[发明专利]一种镜像式结构光视觉测量系统和测量方法

权利要求书

1.一种镜像式结构光视觉测量系统，其特征在于，

1.1、它由结构光视觉传感器[7]、计算机、图像采集卡和标定靶标[8]组成；结构光视觉传感器[7]由结构光投射器[1]、反射镜一[2]、反射镜二[3]和反射镜三[4]以及摄像机[6]组成；图像采集卡安装在计算机内；被测物[5]在反射镜三[4]反射光路方向上距离底板边缘5～20mm处；

1.2、结构光投射器[1]投射的结构光经反射镜一[2]、反射镜二[3]和反射镜三[4]反射后投射到被测物[5]表面，其反射光线经反射镜三[4]反射后被摄像机[6]接收；

1.3、所说的标定靶标[8]为一个二维平面，靶标上有预先设置的特征点，在靶标平面上布置成矩阵排列的黑色方块，黑色方块数量为4～16个，黑色方块的边长为2mm，其边长精度为0.01mm，黑色方块之间的距离2mm，其精度为0.01mm，选取靶面上方块的顶点为特征点，特征点数量为16～64个。

2.使用如权利要求1所述的镜像式结构光视觉测量系统进行小型物体表面三维测量的方法，其特征在于，测量过程分为标定阶段和测量阶段，进行一次标定后可连续测量，具体步骤如下：

2.1、标定阶段：

2.1.1、将结构光投射器[1]和摄像机[6]固紧；调整摄像机镜头焦距，保证在反射镜三[4]反射光路方向上距离底板边缘5～20mm范围内的物体所成图像较为清晰；调整反射镜一[2]、反射镜二[3]和反射镜三[4]，保证结构光投射到摄像机视场范围内；调整完后，将反射镜一[2]、反射镜二[3]和反射镜三[4]固紧；

2.1.2、标定摄像机[6]的内部参数，具体步骤如下：

第一步，在摄像机的视场范围内，自由移动靶标[8]至少3个位置，每移动一个位置，拍摄一幅图像，称为摄像机标定图像，靶标上所有的特征点应包含在拍摄图像内；

第二步，提取所有摄像机标定图像的特征点的图像坐标，并与特征点的世界坐标对应；

第三步，利用第二步提取的所有特征点的图像坐标及对应的世界坐标来标定摄像机内部参数，包括摄像机有效焦距、主点以及畸变系数；

2.1.3、获得结构光光平面在摄像机坐标系下的方程，具体步骤如下：

第一步，在摄像机的视场范围内，打开结构光投射器[1]的电源，使结构光投射的光条经过平面靶标特征区域，拍摄一幅图像，称为光平面标定图像，靶标上所有的特征点应包含在拍摄图像内；将投射在靶标平面上的直线光条中心线上的点称为控制点；

第二步，根据摄像机的畸变模型，校正光平面标定图像的畸变，得到无畸变光平面标定图像；

第三步，提取无畸变光平面标定图像的特征点的图像坐标，根据摄像机模型，计算靶标特征点的投影坐标，利用特征点的投影坐标及对应的世界坐标，计算靶标平面在摄像机坐标系下的方程；提取无畸变光平面标定图像中的控制点的图像坐标，根据摄像机模型，计算控制点的投影坐标；

第四步，在摄像机坐标系中，计算摄像机坐标系原点和控制点的投影点确定的直线与靶标平面的交点，得到控制点的摄像机三维坐标；

第五步，将靶标[8]自由放置到摄像机视场范围内的不同位置，采用第一步到第四步叙述的方法，计算更多非共线控制点的摄像机三维坐标；靶标放置位置数量为2～5；

第六步，利用所有非共线控制点的摄像机三维坐标，拟合平面得到光平面在摄像机坐标系下的方程；

2.1.4、将标定好的摄像机内部参数、结构光光平面方程系数保存到系统参数文件中，以备测量阶段调用；

2.2、测量阶段：

2.2.1、将被测物放置在摄像机视场范围内，拍摄一幅图像，称为被测物图像；将投射在被测物体表面上的光条中心线上的点称为测量点；

2.2.2、计算被测物表面点的摄像机三维坐标，具体步骤为：

第一步，提取被测物图像中的测量点的图像坐标，校正测量点的畸变，根据摄像机模型，计算测量点的投影坐标；

第二步，在摄像机坐标系中，计算摄像机坐标系原点和测量点的投影点确定的直线与靶标平面的交点，得到测量点的摄像机三维坐标；保存测量点的摄像机三维坐标；

2.2.3、重复步骤2.2.1～2.2.2，进行新的被测物表面三维测量。