[发明专利]2D摄像式激光测量头的标定方法

权利要求书

1.一种2D摄像式激光测量头的标定方法，2D摄像式激光测量头用于获取待测物体的2D轮廓检测数据，其特征在于：2D摄像式激光测量头包括封装外壳(1)、封装外壳(1)内部的线激光器(2)和CCD相机(3)；线激光器(2)用于发射激光平面(4)，激光平面(4)投射到待测物体，在待测物体表面生成一条用于表征轮廓的激光线条，标定板(5)与线激光器(2)发出的激光平面(4)相交；CCD相机(3)用于拍摄标定板(5)的图像；本标定方法通过差分法提取线激光器投射到标定板上的激光光条，提取中心线，将中心线还原到摄像机坐标系下，拟合空间中多条中心线，计算激光平面在摄像机坐标系下的空间方程，进而计算激光平面与摄像机坐标系的空间位置关系，测量头的标定分为两个部分：相机内部参数标定和激光平面位置标定；

整个标定过程中，拍摄多个不同角度的标定背景图像和标定目标图像；标定背景图像和标定目标图像组成标定图像组；相机内部参数标定和激光平面位置标定分开标定，先标定相机内部参数，再标定激光平面位置；激光平面(4)与封装外壳轴线(6)垂直；

标定方法包括如下步骤：

(1)固定2D摄像式激光测量头位置，将标定板(5)放置在CCD相机(3)能够清晰拍摄的视野范围内，并固定标定板(5)；

(2)打开线激光器(2)，采集此时标定板图像为标定目标图像；

(3)关闭线激光器(2)，采集此时标定板图像为标定背景图像；

(4)标定背景图像和标定目标图像组成图像组，当结束采集一个角度的图像组后，改变标定板位置，拍摄下一个角度的图像组；

(5)标定所有标定背景图像，计算CCD相机内部参数矩阵；

(6)将标定目标图像与标定背景图像作差分，提取激光光条中心线，计算光条中心线与棋盘格特征点外矩形的特征交点A_i和B_i；

(7)将特征交点还原到摄像机坐标系下，拟合多个角度的特征交点，计算激光平面的空间方程；根据空间方程，计算平面与坐标系之间的相互关系，求取变换矩阵H；

标定多张不同角度的标定背景图像，采用张正友标定法，获取相机的内部参数矩阵M。

2.根据权利要求1所述的2D摄像式激光测量头的标定方法，其特征在于：所述步骤(6)进一步为：将标定目标图像与标定背景图像作差，获取仅含有激光光条图像；对提取的激光光条图像作畸变校正；阈值分割校正后的激光光条图像，并提取光条中心线，计算光条中心线与亚像素角点外矩形的特征交点A_i和B_i；通过矩阵运算，计算特征交点在摄像机坐标系下的坐标A_ci和B_ci；其中所述的特征交点A_i、B_i到摄像机坐标系下的特征交点A_ci、B_ci的关系式为：

其中，s为比例系数，M为内参矩阵。

3.根据权利要求1所述的2D摄像式激光测量头的标定方法，其特征在于：所述步骤(7)进一步为：拟合多个特征交点为平面，此平面即为激光平面在摄像机坐标系下的空间位置；根据旋转矢量法，即可计算激光平面到摄像机坐标系的旋转矩阵R；激光平面到摄像机坐标系的平移矩阵为T，取值为激光平面上任意一点坐标。

4.根据权利要求1所述的2D摄像式激光测量头的标定方法，其特征在于：步骤(7)中求取位置矩阵时，通过精确标定相机内部参数和激光平面位置，激光平面到图像坐标系的变换关系式为：

其中，H矩阵即为激光平面到图像平面的变换矩阵，s为比例系数，M为内参矩阵，R_ij为矩阵R的元素，T_ij为矩阵T的元素。

5.根据权利要求1所述的2D摄像式激光测量头的标定方法，其特征在于：完成相机内部参数标定和激光平面位置标定后，在摄像机和线激光器相对位置不变情况下，外部环境发生改变，仅需重新标定内部参数。