[发明专利]一种单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法

说明书

技术领域：

本发明涉及测量系统标定技术，尤其涉及一种单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法，其属于测量、测试领域。

背景技术：

随着科学技术和工业生产的不断发展，对大型零件表面轮廓、几何尺寸的现场测量需求越来越多，为此，基于单目视觉的便携式光笔测量技术得到了越来越多的研究和应用。基于单目视觉的光笔测量系统主要包括一个视觉摄像机和一个光笔，光笔上布置三个以上视觉目标靶点，光笔末端安装球形测头。测量时，测量人员手持光笔，用光笔测头接触被测目标，然后用摄像机拍摄光笔的一幅图像，通过分析图像中光笔上各目标靶点的成像位置，利用“n点透视问题”（Perspective-n-Point，简称PnP问题）的求解方法（参见：F.Moreno-Noguer,V.Lepetit andP.Fua.Accurate Non-Iterative O(n)Solution to the PnP Problem,IEEE International Conference on Computer Vision,Rio de Janeiro,Brazil,October2007.）解算光笔在摄像机坐标系下的空间位姿，进而计算出光笔测头中心的空间坐标，从而实现对测头接触点的三维坐标测量。

基于单目视觉的光笔测量系统的关键环节之一就是对光笔进行标定，标定的任务是精确确定光笔上各目标靶点以及光笔测头在光笔坐标系下的坐标位置。目前已有的单目视觉光笔测量系统，只有光笔测头位置可以现场标定，而对于光笔上的视觉目标靶点位置则都需要采用较为复杂的标定设备和手段离场标定。由于整个光笔的标定不能全部在现场快速完成，使得光笔上各目标靶点的位置由于工业现场各种因素的影响而发生变化后，只能重新返回光笔测量系统生产厂家进行重新标定，这对于工业现场测量是十分不利的。

发明内容：

本发明提供一种单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法，其能够有效的解决在测量现场进行光笔快速完整标定的问题。

本发明采用如下技术方案：一种单目视觉测量中光笔的现场快速标定方法，其包括如下步骤：

步骤一：提供用于单目视觉测量的光笔，所述光笔包括目标靶点，在光笔周围布置与光笔上的目标靶点具有相同视觉特征的k（k≥0）个辅助靶点，辅助靶点的个数和摆放位置根据光笔自身靶点的数量和排布形式确定；

步骤二：用已精确标定内参数的单目视觉测量系统本身的摄像机对光笔和辅助靶点进行拍摄，获得一幅该摄像机方位下同时含有光笔上靶点和辅助靶点的图像，改变摄像机拍摄方位，重复上述拍摄过程，获得t（t≥2）幅图像；

步骤三：利用步骤二中拍摄的t幅图像，以第1幅图像拍摄时的摄像机坐标系为世界坐标系，基于多视图几何求解理论计算出光笔上各靶点在世界坐标系中相差一个比例因子λ的相对坐标P_j,j=1,2，…,n，由光笔上n个靶点P_j（j=1,2，…,n）确定一个光笔坐标系，然后将世界坐标系中的靶点坐标P_j（j=1,2，…,n）变换到光笔坐标系下得到P′_j（j=1,2，…,n）；

步骤四：提供一个具有m（m≥2）个间距已知的圆锥孔的标定物，将标定物置于单目视觉测量系统摄像机的有效视场内，并保持摄像机和标定物相对位置不变，将光笔的球形测头依次置于标定物的第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔中，使球形测头与圆锥孔壁相切，在每一个圆锥孔中时都使光笔绕圆锥孔中的球形测头摆动到不同的l（l≥3）个位置，并用单目视觉测量系统的摄像机拍摄光笔靶点图像，获得I_ir（i=1,2,…,m，r=1,2,…,l）共m×l幅图像；

步骤五：利用光笔测头中心位于第i（i=1,2,…,m）个圆锥孔内时所拍摄的l（l≥3）幅图像和步骤三中标定出的靶点相对坐标P′_j（j=1,2，…,n），标定出光笔测头中心在相差比例因子λ下分别在摄像机坐标系下的三维坐标Hi和在光笔坐标系下的三维坐标H′_i（i=1,2,…,m）；

步骤六：计算步骤五中得到的光笔测头中心在光笔坐标系下的相差比例因子λ的三维坐标H′_i（i=1,2,…,m）的平均