[发明专利]一种宽视场结构光视觉测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种宽视场结构光视觉测量系统，其特征在于，

1.1、它由宽视场结构光视觉传感器[7]、计算机和标定靶标[8]和[9]组成，其中宽视场结构光视觉传感器[7]包括摄像机[1]，正四棱锥反射镜[2]，结构光投射器[3]、[4]、[5]和[6]；正四棱锥反射镜[2]倒立放置在摄像机[1]的正前方；四个线结构光投射器[3]、[4]、[5]和[6]向四周宽视场场景内的被测物体投射结构光平面，在被测物体表面形成变形结构光条，光条经过四棱锥反射镜[2]反射后被摄像机[1]接收；

1.2、所说的标定靶标[8]为一个二维平面靶标，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圆，圆的数量为100~169个，其中有四个标志圆，任意三个标志圆均不共线，非标志圆的直径为9mm，标志圆直径为15mm，圆的直径精度为0.001mm，相邻两圆心的距离为15mm，其精度为0.001mm，选取靶面上圆的圆心作为特征点，特征点数量为100~169个；所说的标定靶标[9]为一个准三维靶标，由两个平面靶标[8]组成，夹角90°~120°，两靶标平面所确定的世界坐标系之间空间位置关系已知。

2.使用如权利要求1所述的宽视场结构光视觉测量系统进行宽视场场景信息三维感知测量的方法，其特征在于，实施过程分为标定阶段和测量阶段，进行一次标定即可连续测量，具体步骤如下：

2.1、标定阶段：

2.1.1、调整正四棱锥反射镜[2]和摄像机[1]的相对位置，使摄像机[1]拍摄到的二维图像被均匀地划分为四个象限；调整摄像机镜头焦距，保证在正四棱锥的四周反射光路方向上距离摄像机400~450mm范围内的物体所成图像较为清晰；调整结构光投射器[3]、[4]、[5]和[6]，保证结构光投射到摄像机视场范围内；通过正四棱锥反射成像相当于四个虚拟摄像机从四个不同角度进行拍摄，称为虚拟摄像机1、2、3和4，四个虚拟摄像机与四个结构光投射器一一对应，形成四个结构光传感器；

2.1.2、标定四个结构光传感器参数，具体步骤如下：

步骤一，在每个虚拟摄像机的视场范围内，非平行自由移动靶标[8]至少五个位置，每移动一个位置拍摄一幅靶标图像，靶标上四个标志圆应该包含在拍摄图像内，提取特征点的图像坐标，并与其世界坐标对应，标定各虚拟摄像机内部参数，包括有效焦距、主点以及畸变系数；

步骤二，在每个虚拟摄像机的视场范围内，打开对应的结构光投射器电源，自由移动靶标[8]至少两次，并保证投射光条经过靶标[8]的特征区域，每移动一个位置拍摄一幅图像，靶标上四个标志圆应该包含在拍摄图像内，提取靶标上特征点的图像坐标，并与其世界坐标对应，计算靶标平面与图像平面之间的单应矩阵；提取投射在靶标[8]上的直线光条中心点的图像坐标，根据靶标平面与图像平面之间的单应矩阵，计算光条中心点的三维坐标，进而拟合出各虚拟摄像机坐标系下对应光平面的空间方程；

2.1.3、标定各虚拟摄像机坐标系与测量坐标系之间的旋转矩阵和平移向量，具体步骤如下：

步骤一，将靶标[9]放置在虚拟摄像机1和2之间，保证一个靶标面在虚拟摄像机1的视场范围内，另一个靶标面在虚拟摄像机2的视场范围内，拍摄一幅图像，两个靶标面上的四个标志圆都应该包含在图像内；提取图像中两靶标面上特征点的图像坐标，并与各自的世界坐标对应，计算虚拟摄像机1和2的摄像机坐标系与各自对应的世界坐标系之间的旋转矩阵和平移矢量；根据靶标[9]上两个靶标面所确定的两个世界坐标系之间的旋转矩阵和平移矢量，计算虚拟摄像机1和2的摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移矢量；

步骤二，将靶标[9]依次放置在虚拟摄像机2和3之间、虚拟摄像机3和4之间，采用步骤一的方法，计算相邻两摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移矢量；

步骤三，选取虚拟摄像机1的摄像机坐标系为测量坐标系，根据相邻两摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移矢量，计算各虚拟摄像机与测量坐标系之间的旋转矩阵和平移矢量；

2.1.4、将标定好的结构光传感器参数以及各虚拟摄像机坐标系与测量坐标系之间的旋转矩阵和平移向量保存到系统参数文件中，以备测量阶段使用；

2.2、测量阶段：

2.2.1、将宽视场结构光视觉传感器放置在待测宽视场场景中，打开四个结构光投射器，向宽视场场景内的被测物体投射结构光平面，在被测物体表面形成变形结构光条，拍摄一幅图像；提取图像中的光条中心点的图像坐标，根据其对应的结构光传感器参数，计算光条点在对应的虚拟摄像机坐标系下的三维坐标；根据虚拟摄像机坐标系与测量坐标系之间的空间关系，计算光条点在测量坐标系下的测量三维坐标；

2.2.2、重复步骤2.2.1，进行新的被测物表面三维测量。