[发明专利]包含扫描方向信息的线结构光视觉测量系统完整标定方法

摘要

包含扫描方向信息的线结构光视觉测量系统完整标定方法属于线结构光视觉系统的标定方法领域，该方法是在基于直线滑轨系统的相对运动标定装置的辅助下融入相对运动坐标系转换思维，直接利用常规的光平面标定过程一次性获得多幅同时包含有光条位置信息和扫描方向信息的反向相对运动标定图像，从而在简化标定步骤的同时也极大幅度地减少了计算系统求解结构光平面空间方程所需的运算量。本发明的方法能精确求解和拟合出扫描方向向量方程，且扫描方向可以是任意方向，并最终全新定义和确立了包含确定扫描向量步骤在内的更为完整的线结构光视觉测量系统标定方法。本发明具有提高标定效率和缩小标定误差的双重功效。

主权项

1.包含扫描方向信息的线结构光视觉测量系统完整标定方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤一：建立近似平行于待扫描物体长轴方向的基于直线滑轨系统的相对运动辅助标定装置：建立基于直线滑轨系统的整体投影及拍摄机构(1)和矩形投影靶标板(2)的基于直线滑轨系统的相对运动辅助标定装置，其中，基于直线滑轨系统的整体投影及拍摄机构(1)包括直线滑轨(1‑1)、滑块(1‑2)、摄像机(1‑3)和直线激光器(1‑4)；摄像机(1‑3)和直线激光器(1‑4)均固连于滑块(1‑2)上，滑块(1‑2)与直线滑轨(1‑1)滑动连接；矩形投影靶标板(2)放置在摄像机(1‑3)的动态拍摄范围内；直线激光器(1‑4)与摄像机(1‑3)的朝向相同且保持相对静止；步骤二：对摄像机(1‑3)的参数进行初始标定，其具体包括如下子步骤：步骤2.1：确立转换坐标系，即：建立世界坐标系、摄像机坐标系、图像物理坐标系和图像像素平面坐标系；世界坐标系内的三维坐标点坐标(xw,yw,zw)被依次转换为摄像机点坐标(xc,yc,zc)、理想图像点坐标(xu,yu)、真实图像像素点坐标(xd,yd)和实际像素点坐标(xp,yp)；另外，参照张正友的摄像机标定方法将世界坐标系的zw轴坐标设为0，即zw＝0；此时，世界坐标系内任意点的坐标表示为(xw,yw,0)，或仅表示为世界坐标系XY轴平面的二维点坐标(xw,yw)；步骤2.2：将传统的棋盘格摄像机标定板在摄像机(1‑3)的拍摄范围内做多次不同姿态下的倾角变化并拍摄三幅以上照片，再对摄像机(1‑3)的内部参数和外部参数进行标定；即通过获得内部参数矩阵和畸变系数K＝(k₁,k₂,p₁,p₂)；其中α和β分别表示像素平面中U轴和V轴的比例因子，γ表示像素平面两坐标轴的不垂直因子，(u0,v0)表示摄像机光轴与图像平面的交点在像素坐标系上的坐标；k1,k2表示图像物理坐标系中径向畸变函数的系数；p1,p2分别表示图像物理坐标系中切向畸变函数的系数；步骤三：利用步骤一所述的基于直线滑轨系统的相对运动辅助标定装置，获取激光投影光条空间平面方程，其具体包括如下子步骤：步骤3.1：使步骤一所述基于直线滑轨系统的相对运动辅助标定装置中的滑块(1‑2)沿直线滑轨(1‑1)顺次运动(k‑1)个固定的步长单位，9≥k≥1，k取自然数，并让直线激光器(1‑4)将激光结构光平面S的投影光条EF始终投影到静止的矩形投影靶标板(2)上，此过程中使用摄像机(1‑3)分别对矩形投影靶标板(2)拍摄每个位置下对应的一幅标定模板照片，直至获得k幅包含靶标板和投影光条的标定模板照片；步骤3.2：按照线性模型求解和标定的方法，对步骤3.1所述的k幅包含靶标板和投影光条的标定模板照片进行矩形块角点检测和光条中心提取检测，其具体包括如下子步骤：步骤3.2.1：对运动参照系坐标转换后的矩形投影靶标板(2)上的四个角点ABCD进行角点检测：步骤3.2.1.1：进行运动参照系坐标转换：将步骤3.1所述的k幅包含靶标板和投影光条的标定模板照片视作在相同拍摄条件下由结构光视觉系统静止不动而矩形投影靶标板在摄像机坐标系内沿着与扫描方向的相反方向运动固定的步长单位时所分别拍摄获得的k幅标定板照片，即可等价获得相对运动反向状态下标定板在摄像机坐标系内发生空间反向运动的i幅新图像，9≥i≥1，i取自然数；步骤3.2.1.2：针对步骤3.2.1.1所述任意一幅反向运动的i幅新图像，利用角点检测算法，分别检测模板图像中黑色方格的四个角点的像素检测坐标其中i＝1,...,9表示图像的幅数序号，j＝1,...,4表示当前单幅图像中四个角点在该图中的序号：利用步骤2.2所述的内部参数和外部参数标定模型可建立如下表达式：将步骤3.2.1.1所述任意一幅反向运动的i幅新图像中的四个角点ABCD的像素检测坐标均对应转化为理想图像坐标系坐标其中表示包含畸变的角点图像坐标系坐标，表示角点的理想图像坐标系坐标；利用角点像素检测坐标在其世界坐标系中对应的二维点坐标值根据张正友的模型，可得如下等式式(1)中，S表示比例因子，每幅照片图像i中靶标板对应的外部参数均包括Ri和Ti两个参量；Ri＝[r1,r2,r3]是旋转矩阵，ri表示旋转矩阵Ri的第i列，i＝1,2,3，Ti表示平移向量；设H＝[r1 r2 Ti]则方程(1)可以表示成如下形式：在方程(2)中约去s，可以得其中表示矩阵H的第i行，i＝1,2,3，(3)式还可以表示成如下形式将(4)式改写为矩阵形式得步骤3.2.1.3：设则当i顺次取1至4时，根据公式(5)可将步骤3.2.1.1所述每幅反向运动的i幅新图像中的四个角点ABCD的理想图像坐标系坐标均可根据式(5)对应获得两个方程并且可以表示成如下齐次方程组Lx＝0，j顺次取1至4；因此当i顺次取1至4时，合计共获得八个方程；其中L为8×9的系数矩阵；对矩阵L进行奇异值分解，则矩阵L最小奇异值对应的右奇异向量即为该方程组的解；从而可以解出旋转矩阵Ri和平移向量Ti，从而获得步骤3.2.1.1所述任意一幅反向运动的i幅新图像所在平面的空间方程，并且进一步获得其所对应的在步骤3.2每一幅包含靶标板和投影光条的标定模板照片k在平面的空间方程i顺次取2……9的旋转矩阵Ri和平移向量Ti这两个外部参数，i取自然数；步骤3.2.1.4：对步骤3.2.1.1所述每幅反向运动的i幅新图像中所包含的矩形投影靶标板上的激光投影光条进行光条宽度中心检测，利用光条中心检测算法检测出投射在每幅靶标板图像中光条中心的像素坐标点其中i＝1,...,9表示图像的幅数序号，i取自然数，j＝1,...,N表示光条中心像素坐标点的数目，N取自然数；步骤3.2.2：利用步骤2.2所述摄像机的内部参数以及步骤3.2.1.3所述每幅照片图像中靶标板对应的旋转矩阵R_i和平移向量T_i这两个外部参数将光条中心的像素点坐标投影到摄像机坐标系中，即得到对应的三维摄像机坐标系坐标点从而获得以光条中心线为表征的激光投影光条点集合；步骤3.3：重复步骤3.2.1至步骤3.2.2，直至顺次获取i＝1,...,9分别对应的九组与k幅包含靶标板和投影光条的标定模板照片一一对应的激光投影光条空间点集合；步骤四：将步骤三所获得的九组激光投影光条上的全部三维点均投影到统一的摄像机坐标系中，并利用这些点集拟合得到唯一的一个空间平面，从而求解结构光平面的空间方程，实现光平面的标定；步骤五：利用步骤2.2所述摄像机内部参数和标定板图像对应的旋转矩阵R_i和平移向量T_i这两个外部参数，将每幅图像中的步骤3.1中获得的四个角点像素坐标投影到统一的摄像机坐标系中，可以获得四组三维点集合其中i＝1,...,9表示图像的幅数序号，j＝1,...,4；利用这四组三维点集合，拟合四条空间平行直线向量方程：步骤六：计算步骤五所述四条空间平行直线向量方程的均值，获得方程：进而可以确定系统的扫描方向的向量