[发明专利]一种使用激光器和单目相机测量球状目标几何参数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机视觉与图像处理领域，具体涉及一种使用激光器和单目相机测量球状目标几何参数的方法。

背景技术

三维空间中的球状目标或类球状目标是现实环境中的一种常见目标，使用机器视觉的方法准确测量球状目标的大小和位置在工程中有着重要应用。当前解决这一问题的方法是通过双目视觉对三维目标进行重建或单目相机直接观测。这两种方法都存在着各自的弊端：双目视觉的方法由于受视场角限制，无法近距离测量半径较大的球状目标；而单目相机能够在很大范围内对球状目标进行观测，但是当球状目标大小未知时，无法对目标位置进行准确测量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种使用激光器和单目相机测量球状目标几何参数的方法，无论在较远距离和较近距离都能精确测量球状目标的位姿参数。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一、设置相机与激光器，使激光器射出的激光束照射到目标上，相机朝向与激光束的方向相同；所述的激光器设置三个以上，且射出的激光束不共面；

步骤二、定义世界坐标系Ow与相机坐标系Oc；标定激光器在世界坐标系Ow下的坐标，确定激光束在世界坐标系Ow中的俯仰角以及偏航角；相机的内部参数矩阵为其中(f_x,f_y)为相机的等效焦距，(u₀,v₀)为相机的光心坐标；

步骤三、定义图像坐标系，采集相机图像，通过图像处理得到激光点在图像坐标系下的坐标以及目标在图像上的圆心坐标；

步骤四、通过标定得到激光器在世界坐标系下的坐标以及激光束与世界坐标系的夹角，确定世界坐标系Ow下的激光直线方程，使之联立目标球体方程x₀²+y₀²+z₀²＝r²，其中x₀，y₀，z₀为球心的坐标，r是球体的半径，得到世界坐标系Ow下球面上的激光点坐标，并以此用x₀，y₀，z₀，r表示目标的球心在世界坐标系Ow下的坐标；

步骤五、相机坐标系Oc下的点坐标Sc表示为：S_c＝R·S_w+T，其中Sw是世界坐标系Ow下的坐标，R、T为相机坐标系Oc与世界坐标系Ow之间的转换关系参数，由此将世界坐标系Ow下目标球面上的激光点、球心的坐标表示为相机坐标系Oc下的坐标；

步骤六、根据相机成像模型，确定相机坐标系Oc下的激光点在图像坐标系下的坐标，将相机坐标系Oc下球面上的激光点、球心坐标与图像上激光点、球心坐标建立对应关系；

步骤七、根据对应关系，列出每个激光点的方程组，求解该方程组得到目标的几何参数。

所述世界坐标系Ow选择其中一个激光器的安装位置为原点，以地平面为标准，水平向前为Zw轴正方向，与Zw轴垂直，水平向右为Xw轴正方向，垂直地面向下为Yw轴正方向；所述相机坐标系Oc以相机的光心为原点，Zc为相机光轴指向相机前方，Xc轴与Yc轴分别平行于图像坐标系的U、V，向右为Xc轴正方向，向下为Yc轴正方向；所述图像坐标系原点位于图像左上方，以像素为单位，U、V分别代表像素点在图像上的列数和行数。

激光束在世界坐标系Ow中的俯仰角即与世界坐标系XwOwZw平面的夹角，偏航角即激光束在世界坐标系XwOwZw平面的投影与世界坐标系YwOwZw平面的夹角。

由世界坐标系Ow下的激光直线方程与目标球体方程联立，得到世界坐标系Ow下球面上的激光点坐标，P(P_x,P_y,P_z)表示为：

其中：A、B、C为中间变量：

(x,y,z)为激光器在世界坐标系下的坐标，α为激光束与世界坐标系XwOwZw平面的夹角，β为激光束在世界坐标系XwOwZw平面的投影与世界坐标系YwOwZw平面的夹角，(x₀,y₀,z₀)为目标球心在世界坐标系下的坐标，r为目标半径。

相机坐标系Oc下的激光点在图像坐标系下的坐标(u,v)表示为：