[发明专利]一种全景结构光视觉测量系统及通用畸变模型参数标定方法

权利要求书

1.一种基于全景结构光视觉测量系统的通用畸变模型参数标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、全景结构光视觉测量系统由相机、结构光投射器、玻璃管和计算机组成；玻璃管起到连接并支撑相机和结构光投射器的作用；计算机通过数据线与相机相连；建立全景结构光视觉测量模型，联立空间中光条点的成像光路方程和结构光方程，重建出光条点的空间坐标；针对玻璃管产生的折射畸变，在三维空间中建立通用畸变模型，获取空间点所对应的入射光线方程，具体方法为：基于空间点所对应的畸变的图像坐标，采用相机透视投影模型，获取空间点所对应的出射光线方程；利用玻璃管内表面点的位置特征，获取玻璃管内表面方程；利用折射定律获得折射光线方程；利用玻璃管外表面点的位置特征，获取玻璃管外表面方程；利用折射定律获取空间点所对应的入射光线方程；

b、固定视觉传感器相机和辅助相机，借助在两相机公共视场内多次摆放的平面靶标，标定两相机的内参，即两相机分别在u轴和v轴上的尺度因子、两相机的主点坐标以及两相机的畸变系数，同时获取两相机之间的外参，即两相机之间的旋转矩阵和平移矢量；

c、固定玻璃管和结构光投射器，视觉传感器相机透过玻璃管拍摄平面靶标，获得靶标上角点的畸变的图像坐标后，基于所述步骤a所述的通用畸变模型，重建相应的入射光线方程，再计算并联立靶标平面方程，重建出基于畸变模型的靶标角点空间坐标，所述空间坐标由x_r表示；同时放置在玻璃管外部的辅助相机拍摄相同位置的平面靶标，获得相应的未畸变的角点图像坐标后，基于相机透视投影模型和坐标系转换关系，重建出相应的靶标角点空间坐标，所述空间坐标用x_c表示；

d、基于所述步骤c的空间坐标x_r和x_c，建立目标函数并采用优化算法进行优化，获取所述步骤a所述通用畸变模型的参数；

e、结构光投射器向平面靶标投射结构光，视觉传感器相机拍摄平面靶标及其上的结构光光条，计算机通过图像处理方法获得光条点的图像坐标，基于所述步骤a所述通用畸变模型，获取结构光光条点的图像坐标所对应的入射光线方程，再计算并联立靶标平面方程，从而重建结构光光条点的空间坐标，拟合出结构光方程；

f、通过图像处理方法获得测量光条上点的图像坐标后，基于所述步骤a所述通用畸变模型，获取对应的入射光线方程，再基于所述步骤a所述全景结构光视觉测量模型，联立步骤e所述结构光方程，重建出测量光条上点的空间坐标，以实现对被测场景的全景测量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤a，所述出射光线方程，如下面所示：

设图像坐标为(u v)^T，则所对应的出射光线的反方向可由相机透视投影模型表示为：

式中α、β分别为相机在x、y方向上的尺度因子，(u₀ v₀)^T为相机的主点坐标；

设出射光线的反方向的单位矢量为(x_e' y_e' z_e')^T，有：

上述两式采用的是未考虑镜头畸变的理想像素坐标，实际上由于摄像机镜头存在不同程度的径向畸变和切向畸变，需对图像中的像素坐标进行镜头畸变校正，考虑到切向畸变极小，故只采用径向畸变，镜头畸变校正关系表示为：

式中(u v)^T为理想的像素坐标，(u' v')^T为对应的实际获得的像素坐标，(x y)^T为理想的以毫米为单位的坐标，k₁和k₂为径向畸变系数的前两项。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤d，目标函数如下：

其中，x_rj表示由视觉传感器相机得到畸变的角点图像坐标后，基于权利要求1所述通用畸变模型，重建出的第j个角点的空间坐标，x_rj带有通用畸变模型参数，包括：表示玻璃管轴向方向的单位矢量，M表示玻璃管轴向方向上的点，d和D分别表示玻璃管内外表面圆柱的半径，x_cj表示由辅助相机得到相应的未畸变的角点图像坐标后，重建出的第j个角点的空间坐标。