[发明专利]一种基于单圆柱3D靶标的线结构光视觉传感器的标定方法

说明书

本发明提出了一种用于线结构光视觉传感器的新校准方法。摄像机捕获与圆柱靶标和线结构光相交的激光条纹，并且结合椭圆的截面特性来获得线结构光的光平面参数。利用多个位置对光平面参数进行非线性优化以获得光平面方程的最佳解。该方法只需要一个圆柱靶标，大大简化了校准过程。本发明提出的基于单圆柱3D靶标的线结构光标定方法相比传统线结构光标定方法，更加简便且能更好的适用于复杂工业环境中，很好的扩展了视觉检测的实际应用前景。

技术领域

本发明属于摄像机三维成像与检测技术领域，具体涉及一种通过3D圆柱靶标进行线结构光平面标定以实现在复杂工业环境的在线目标快速标定。

背景技术

随着制造业的飞速发展，工业自动化技术的探索已逐渐成为当代研究的热点话题。视觉测量已广泛应用于工业自动化技术中，并已成为工业自动化发展的关键因素之一。在许多视觉测量方法中，结构光视觉测量方法因其测量范围广，无接触，速度快和精度高已成为工业环境中使用最广泛的标定方法之一。通常，根据不同的光束模式，结构光投影可以分为点结构光，线结构光，多线结构光和网格结构光。这些方法已广泛用于各个工业领域，例如汽车制造业的车身三维重构，钢铁业的激光焊接质量检测技术以及车轮的高精度检测。其中线结构光视觉测量技术的优劣主要取决于其校准算法性能的好坏。该算法主要包括两部分：摄像机参数的标定和线结构光平面的求解。线结构光平面求解方法分为一维靶标法，二维靶标法和三维靶标法。一维靶标法主要适用于可动件的大范围现场标定，二维靶标方法对光平面要求较高，在复杂情况下难以获得清晰的特征点，因此校准精度会受到很大影响。传统的三维靶标法具有一定的校准精度，但需要考虑其生产成本和工艺要求。

发明内容

本发明提出了一种利用单圆柱3D靶标外轮廓特性的线结构光视觉传感器的标定新方法。克服现有复杂工业环境标定的诸多缺陷与制约，实现单幅图像的快速标定的要求。本发明通过如下技术方案实现：

一种基于单圆柱3D靶标的线结构光视觉传感器的标定方法，包括：

(1)选择使用单圆柱作为3D靶标进行目标校准。

(2)搭建线结构光视觉传感器模型。

(3)已知相机内部参数的情况下，在光平面校准过程中，根据图像上的椭圆信息，获得世界坐标系中的椭圆锥方程。通过利用圆柱对称性的几何特性获得平移矩阵。通过圆柱靶标轮廓边界在世界坐标系轴上两个交点的特征以及线结构光条纹拟合的椭圆获得旋转矩阵

(4)结合平移矩阵和旋转矩阵，得到线结构光的光平面方程，通过多次移动靶标位置来非线性优化光平面方程系数，最终得到完整的光平面方程。所述光平面的标定由如下步骤计算确定：

一种单圆柱3D靶标的线结构光视觉传感器的标定系统，包括：

一个圆柱靶标，用于作为线结构光标定的3D靶标。一个单线激光投影仪，用于在圆柱靶标上投影出激光条纹，一个CCD相机，用于拍摄待处理的激光条纹。一个三角架，用于架设并固定CCD相机。

本发明所述的一种利用单圆柱3D靶标外轮廓特性的线结构光视觉传感器的标定新方法，利用单圆柱制造过程简单、几何特性特殊，并且在复杂环境中对特征点和轮廓特征要求不高的特点，基于透视投影模型，建立由线结构光与圆柱靶标相交形成的空间椭圆以及相应投影图像的关系方程，根据这些关系方程，求解线结构光平面方程。

本发明中，通过激光平面与圆柱靶标相交线得到的椭圆锥方程，利用圆柱对称性，以及拟合椭圆和圆柱靶标轮廓边界在世界坐标系轴上两个交点的特性获得平移矩阵与旋转矩阵并最终得到线结构光的光平面方程。

所述自由曲线通过如下步骤计算确定：