[发明专利]基于无约束共心光束族汽车形貌主动视觉检测系统与方法

权利要求书

1.一种基于无约束共心光束族汽车形貌主动视觉检测方法，其特征在于，所述的基于无约束共心光束族汽车形貌主动视觉检测方法包括有摄像机(1)、三维靶标(2)、激光投线仪(3)、二维靶标(4)、二维靶标底座(5)、连接件(6)与三角架(7)；

三维靶标(2)放置在水平地面上，二维靶标底座(5)放置在水平地面上，二维靶标(4)底部与二维靶标底座(5)上的凹槽过盈配合连接，二维靶标(4)放置于连接件(6)的内侧长槽中与连接件(6)过盈配合连接，激光投线仪(3)插入到连接件(6)的圆管内孔中，与连接件(6)过盈配合连接，三角架(7)放置在水平地面上，摄像机(1)底部通过三角架(7)顶部的夹紧装置与三角架(7)固定连接；

具体步骤如下：

第一步：基于无约束共心光束族汽车形貌主动视觉检测方法的图像采集：

三角架(7)放置在水平地面上，摄像机(1)固定在三角架(7)顶部，三维靶标(2)放置在摄像机(1)视场范围内的地面上，二维靶标底座(5)放置在摄像机(1)视场范围内的地面上，二维靶标(4)固定在二维靶标底座(5)上，激光投线仪(3)通过连接件(6)固定连接在二维靶标(4)上；

二维靶标(4)在摄像机(1)视野范围内移动m个位置，摄像机(1)采集m幅包含二维靶标(4)的LED特征点的图像；

将二维靶标(4)固定在最后一个位置，在摄像机(1)视野范围内将三维靶标(2)移动n个位置，摄像机(1)采集n幅包含三维靶标(2)特征点的图像；

在三维靶标(2)的n个位置处分别打开激光投线仪(3)，激光投线仪(3)发出的共心光束族与三维靶标(2)交于j个投影点，使用摄像机(1)采集n幅图像，图像包含共心光束族在三维靶标(2)上的j个投影点；

第二步：基于无约束共心光束族汽车形貌主动视觉检测方法的二维靶标(4)与激光投线仪(3)位姿关系标定：

首先，根据摄像机(1)采集的n幅无激光线的图像，采用DLT标定方法对摄像机(1)进行标定，得到三维靶标(2)在n个不同位置时的投影矩阵P^iD(i＝1，2，…n)；

P^iD＝K[R^iCt^iC]＝[KR^iC Kt^iC]

然后，对P^iD进行RQ分解,分别得到三维靶标(2)在摄像机(1)视野范围内的第i个位置处的旋转矩阵R^iD、平移向量t^iD及摄像机(1)的内参数矩阵K；

三维靶标(2)坐标系与摄像机(1)坐标系的转换矩阵为

当三维靶标(2)位于第i个位置时，该位置处共心光束在三维靶标(2)上的第j个投影点在三维靶标(2)坐标系下的坐标满足

其中，为激光投影点的图像坐标，sⁱ是尺度因子，可以由上式及图像坐标求解激光投影点在三维靶标(2)坐标系下的坐标

根据求得的三维靶标(2)坐标系与摄像机(1)坐标系的坐标转换关系H^iC，在摄像机(1)坐标系下激光投影点的坐标为

激光投线仪(3)发出的共心光束族中第q条激光线在三维靶标(2)的n个位置处相交形成了n个激光投影点，第q条激光线的n个激光投影点集记为

首先假设内点是组成激光线线条模型的数据，野点是不适用于激光线的数据，在第q条光线的激光投影点集中随机选取两个激光投影点作为内点，假定测量误差服从0均值和标准方差σ的高斯分布，因此激光投影点到激光线条模型的距离平方和服从自由度为1的χ²分布，即

其中，d为待选激光投影点到激光线条模型的距离平方，t为距离阈值,α为待选激光投影点中被判别为内点的概率，则内点为d²＜t²的点，野点为d²≥t²的点，通常待选激光投影点中被判别为内点的概率α取为0.95，即内点被错误排斥的概率仅为总次数的5％；

当α＝0.95、m＝1时,则

t²＝3.84σ²

即为判别内点的距离阈值；

任意选取的激光投影点为内点的概率为w，则经过N次采样后野点的概率为(1-w)^N＝1-p

其中，p为2个点组成的随机样本中至少有一次没有野点的概率，p可取为0.99；

则采样次数为

N＝log(1-p)/log[1-(1-ε)²]

确定内点所需满足的数目阈值为

T＝(1-ε)n

其中n为激光投影点的总数目，ε＝1-w为激光投影点为野点的概率；

随机选择的激光投影点对组成的激光线模型的支集由模型两侧不超过距离阈值的激光投影点组成，激光线模型的支集由支集内点的数量度量，当从激光投影点集中随机选择两点，根据这两点估计一条激光线模型，该激光线模型的支集由满足距离阈值t范围内的激光投影点的数目来度量，随机采用重复多次，具有最大支集的模型被认为是合理的激光线模型，对应的支集即为第q条激光线的随机一致性抽样点集

将各条激光线的随机一致性抽样点集分别进行直线拟合，得到在摄像机(1)坐标系下同心光束族中各激光线的Plücker矩阵L_q；

根据摄像机(1)所采集的二维靶标(4)的图像和张正友标定方法对摄像机(1)进行标定，求取摄像机(1)与二维靶标(4)间的转换矩阵H^RC为

其中，R^RC为摄像机(1)与二维靶标(4)间的旋转矩阵，t^RC为摄像机(1)与二维靶标(4)间的平移向量；

第q条激光线在二维靶标(4)坐标系下的Plücker矩阵为

L_q＝(H^RC)^-1L_q(H^RC)^-T

根据由两个点表示的激光线与由两个面表示的激光线的对偶变换关系

得到在二维靶标(4)坐标系下由面表示的第q条激光线的Plücker矩阵

激光投线仪(3)所发出的共心光束族相交于激光投线仪(3)的光心X₀，则

对于所有k条激光线均通过激光投线仪(3)的光心X₀，有

对矩阵A应用SVD分解法，求解在二维靶标(4)坐标系下激光投线仪(3)光心的坐标X₀；

在摄像机(1)坐标系下激光投线仪(3)的光心坐标Y₀为

Y₀＝H^RCX₀

将激光投线仪(3)光心Y₀加入第q条激光线的随机一致性抽样点集再次拟合在摄像机(1)坐标系下的激光线L_q，则在二维靶标(4)坐标系下激光线L_q为

L_q＝(H^RC)^-1L_q(H^RC)^-T

第三步：基于无约束共心光束族汽车形貌主动视觉检测方法的摄像机(1)坐标系下的激光线重建：

当激光投线仪(3)发出的共心光束族投射到汽车车身上时，根据摄像机(1)所采集的二维靶标(4)的图像和张正友标定方法对摄像机(1)进行标定，求取摄像机(1)与二维靶标(4)间的转换矩阵H^RC为

其中，R^RC为摄像机(1)与二维靶标(4)间的旋转矩阵，t^RC为摄像机(1)与二维靶标(4)间的平移向量；

由第二步中已求出的二维靶标(4)坐标系下激光线的坐标Λ_q和转换矩阵H^RC，在摄像机(1)坐标系下由点表示的激光线的Plücker矩阵可以表示为

L_q＝H^RCL_q(H^RC)^T

根据由两个点表示的激光线与由两个面表示的激光线的对偶变换关系

得到在摄像机(1)坐标系下由面表示的激光线的Plücker矩阵

第四步：基于无约束共心光束族汽车形貌主动视觉检测方法的摄像机(1)坐标系下的汽车特征点重建：

激光投线仪(3)所发出的共心光束族中第q条激光线L_q与待测汽车的交点记为从摄像机(1)采集的包含激光线与车身交点的图像中提取激光线与车身交点的图像坐标记为由第二步中得到的摄像机(1)的内参数矩阵K，摄像机(1)坐标系下激光线车身交线点的坐标满足

其中，s为比例因子；

由于激光线车身交线点在激光投线仪(3)所发出的激光线上，则

对以上两式采用SVD分解方法可以解算激光线车身交线点的三维坐标

在汽车形貌重建与检测过程中，第三步、第四步是循环进行的步骤。