的運算量。本發(fā)明的方法能精確求解和擬合出掃描方向向量方程，且掃描方向可以是任意方向，并最終全新定義和確立了包含確定掃描向量步驟在內(nèi)的更為完整的線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)標定方法。本發(fā)明具有提高標定效率和縮小標定誤差的雙重功效。
【專利說明】
包含掃描方向信息的線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)完整標定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于線結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)的標定方法領(lǐng)域，具體涉及一種包含掃描方向信息 的線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)完整標定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 視覺測量技術(shù)能很好地適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)對工件外形尺寸檢測所提出的新標準和要 求，是一種兼?zhèn)渚群托实姆墙佑|式外形檢測手段。線結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)是視覺測量技術(shù) 的典型代表之一，其基本原理是利用直線激光器向待檢測的空間物體上投射空間姿態(tài)完全 已知的激光平面，在物體表面上形成投影光條，并使該投影光條沿著已知的掃描方向移動， 再通過高精度攝像機對前述投影光條在掃描過程中的不同位置分別拍攝多幅照片。隨后， 利用光條中心檢測技術(shù)，提取物體表面的光條特征點的像素坐標;然后利用標定獲得的結(jié) 構(gòu)光視覺系統(tǒng)參數(shù)，將上述特征點的像素坐標投影到攝像機坐標系中，從而獲得物體表面 的3D輪廓特征。
[0003] 為實現(xiàn)上述坐標轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)參數(shù)，在將結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)應(yīng)用于實際測量之 前，其需要通過標定的方法分別完成攝像機標定和光平面標定。其中，攝像機標定是為了獲 取攝像機內(nèi)部參數(shù)，而光平面標定是為求取激光平面的空間方程。
[0004] 目前，在視覺測量技術(shù)領(lǐng)域通常采用張正友在其公開文獻Zhang Z.( 2000). A flexible new technique for camera calibration.IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligence ,22(11): 1330-1334.中提出的一種攝像機標定方法來完成攝 像機標定這個過程。
[0005] 本發(fā)明的發(fā)明人在AFlexible Calibration Method Using the Planar Targetwith a Square Pattern for Line Structured Light VisionSystem.Sun, Qiucheng,et al.A Flexible Calibration Method Using the Planar Target with a Square Pattern for Line Structured Light Vision System.PloS one 9.9:el06911. (SCI)2014.中公開了一種利用方形圖案平面模板的線結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)標定方法，在該文獻 中，采用傳統(tǒng)的張正友的攝像機標定方法實現(xiàn)了攝像機標定，并公開了一種通過提取如圖3 至圖4所示的方形圖案平面模板square pattern的ABCD四個角點坐標Corner points extraction來確定如圖5所示的平面模板在其攝像機坐標系下的平面空間方程The target plane in camera coordinate frame的方法，以便確定如圖1所示的結(jié)構(gòu)光平面 Structured light plane在本專利圖2所示的攝像機坐標系中的空間平面方程。此外，在該 一種利用方形圖案平面模板的線結(jié)構(gòu)光標定方法中還公開了如圖6至圖8所示的利用線結(jié) 構(gòu)激光投影光條在攝像機照片中的成像來進一步解析和確定結(jié)構(gòu)光平面Structured light plane分別與不同空間姿態(tài)傾角下的方形圖案平面模板square pattern所形成的投 影交線線段EF或E'F'的空間方程的求解方法，最終，通過EF線段的空間方程和E'F'線段的 空間方程，即可求得結(jié)構(gòu)光平面Structured light plane在攝像機坐標系下的空間方程。 [0006]然而，包括前述本發(fā)明的發(fā)明人所公開的一種利用方形圖案平面模板的線結(jié)構(gòu)光 標定方法在內(nèi)，與線結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)標定相關(guān)的學術(shù)討論目前均主要集中在結(jié)構(gòu)光平面的 空間平面方程確定以及與攝像機標定環(huán)節(jié)相關(guān)的算法精度和效率等問題上，其通常僅完成 了攝像機的標定和光平面標定兩個過程。但是，將完成標定后的線結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)應(yīng)用于 工件外形輪廓掃描和識別的過程中，攝像機和直線激光器作為一個整體投影和拍攝機構(gòu)， 還需另行確定出該投影和拍攝機構(gòu)所投射出的結(jié)構(gòu)光平面Structured light plane相對 于被測量三維物體做出掃描動作時所產(chǎn)生的相對運動方向，為此，還需要進一步對激光平 面掃描的方向進行標定，以獲得結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)在攝像機坐標系下的掃描方向向量方程，由此 才能完成線結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)的整體標定過程。然而目前，有關(guān)確定線結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)掃描 方向的方法較少，常規(guī)方法如圖8所示：舊有的由近似平行于待掃描物體長軸方向的直線滑 軌來實現(xiàn)近似給定掃描方向的方法是利用帶有直線滑軌系統(tǒng)的整體投影和拍攝機構(gòu)1和矩 形投影靶標板2,其中，基于直線滑軌系統(tǒng)的整體投影及拍攝機構(gòu)1包括直線滑軌1-1、滑塊 1-2、攝像機1-3和直線激光器1-4;攝像機1-3和直線激光器1-4均固連于滑塊1-2上，滑塊1-2與直線滑軌1-1滑動連接;矩形投影靶標板2放置在攝像機1-3的動態(tài)拍攝范圍內(nèi)；直線激 光器1-4與攝像機1-3的朝向相同且保持相對靜止并沿著平行于攝像機坐標系的X軸方向運 動，在這個方向的運動角度是通過直線滑軌來保證的，在掃描過程中盡量保證直線滑軌方 向與攝像機坐標系的X軸平行，所述近似平行，是指直線滑軌1-1與待掃描物體長軸之間的 夾角范圍小于2°。然而，即便采用本發(fā)明人在前述文獻中所提及的直線導軌系統(tǒng)輔助確保 相對運動的平行性，掃描方向與標靶平面的平行度依然難以精確保障，較大系統(tǒng)誤差在所 難免。而在另一方面，若在已經(jīng)完成了結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的標定過程之后重新利用其他輔助方法 另tx標定和獲取完成標定后的線結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)在攝像機坐標系下的掃描方向向量-p， 則勢必大幅增加了標定過程的復雜程度，同時，可能不但無法削減，反而甚至引入新的更大 的誤差偏離因素。
[0007] 目前，本領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)討論尚未能就上述問題探索出一種包含掃描方向信息的線 結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)完整標定方法，使其既能同步實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)標定過程和確定掃 描方向，又能大幅提高視覺測量系統(tǒng)的標定精度和簡化標定過程。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 為了解決現(xiàn)有線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)完整標定方法尚不存在既能同步確定出結(jié) 構(gòu)光視覺系統(tǒng)參數(shù)和確定掃描方向向量，又能大幅提高視覺測量系統(tǒng)的標定精度和簡化標 定過程的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種包含掃描方向信息的線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)完整標定 方法。
[0009] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下：
[0010] 包含掃描方向信息的線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)完整標定方法，其包括如下步驟：
[0011] 步驟一:建立近似平行于待掃描物體長軸方向的基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動輔 助標定裝置：
[0012] 建立基于直線滑軌系統(tǒng)的整體投影及拍攝機構(gòu)和矩形投影靶標板的基于直線滑 軌系統(tǒng)的相對運動輔助標定裝置，其中，基于直線滑軌系統(tǒng)的整體投影及拍攝機構(gòu)包括直 線滑軌、滑塊、攝像機和直線激光器;攝像機和直線激光器均固連于滑塊上，滑塊與直線滑 軌滑動連接;矩形投影靶標板放置在攝像機的動態(tài)拍攝范圍內(nèi)；直線激光器與攝像機的朝 向相同且保持相對靜止；
[0013] 步驟二:對攝像機的參數(shù)進行初始標定，其具體包括如下子步驟：
[0014] 步驟2.1:確立轉(zhuǎn)換坐標系，即：建立世界坐標系、攝像機坐標系、圖像物理坐標系 和圖像像素平面坐標系；
[0015] 世界坐標系內(nèi)的三維坐標點坐標(xw，yw，zw)被依次轉(zhuǎn)換為攝像機點坐標(x e，y。， 23、理想圖像點坐標(一，711)、真實圖像像素點坐標& <1，7(1)和實際像素點坐標(#，71));另 外，參照張正友的攝像機標定方法將世界坐標系的z w軸坐標設(shè)為0，即，=0;此時，世界坐標 系內(nèi)任意點的坐標表示為(，，7'〇)，或僅表示為世界坐標系乂￥軸平面的二維點坐標(，， y w)；
[0016] 步驟2.2:將傳統(tǒng)的棋盤格攝像機標定板在攝像機的拍攝范圍內(nèi)做多次不同姿態(tài) 下的傾角變化并拍攝三幅以上照片，再對攝像機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)進行標定；
[0017] 即通過獲得內(nèi)部參數(shù)矩陣
和畸變系數(shù)K=(kl， k2，pi，p2);
[0018] 其中α和β分別表示像素平面中U軸和V軸的比例因子，γ表示像素平面兩坐標軸的 不垂直因子，（uQ， VQ)表示攝像機光軸與圖像平面的交點在像素坐標系上的坐標;lu，k2表示 圖像物理坐標系中徑向畸變函數(shù)的系數(shù); ？1，風分別表示圖像物理坐標系中切向畸變函數(shù)的 系數(shù)；
[0019] 步驟三:利用步驟一所述的基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動輔助標定裝置，獲取激 光投影光條空間平面方程，其具體包括如下子步驟：
[0020] 步驟3.1:使步驟一所述基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動輔助標定裝置中的滑塊沿 直線滑軌順次運動(k-Ι)個固定的步長單位(9多k多l(xiāng)，k取自然數(shù)），并讓直線激光器將激光 結(jié)構(gòu)光平面S的投影光條EF始終投影到靜止的矩形投影靶標板上，此過程中使用攝像機分 別對矩形投影靶標板拍攝每個位置下對應(yīng)的一幅標定模板照片，直至獲得k幅包含靶標板 和投影光條的標定模板照片；
[0021 ]步驟3.2:按照線性模型求解和標定的方法，對步驟3.1所述的k幅包含靶標板和投 影光條的標定模板照片進行矩形塊角點檢測和光條中心提取檢測，其具體包括如下子步 驟：
[0022]步驟3.2.1:對運動參照系坐標轉(zhuǎn)換后的矩形投影靶標板上的四個角點AB⑶進行 角點檢測：
[0023] 步驟3.2.1.1:進行運動參照系坐標轉(zhuǎn)換:將步驟3.1所述的k幅包含靶標板和投影 光條的標定模板照片視作在相同拍攝條件下由結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)靜止不動而矩形投影靶標 板在攝像機坐標系內(nèi)沿著與掃描方向的相反方向運動固定的步長單位時所分別拍攝獲得 的k幅標定板照片，即可等價獲得相對運動反向狀態(tài)下標定板在攝像機坐標系內(nèi)發(fā)生空間 反向運動的i幅新圖像(9>i>l，i取自然數(shù)）；
[0024] 步驟3.2.1.2:針對步驟3.2.1.1所述任意一幅反向運動的i幅新圖像，利用角點檢 測算法，分別檢測模板圖像中黑色方格的四個角點的像素檢測坐標其中i = 9 1，...，9表示圖像的幅數(shù)序號，j = l，...，4表示當前單幅圖像中四個角點在該圖中的序號： 利用步驟2.2所述的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)標定模型可建立如下表達式：
[0027]將步驟3.2.1.1所述任意一幅反向運動的i幅新圖像中的四個角點ABCD的像素檢測 坐標(4，彡^)均對應(yīng)轉(zhuǎn)化為理想圖像坐標系坐標
表示包含畸變的角點圖像坐標系坐標，，·^)表示角點的理想圖像坐標系坐標；
[0028]利用角點像素檢測坐標(Xf 3^)在其世界坐標系中對應(yīng)的二維點坐標值 (<，<)，根據(jù)張正友的模型，可得如下等式
[0030] 式（1)中，S表示比例因子，每幅照片圖像i中靶標板對應(yīng)的外部參數(shù)均包括心和!^ 兩個參量;Ri = [η,?,?]是旋轉(zhuǎn)矩陣，n(i = l，2,3)表示旋轉(zhuǎn)矩陣Ri的第i列，Ti表示平移 向量;設(shè)
[0031] m = [,v；；,v；；,1]7
[0032] M
[0033] Η=[π Γ2 Τ]
[0034] 則方程(1)可以表示成如下形式：
[0035] sm = HM -- C2)
[0036] 在方程(2)中約去s，可以得
[0038]其中/? (/ = 1,2,3)表示矩陣Η的第i行，（3)式還可以表示成如下形式
[0040]將(4)式改寫為矩陣形式得
[0042] 步驟3.2.1.3:設(shè)f f %則當i順次取1至4時，根據(jù)公式(5)可將步驟 3.2.1.1所述每幅反向運動的i幅新圖像中的四個角點AB⑶的理想圖像坐標系坐標 (j =順次取1至4)均可根據(jù)式(5)對應(yīng)獲得兩個方程并且可以表示成如下齊次方程組Lx = 0;因此當i順次取1至4時，合計共獲得八個方程；
[0043] 其中L為8 X 9的系數(shù)矩陣;對矩陣L進行奇異值分解，則矩陣L最小奇異值對應(yīng)的右 奇異向量即為該方程組的解；從而可以解出旋轉(zhuǎn)矩陣1和平移向量 Tl，從而獲得步驟 3.2.1.1所述任意一幅反向運動的i幅新圖像所在平面的空間方程，并且進一步獲得其所對 應(yīng)的在步驟3.2每一幅包含靶標板和投影光條的標定模板照片k在平面的空間方程i順次取 2……9，（i取自然數(shù))的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T這兩個外部參數(shù)；
[0044] 步驟3.2.1.4:對步驟3.2.1.1所述每幅反向運動的i幅新圖像中所包含的矩形投 影靶標板上的激光投影光條進行光條寬度中心檢測，利用光條中心檢測算法檢測出投射在 每幅靶標板圖像中光條中心的像素坐標點),其中i = l，. . .，9，（i取自然數(shù))表示 圖像的幅數(shù)序號，j = l，...，N(N取自然數(shù))表示光條中心像素坐標點的數(shù)目；
[0045] 步驟3.2.2:利用步驟2.2所述攝像機的內(nèi)部參數(shù)以及步驟3.2.1.3所述每幅照片 圖像中靶標板對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T這兩個外部參數(shù)將光條中心的像素點坐標投 影到攝像機坐標系中，即得到對應(yīng)的三維攝像機坐標系坐標點，從而獲得以光 條中心線為表征的激光投影光條點集合；
[0046] 步驟3.3:重復步驟3.2.1至步驟3.2.2，直至順次獲取i = 1，. . .，9分別對應(yīng)的九組 與k幅包含祀標板和投影光條的標定模板照片 對應(yīng)的激光投影光條空間點集合；
[0047]步驟四：將步驟三所獲得的九組激光投影光條上的全部三維點均投影到統(tǒng)一的攝 像機坐標系中，并利用這些點集擬合得到唯一的一個空間平面，從而求解結(jié)構(gòu)光平面的空 間方程，實現(xiàn)光平面的標定；
[0048]步驟五:利用步驟2.2所述攝像機內(nèi)部參數(shù)和標定板圖像對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移 向量T這兩個外部參數(shù)，將每幅圖像中的步驟3.1中獲得的四個角點像素坐標投影 到統(tǒng)一的攝像機坐標系中，可以獲得四組三維點集合(<,3^)，其中i = l，...，9表示圖像 的幅數(shù)序號，j = l，...，4;利用這四組三維點集合，擬合四條空間平行直線向量方程：
[0050]步驟六:計算步驟五所述四條空間平行直線向量方程的均值，獲得方程：
[0052]進而可以確定系統(tǒng)的掃描方向的向量云。
[0053]本發(fā)明的有益效果如下：
[0054] 本發(fā)明在基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動輔助標定裝置的輔助下，創(chuàng)新地融入相對 運動坐標系轉(zhuǎn)換思維，從而直接利用常規(guī)的光平面標定過程一次性獲得多幅同時包含有光 條位置信息和掃描方向信息的反向相對運動標定圖像，從而在大大簡化標定步驟的同時， 也極大幅度地減少了計算系統(tǒng)求解結(jié)構(gòu)光平面空間方程所需的運算量。此外，利用多幅同 時包含有光條位置信息和掃描方向信息的標定圖像，該方法還能精確求解和擬合出掃描方 向向量方程，并且掃描方向可以是任意方向，徹底解除和摒棄了攝像機坐標系與真實的掃 描方向坐標系需要人為保持高精度重合的誤差精度保障限制，并最終全新定義和確立了包 含確定掃描向量的步驟在內(nèi)的更為完整的線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)標定方法。
[0055] 本發(fā)明兼?zhèn)涮岣邩硕ㄐ屎涂s小標定誤差的雙重功效，其邏輯連貫嚴謹，在充分 利用和發(fā)揮現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，對其精華一脈相承，便于理解，在業(yè)內(nèi)具有較高的融合性和 接受度，而針對舊有技術(shù)的缺點和不足，本發(fā)明另辟蹊徑，解決較好，因此，該技術(shù)決方案具 有較高的推廣和使用價值。
【附圖說明】
[0056]圖1是【背景技術(shù)】所引述論文中的配圖Figure 1;
[0057]圖2是圖1中四種攝像機標定用坐標系之間的相對轉(zhuǎn)換關(guān)系不意圖；
[0058]圖3是【背景技術(shù)】所引述論文中的配圖Figure 3;
[0059]圖4是【背景技術(shù)】所引述論文中的配圖Figure 4中的左圖；
[0000]圖5是【背景技術(shù)】所引述論文中的配圖Figure 6;
[0061]圖6是圖4中I部分提取光條中心算法的局部放大示意圖；
[0062]圖7是【背景技術(shù)】所引述論文中的配圖Figure 10;
[0063] 圖8是舊有由近似平行于待掃描物體長軸方向的直線滑軌來近似給定掃描方向的 原理示意圖；
[0064] 圖9是本發(fā)明基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動輔助標定裝置的結(jié)構(gòu)圖及其實現(xiàn)輔助 確定出近似給定的掃描方向的原理圖；
[0065] 圖10是本發(fā)明由多組激光投影光條點集合共同擬合唯一一個結(jié)構(gòu)光平面的空間 方程的示意圖；
[0066] 圖11是本發(fā)明利用多組矩形標靶塊的角點ABCD擬合出靶標塊相對位移方向的原 理圖。
【具體實施方式】
[0067] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0068] 如圖9至圖11所示，本發(fā)明的包含掃描方向信息的線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)完整標 定方法包括如下步驟：
[0069] 步驟一:建立近似平行于待掃描物體長軸方向的基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動輔 助標定裝置，借助該系統(tǒng)，創(chuàng)新式地融入本發(fā)明獨有的相對運動坐標系轉(zhuǎn)換思維，以實現(xiàn)輔 助確定出近似給定的掃描方向向量？：
[0070] 建立基于直線滑軌系統(tǒng)的整體投影及拍攝機構(gòu)1和矩形投影靶標板2的基于直線 滑軌系統(tǒng)的相對運動輔助標定裝置，其中，基于直線滑軌系統(tǒng)的整體投影及拍攝機構(gòu)1包括 直線滑軌1-1、滑塊1-2、攝像機1-3和直線激光器1-4;攝像機1-3和直線激光器1-4均固連于 滑塊1-2上，滑塊1-2與直線滑軌1-1滑動連接;矩形投影靶標板2放置在攝像機1-3的動態(tài)拍 攝范圍內(nèi)；直線激光器1-4與攝像機1-3的朝向相同且保持相對靜止；
[0071 ]步驟二:對攝像機1-3的參數(shù)進行初始標定，其具體包括如下子步驟：
[0072]步驟2· 1:按照公知的Tsai R Y在A versatile camera calibrationtechnique for high-accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses》[J].IEEE Journal ofRobotics and Automation, 1987,3(4):323-344文中提 出的坐標轉(zhuǎn)換方法確立轉(zhuǎn)換坐標系，即：建立世界坐標系、攝像機坐標系、圖像物理坐標系 和圖像像素平面坐標系；
[0073]世界坐標系內(nèi)的三維坐標點坐標(xw，yw，zw)被依次轉(zhuǎn)換為攝像機點坐標(x e，y。， 23、理想圖像點坐標(一，711)、真實圖像像素點坐標&<1， 7(1)和實際像素點坐標(#，71));另 外，參照張正友的攝像機標定方法將世界坐標系的z w軸坐標設(shè)為0，即，=0;此時，世界坐標 系內(nèi)任意點的坐標表示為(，，7'〇)，或僅表示為世界坐標系乂￥軸平面的二維點坐標(，， y w)；
[0074]步驟2.2:將傳統(tǒng)的棋盤格攝像機標定板在攝像機1-3的拍攝范圍內(nèi)做多次不同姿 態(tài)下的傾角變化并拍攝三幅以上照片，再按照公知的張正友在Zhang Z.( 2000). A flexible new technique for camera calibration.IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligence，22( 11): 1330-1334.中所提出攝像機標定方法對攝像機1-3的 內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)進行標定；
[0075] 即通過獲得內(nèi)部參數(shù)矩陣
和畸變系數(shù)KiaikLPip〗）；
[0076] 其中α和β分別表示像素平面中U軸和V軸的比例因子，γ表示像素平面兩坐標軸的 不垂直因子，（uQ， VQ)表示攝像機光軸與圖像平面的交點在像素坐標系上的坐標;lu，k2表示 圖像物理坐標系中徑向畸變函數(shù)的系數(shù); ？1，風分別表示圖像物理坐標系中切向畸變函數(shù)的 系數(shù)；
[0077] 步驟三:利用步驟一所述的基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動輔助標定裝置，獲取激 光投影光條空間平面方程，其具體包括如下子步驟：
[0078] 步驟3.1:使步驟一所述基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動輔助標定裝置中的滑塊1-2 沿直線滑軌1-1順次運動k-Ι個固定的步長單位9多1^1々取自然數(shù)，并讓直線激光器1-4將 激光結(jié)構(gòu)光平面(Structured light plane)S的投影光條EF始終投影到靜止的矩形投影革巴 標板2上，此過程中使用攝像機1-3分別對矩形投影靶標板2拍攝每個位置下對應(yīng)的一幅標 定模板照片，直至獲得k幅包含靶標板和投影光條的標定模板照片；
[0079] 步驟3.2:按照本發(fā)明人在公知的A Flexible Calibration Method Using the Planar Targetwith a Square Pattern for Line Structured Light VisionSystem·Sun，Qiucheng，et al.A Flexible Calibration Method Using the Planar Target with a Square Pattern for Line Structured Light Vision System.PloS one 9.9:el06911 · (SCI)2014.中所公開的線性模型求解和標定方法，對步驟 3.1所述的k幅包含靶標板和投影光條的標定模板照片進行矩形塊角點檢測和光條中心提 取檢測，其具體包括如下子步驟：
[0080] 步驟3.2.1:根據(jù)運動相對原理，步驟3.1中拍攝獲得的K幅標定板照片，與相同拍 攝環(huán)境下，結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)固定，而矩形投影靶標板在攝像機坐標系內(nèi)沿著與掃描方向的 相反方向運動的情形下所拍攝獲得的標定板照片是等效的，據(jù)此，對運動參照系坐標轉(zhuǎn)換 后的矩形投影靶標板2上的四個角點ABCD進行角點檢測：
[0081 ]步驟3.2.1.1:進行運動參照系坐標轉(zhuǎn)換:將步驟3.1所述的k幅包含靶標板和投影 光條的標定模板照片視作在相同拍攝條件下由結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)靜止不動而矩形投影靶標 板在攝像機坐標系內(nèi)沿著與掃描方向的相反方向運動固定的步長單位時所分別拍攝獲得 的k幅標定板照片，即可等價獲得相對運動反向狀態(tài)下標定板在攝像機坐標系內(nèi)發(fā)生空間 反向運動的i幅新圖像取自然數(shù)；
[0082] 步驟3.2.1.2:針對步驟3.2.1.1所述任意一幅反向運動的i幅新圖像，利用公知的 JeanY Β·在Pyramidal implementation of the Lucas Kanade feature tracker description of the algorithm.文獻中所公開的角點檢測算法，分別檢測模板圖像中黑 色方格的四個角點AB⑶的像素檢測坐標)其中i = l，. . .，9表示圖像的幅數(shù)序號，j ，. =1，...，4表示當前單幅圖像中四個角點在該圖中的序號:利用步驟2.2所述的內(nèi)部參數(shù)和 外部參數(shù)標定模型可建立如下表達式：
[0085] 將步驟3.2.1.1所述任意一幅反向運動的i幅新圖像中的四個角點ABCD的像素檢測坐 標)均對應(yīng)轉(zhuǎn)化為理想圖像坐標系坐標( λ1,夂）
表示包含畸變的角點圖像坐標系坐標，(<，)表示角點的理想圖像坐標系坐標；
[0086] 利用角點像素檢測坐標(<，在其世界坐標系中對應(yīng)的二維點坐標值 (<，<)，根據(jù)張正友的模型，可得如下等式
[0088] 式（1)中，S表示比例因子，每幅照片圖像i中靶標板對應(yīng)的外部參數(shù)均包括心和!^ 兩個參量;Ri = [ri，r2，r3]是旋轉(zhuǎn)矩陣，ri i = 1，2，3表示旋轉(zhuǎn)矩陣Ri的第i列，Ti表示平移向 量;設(shè)
[0089] m = [A^V；；,l]7
[0090]
[0091] Η=[π Γ2 Τ]
[0092] 則方程(1)可以表示成如下形式：
[0093 ] = Ml# · · · · * ( 2 )
[0094] 在方程(2)中約去s，可以得
[0096]其中/丨（/.= 1,2,3>表示矩陣Η的第i行，（3)式還可以表示成如下形式
[0098]將(4)式改寫為矩陣形式得
[0100] 步驟3.2.1.3:設(shè)1： = [^|€1，則當1順次取1至4時，根據(jù)公式(5)可將步驟 3.2. 1.1所述每幅反向運動的i幅新圖像中的四個角點ABCD的理想圖像坐標系坐標 (4，·^) j =順次取1至4均可根據(jù)式(5)對應(yīng)獲得兩個方程并且可以表示成如下齊次方程 組Lx = 0;因此當i順次取1至4時，合計可共獲得八個方程；
[0101] 其中L為8X9的系數(shù)矩陣;對矩陣L進行奇異值分解，則矩陣L最小奇異值對應(yīng)的右 奇異向量即為該方程組的解；從而可以解出旋轉(zhuǎn)矩陣1和平移向量 Tl，從而獲得步驟 3.2.1.1所述任意一幅反向運動的i幅新圖像所在平面的空間方程，并且進一步獲得其所對 應(yīng)的在步驟3.2每一幅包含靶標板和投影光條的標定模板照片k在平面的空間方程i順次取 2……9，i取自然數(shù)的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T這兩個外部參數(shù)；
[0102]步驟3.2.1.4:按照本發(fā)明人在中國專利CN103400399A-種基于空間矩的線結(jié)構(gòu) 光中心提取方法中所公開的方法對步驟3.2.1.1所述每幅反向運動的i幅新圖像中所包含 的矩形投影靶標板上的激光投影光條進行光條寬度中心檢測，利用光條中心檢測算法檢測 出投射在每幅靶標板圖像中光條中心的像素坐標點，其中i = l，. . .，9，i取自然 數(shù)表示圖像的幅數(shù)序號，j = l,...，Nn取自然數(shù)表示光條中心像素坐標點的數(shù)目；
[0103] 步驟3.2.2:利用步驟2.2所述攝像機的內(nèi)部參數(shù)以及步驟3.2.1.3所述每幅照片 圖像中靶標板對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T這兩個外部參數(shù)將光條中心的像素點坐標投 影到攝像機坐標系中，即得到對應(yīng)的三維攝像機坐標系坐標點(#，#考)從而獲得以光條 中心線為表征的激光投影光條點集合；
[0104] 步驟3.3:重復步驟3.2.1至步驟3.2.2，直至順次獲取i = 1，. . .，9分別對應(yīng)的九組 與k幅包含祀標板和投影光條的標定模板照片 對應(yīng)的激光投影光條空間點集合；
[0105] 步驟四：將步驟三所獲得的九組激光投影光條上的全部三維點均投影到統(tǒng)一的攝 像機坐標系中，并利用這些點集擬合得到唯一的一個空間平面，從而求解結(jié)構(gòu)光平面的空 間方程，實現(xiàn)光平面的標定；
[0106] 步驟五:利用步驟2.2所述攝像機內(nèi)部參數(shù)和標定板圖像對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移 向量T這兩個最重要的外部參數(shù)，將每幅圖像中的步驟3.1中獲得的四個角點ABCD的像素坐 標投影到統(tǒng)一的攝像機坐標系中，可以獲得四組三維點集合(·4，>?)，其中i = 1，...，9表示圖像的幅數(shù)序號，j = l，...，4;利用這四組三維點集合，擬合四條空間平行直 線向量方程：
[0108]步驟六:計算步驟五所述四條空間平行直線向量方程的均值，獲得方程：
[0110]進而可以確定系統(tǒng)的掃描方向的向量？（足靈馬。
[0111]本發(fā)明兼?zhèn)涮岣邩硕ㄐ屎涂s小標定誤差的雙重功效，具有較高的推廣和使用價 值。
【主權(quán)項】
1.包含掃描方向信息的線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)完整標定方法，其特征在于:該方法包 括如下步驟： 步驟一:建立近似平行于待掃描物體長軸方向的基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動輔助標 定裝置： 建立基于直線滑軌系統(tǒng)的整體投影及拍攝機構(gòu)（1)和矩形投影祀標板（2)的基于直線 滑軌系統(tǒng)的相對運動輔助標定裝置，其中，基于直線滑軌系統(tǒng)的整體投影及拍攝機構(gòu)（1)包 括直線滑軌（1-1)、滑塊（1-2)、攝像機（1-3)和直線激光器（1-4);攝像機（1-3)和直線激光 器（1-4)均固連于滑塊（1-2)上，滑塊（1-2)與直線滑軌（1-1)滑動連接;矩形投影祀標板(2) 放置在攝像機（1-3)的動態(tài)拍攝范圍內(nèi)；直線激光器（1-4)與攝像機（1-3)的朝向相同且保 持相對靜止； 步驟二:對攝像機(1-3)的參數(shù)進行初始標定，其具體包括如下子步驟： 步驟2.1:確立轉(zhuǎn)換坐標系，即：建立世界坐標系、攝像機坐標系、圖像物理坐標系和圖 像像素平面坐標系； 世界坐標系內(nèi)的立維坐標點坐標(xw，yw，zw)被依次轉(zhuǎn)換為攝像機點坐標(X%八z^)、理 想圖像點坐標(X"，yu)、真實圖像像素點坐標(xd，yd)和實際像素點坐標(χρ，yp);另外，參照 張正友的攝像機標定方法將世界坐標系的Z"軸坐標設(shè)為0,即ζ"=〇;此時，世界坐標系內(nèi)任 意點的坐標表示為^"，7"，〇)，或僅表示為世界坐標系乂￥軸平面的二維點坐標^"，7'0; 步驟2.2:將傳統(tǒng)的棋盤格攝像機標定板在攝像機（1-3)的拍攝范圍內(nèi)做多次不同姿態(tài) 下的傾角變化并拍攝Ξ幅W上照片，再對攝像機(1-3)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)進行標定； 即通過獲得內(nèi)部參數(shù)矩陣和崎變系數(shù)Κ=化1，k2，Ρ1，Ρ2); 其中α和β分別表示像素平面中U軸和V軸的比例因子，丫表示像素平面兩坐標軸的不垂 直因子，（u〇，vo)表示攝像機光軸與圖像平面的交點在像素坐標系上的坐標;kl，k2表示圖像 物理坐標系中徑向崎變函數(shù)的系數(shù);P1，P2分別表示圖像物理坐標系中切向崎變函數(shù)的系 數(shù)； 步驟Ξ:利用步驟一所述的基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動輔助標定裝置，獲取激光投 影光條空間平面方程，其具體包括如下子步驟： 步驟3.1:使步驟一所述基于直線滑軌系統(tǒng)的相對運動輔助標定裝置中的滑塊（1-2)沿 直線滑軌（1-1)順次運動化-1)個固定的步長單位(9>k>l，k取自然數(shù)），并讓直線激光器 (1-4)將激光結(jié)構(gòu)光平面S的投影光條EF始終投影到靜止的矩形投影祀標板(2)上，此過程 中使用攝像機(1-3)分別對矩形投影祀標板(2)拍攝每個位置下對應(yīng)的一幅標定模板照片， 直至獲得k幅包含祀標板和投影光條的標定模板照片； 步驟3.2:按照線性模型求解和標定的方法，對步驟3.1所述的k幅包含祀標板和投影光 條的標定模板照片進行矩形塊角點檢測和光條中屯、提取檢測，其具體包括如下子步驟： 步驟3.2.1:對運動參照系坐標轉(zhuǎn)換后的矩形投影祀標板(2)上的四個角點ABCD進行角 點檢測： 步驟3.2.1.1:進行運動參照系坐標轉(zhuǎn)換:將步驟3.1所述的k幅包含祀標板和投影光條 的標定模板照片視作在相同拍攝條件下由結(jié)構(gòu)光視覺系統(tǒng)靜止不動而矩形投影祀標板在 攝像機坐標系內(nèi)沿著與掃描方向的相反方向運動固定的步長單位時所分別拍攝獲得的k幅 標定板照片，即可等價獲得相對運動反向狀態(tài)下標定板在攝像機坐標系內(nèi)發(fā)生空間反向運 動的i幅新圖像取自然數(shù)）； 步驟3.2.1.2:針對步驟3.2.1.1所述任意一幅反向運動的i幅新圖像，利用角點檢測算 法，分別檢測模板圖像中黑色方格的四個角點的像素檢測坐標(4,乂P，其中i = l，. . .，9 表示圖像的幅數(shù)序號，j = l，...，4表示當前單幅圖像中四個角點在該圖中的序號：利用步 驟2.2所述的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)標定模型可建立如下表達式：將步驟3.2.1.1所述任意一幅反向運動的i幅新圖像中的四個角點ABCD的像素檢測坐 標（靖，《）均對應(yīng)轉(zhuǎn)化為理想圖像坐標系坐標(為，的）；其中0<，>^)表示包含崎變的角點圖像坐標系坐標，(.^;;，3^)表示角點的理想圖像坐標系坐標； 利用角點像素檢測坐標(<，乂P在其世界坐標系中對應(yīng)的二維點坐標值(皆，誠')，根 據(jù)張正友的模型，可得如下等式式（1)中，S表示比例因子，每幅照片圖像i中祀標板對應(yīng)的外部參數(shù)均包括Ri和Τι兩個 參量;Ri=[ri，r2，r3]是旋轉(zhuǎn)矩陣，：Ti(i = l，2,3)表示旋轉(zhuǎn)矩陣Ri的第i列，Τ康示平移向量； 設(shè)則方程（1)可W表示成如下形式： sm 二 Η?...... (2) 在方程(2)中約去S，可W得其中為二1，2，.表示矩陣Η的第i行，（3)式還可W表示成如下形式步驟3.2.1.3:?，則當i順次取1至4時，根據(jù)公式（5)可將步驟 3.2 . 1 . 1所述每幅反向運動的i幅新圖像中的四個角點ABCD的理想圖像坐標系坐標 =順次取1至4)均可根據(jù)式(5)對應(yīng)獲得兩個方程并且可W表示成如下齊次方 程組Lx = 0;因此當i順次取1至4時，合計共獲得八個方程； 其中L為8X9的系數(shù)矩陣;對矩陣L進行奇異值分解，則矩陣L最小奇異值對應(yīng)的右奇異 向量即為該方程組的解;從而可W解出旋轉(zhuǎn)矩陣Ri和平移向量Ti，從而獲得步驟3.2.1.1所 述任意一幅反向運動的i幅新圖像所在平面的空間方程，并且進一步獲得其所對應(yīng)的在步 驟3.2每一幅包含祀標板和投影光條的標定模板照片k在平面的空間方程i順次取2……9， (i取自然數(shù))的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T運兩個外部參數(shù)； 步驟3.2.1.4:對步驟3.2.1.1所述每幅反向運動的i幅新圖像中所包含的矩形投影祀 標板上的激光投影光條進行光條寬度中屯、檢測，利用光條中屯、檢測算法檢測出投射在每幅 祀標板圖像中光條中必的像素坐標點其中i = l，. . .，9，（i取自然數(shù)讀示圖像 的幅數(shù)序號，j = l，...，N(N取自然數(shù))表示光條中屯、像素坐標點的數(shù)目； 步驟3.2.2:利用步驟2.2所述攝像機的內(nèi)部參數(shù)W及步驟3.2.1.3所述每幅照片圖像 中祀標板對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T運兩個外部參數(shù)將光條中屯、的像素點坐標投影到 攝像機坐標系中，即得到對應(yīng)的Ξ維攝像機坐標系坐標點(《，皆，從而獲得W光條中 屯、線為表征的激光投影光條點集合； 步驟3.3:重復步驟3.2.1至步驟3.2.2，直至順次獲取i = 1，. . .，9分別對應(yīng)的九組與k 幅包含祀標板和投影光條的標定模板照片一一對應(yīng)的激光投影光條空間點集合； 步驟四：將步驟Ξ所獲得的九組激光投影光條上的全部Ξ維點均投影到統(tǒng)一的攝像機 坐標系中，并利用運些點集擬合得到唯一的一個空間平面，從而求解結(jié)構(gòu)光平面的空間方 程，實現(xiàn)光平面的標定； 步驟五:利用步驟2.2所述攝像機內(nèi)部參數(shù)和標定板圖像對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量 T運兩個外部參數(shù)，將每幅圖像中的步驟3.1中獲得的四個角點像素坐標(·^，^，義P投影到統(tǒng) 一的攝像機坐標系中，可W獲得四組Ξ維點集合(4，>?.)，其中i = l，. . .，9表示圖像的幅 數(shù)序號，j = l，...，4;利用運四組Ξ維點集合，擬合四條空間平行直線向量方程：步驟六:計算步驟五所述四條空間平行直線向量方程的均值，獲得方程：進而可^確定系統(tǒng)的掃描方向的向量^ (A\}'，Z)。
【文檔編號】G01B11/25GK106091983SQ201610389198
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月3日 公開號201610389198.6, CN 106091983 A, CN 106091983A, CN 201610389198, CN-A-106091983, CN106091983 A, CN106091983A, CN201610389198, CN201610389198.6
【發(fā)明人】孫秋成, 趙志欣, 于繁華, 劉仁云, 秦培春, 何旭, 于欣揚
【申請人】長春師范大學