專利名稱：：用于微小尺寸測量的線結構光視覺傳感器標定方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種線結構光視覺測量系統(tǒng)，尤其涉及一種用于微小尺寸測量的線結構光視覺傳感器標定方法。
背景技術：
：線結構光視覺測量技術是一種非接觸的主動傳感測量技術，具有結構簡單、柔性好、抗干擾性強、測量迅速，以及光條圖像信息易于提取等優(yōu)點。在高速視覺測量、工業(yè)檢測、逆向工程等領域有著重要的意義和廣闊的應用前景。線結構光視覺傳感器用于測量范圍為10μm-lmm，測量精度要求到微米級別的微小尺寸測量時，傳感器的光學特性中放大倍率較大，而景深和視場范圍都較小。因此，一般的線結構光視覺傳感器標定方法都會受景深和視場范圍較小的制約，而無法完成標定任務。需要設計出一套適用于微小尺寸測量，操作簡單，結果精確的線結構光視覺傳感器標定方法。
發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供一種用于微小尺寸測量的線結構光視覺測量傳感器標定方法。使用一個平行線平板靶標，完成傳感器參數(shù)的標定，簡化標定過程，滿足現(xiàn)場標定的需要。本發(fā)明中涉及到的傳感器包括CCD攝像機和激光器。為了解決上述技術問題，本發(fā)明用于微小尺寸測量的線結構光視覺測量傳感器標定方法予以實現(xiàn)的技術方案是該方法包括以下步驟步驟一、在一平行線平板靶標的表面上設置中心線和標記線，在一平行線平板靶標的表面刻畫出一組具有N條的水平陣列直線，其中，N不少于7,N的上限值根據(jù)傳感器的CCD攝像機的視場范圍大小確定，將位于中間的一條直線定義為中心線，其上下兩側鄰近的兩條平行直線定義為標記線，每條標記線與中心線的距離為ds；以這兩條標記線為基準，向上和向下的相鄰平行線的間距均為dy，且dy>ds，所述ds及dy的取值范圍根據(jù)傳感器的CCD攝像機視場范圍大小確定，上述所有的水平陣列直線與平行線平板靶標的矩形平板的下邊沿平行；步驟二、采集一組圖像，將上述靶標固定在一個精密移動平臺上，固定靶標并使其垂直于該平臺的移動方向，然后，調(diào)整平臺位置確保靶標平面垂直于光平面；激光平面投射到靶標面上產(chǎn)生一條光條；調(diào)整傳感器的激光器保證光條重合于靶標面的上下對齊標記，使光條垂直于靶標上的直線陣列；此時，光條與平行直線陣列相交形成一組交點，并以間距為dx移動靶標到不同位置并采集一組圖像，將采集到的圖像保存到計算機；步驟三、確定靶標拓撲關系，包括(3-1)當線結構光光條投射于平行線平板靶標時，光條與所述各平行直線相交，將交點定義為標定特征點；光條與所述中心線的交點定義為光平面坐標系的原點O1,所述平行直線的方向定義為O1Z1軸，光條方向定義為O1Y1軸，光平面坐標系的O1X1軸垂直于靶標平面；(3-2)將靶標在CXD攝像機景深之內(nèi)距離C⑶攝像機最近位置定為零位，此位置光條和中心直線的交點定義為世界坐標系原點，其坐標為(0，0，0)，確定各標定特征點在世界坐標系下的O1Y1軸線坐標；至此獲得各標定特征點的世界坐標系坐標，并將其保存到計算機；步驟四、傳感器參數(shù)標定，包括(4-1)定義線結構光視覺測量模型，(X1,Y1,0)為光平面上P點在光平面坐標系下的三維坐標，(u,ν)和(ud，Vd)分別為理想像APu和實際像點Pd在計算機圖像坐標系下的像素坐標，根據(jù)直接線性變換模型DLT，P(XpYpO)與(u，ν)的轉換關系如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>上述公式(1)中，矩陣M為傳感器參數(shù)矩陣；畸變修正模型定義為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>公式(2)中，=0，1，2...，9)為畸變模型參數(shù)；(4-2)標定的具體步驟是(4-2-1)所述各特征點的理想圖像坐標和實際圖像坐標分別為(Ui,Vi)和(udi，Vdi)，其光平面坐標系坐標為(XliiYli)；(4-2-2)將(udi，vdi)和(XliAli)代入上述公式⑴得到模型轉換的參數(shù)矩陣M中的各元素的值；(4-2-3)利用(X1^Yli)和得到的矩陣M，根據(jù)公式⑴計算理想圖像坐標(Ui,Vi)；(4-2-4)將(udi，vdi)和(Ui，Vi)代入上述公式(2)得到畸變模型的畸變模型參數(shù)kj和Pi的值；(4-2-5)將(udi,vdi)及得到的k,和Pi代入公式(2)，計算修正的圖像坐標(u/，ν/)；(4-2-6)設定迭代求解過程結束條件如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>判斷是否達到上述條件，若.F.，則用(Ui’，ν/)更新(udi，vdi)，并返回到上述(4-2-1)步驟；若.T.，則結束計算過程，至此完成了傳感器參數(shù)標定，將參數(shù)保存到計算機，并輸出結果；步驟五、CXD攝像機光軸與光平面夾角的確定根據(jù)公式(3)將圖像處理得到的點P對應的光條點進行畸變修正得到其理想圖像坐標(u，ν)，進而可根據(jù)下式求得該點的光平面坐標系坐標(XpY1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>上述公式(4)中，nn=m31m24-m21m34，n12=mnm34-m14m31，n13=Hi21Hi14-Hi1^24；n21=m22m34-m32m24,n22=m32m14-m12m34,n23=m12m24-m22m14；n31=m21m32-m31m22,n32=m^m12-mnm32,n33=mnm22-m21m12設傳感器的CCD攝像機垂直于被測物體表面，傳感器的激光器以θ角投射線結構光到被測物體表面；測量世界坐標系為Ow-XwYwZw，其中OwXw軸平行于CCD攝像機的光軸OcZc,OwYw軸平行于光平面坐標系的O1Y1軸，根據(jù)右手定則確定OwZw軸，被測物體表面點P在OwZw軸方向上的坐標由平移臺帶動物體移動的距離決定；根據(jù)公式(5)確定CXD攝像機光軸與光平面的夾角θ，即OwXw軸與O1X1軸的夾角，根據(jù)下列公式(5)，利用點P的光平面坐標系坐標(XpY1)得到其世界坐標系坐標(XW，YW)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>該夾角θ的標定過程如下(5-1)將平板靶標垂直于光軸0。Ζ。放置于CXD攝像機視場范圍之內(nèi)，在CXD攝像機景深范圍內(nèi)任何一處采集光條圖像處理獲得其各點的圖像坐標(udi，vdi)，利用上述公式(2)和公式(4)計算得到對應的光平面坐標(Xli,Yli),對其進行直線擬合，得到該處的空間直線；(5-2)將平面靶標平移距離Dt至CXD攝像機景深范圍另一位置處采集光條圖像，采用如上述步驟(5-1)同樣的方式得到該處空間直線，計算兩條空間直線的距離隊；(5-3)根據(jù)下列公式(6)計算得到夾角θ的值；cosθ=Dt/Dl(6)至此，完成了CXD攝像機光軸與光平面夾角的確定，并將其結果保存到計算機。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出了一套適用于微小尺寸測量的線結構光視覺測量傳感器的標定方法。首先是利用設計的平行線平板靶標和一個精密移動平臺，即可完成傳感器參數(shù)的標定任務；然后，利用該靶標可確定CXD攝像機光軸與光平面的夾角，便捷地實現(xiàn)了世界坐標系和光平面坐標系的坐標轉換。本發(fā)明標定方法操作簡單，結果可靠，適合現(xiàn)場標定，能夠滿足用于微小尺寸的線結構光視覺高精度檢測任務的需要。圖1是一平行線平板靶標及其拓撲關系；圖2是本發(fā)明標定方法標定過程示意圖；圖3是圖2中所示用于完成CCD攝像機標定的線結構光視覺系統(tǒng)的數(shù)學模型；圖4是本發(fā)明標定方法中標定運算流程圖；圖5是本發(fā)明標定方法所用系統(tǒng)的結構方式示意圖；圖6是CXD攝像機光軸和光平面夾角的確定；圖7是確定CXD攝像機光軸和光平面夾角的流程圖；圖8-1、圖8-2、圖8-3、圖8-4、圖8-5和圖8_6是傳感器標定的采集圖像。具體實施例方式下面結合附圖和一具體實施方式詳細描述本發(fā)明實現(xiàn)的過程。步驟一、首先，設計一平行線平板靶標，如圖1所示，在其表面刻畫有一組具有N條(圖1中示出的是10條)水平陣列直線，該N的上限值根據(jù)CCD攝像機的視場范圍大小確定，將位于中間的一條直線定義為中心線，其上下兩側鄰近的兩條平行直線與該中心線的距離為ds，稱為標記線。以這兩條標記線為基準，向上和向下的相鄰平行線的間距均為dy，且dy>ds。其中，平行線的條數(shù)通常N不少于7條，N的上限數(shù)值及ds和dy的取值范圍根據(jù)傳感器的CCD攝像機視場范圍決定，所有的水平直線與平行線平板靶標的矩形平板的下邊沿平行。步驟二、將靶標固定在一個精密移動平臺上，固定靶標并使其垂直于平臺的移動方向，然后調(diào)整平臺位置確保靶標平面垂直于光平面。激光平面投射到靶標面上產(chǎn)生一條光條，調(diào)整傳感器的激光器以保證光條重合于靶標面的上下對齊標記，使光條垂直于靶標上的直線陣列。光條與平行直線陣列相交形成一組交點。如圖2所示，標定過程中，以一定的間距dx移動靶標到不同位置并采集一組圖像。在每個位置采集一幅圖像，如圖8-1、圖8-2、圖8-3、圖8-4、圖8-5和圖8_6所示，并將采集到的圖像保存到計算機。步驟三、靶標拓撲關系的確定，即圖像處理，提取光條和各條平行線的交點(即，標定特征點)的圖像坐標，并根據(jù)靶標的拓撲關系確定它們的光平面坐標系坐標。如圖1所示，當線結構光光條投射于平行線平板靶標時，光條與各平行線相交，交點定義為標定所需的特征點。光條與中心線的交點定義光平面坐標系的原點O1，平行線的方向定義為O1Z1，光條方向定義為O1Y1，O1X1軸垂直于靶標平面。定義靶標在CXD攝像機景深之內(nèi)且距離傳感器(由CXD攝像機和激光器以及其機械夾具組成的整體)最近位置時為零位，定義此位置光條和中心直線的交點為世界坐標原點，其坐標為(0，0，0)。由于靶標上各平行直線分布位置確定，而光條與各直線垂直，與各直線的交點在世界坐標系下的O1Y1軸線坐標可以確定。例如沿O1Y1軸正方向，光條與標記線的交點坐標分別為(0，ds，0)，(0，ds+dy,0)，(0，ds+2·dy,0)，(0，ds+3·dy，0)，.......k設為平臺移動位置標記，平臺的移動形成O1X1坐標，那么靶標在其他位置時交點的軸坐標為(l^dx，Yli，0)，這樣便獲得了各交點(即標定特征點)的世界坐標，并將其保存到計算機。步驟四、根據(jù)圖4的流程，完成傳感器參數(shù)的標定，將標定結果保存到計算機。線結構光視覺測量模型如圖3所示，(XijYijO)為光平面上P點在光平面坐標系下的三維坐標，(u,ν)和(ud，Vd)分別為理想像APu和實際像點Pd在計算機圖像坐標系下的像素坐標，根據(jù)直接線性變換模型(DirectLinearTransformation,DLT)，P(X1,Y1,0)與(u，ν)的轉換關系如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>上述公式(1)中，矩陣M為傳感器參數(shù)矩陣。畸變修正模型定義為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>公式(2)中，=0，1，2...，9)為畸變模型參數(shù)。在標定過程中，設有N個(本實施例中是10個)用于標定的特征點，它們的理想圖像坐標和實際圖像坐標分別為(Ui,Vi)和(udi，Vdi)，其光平面坐標系坐標為(Xli,Yli)。傳感器標定運算具體過程為1)通過圖像處理獲得標定特征點的實際圖像坐標(udi，vdi)和光平面坐標(Xli,Yli)；2)將(udi，vdi)和(Xli,Yli)代入公式⑴得到模型轉換的參數(shù)矩陣M中的各元素的值；3)利用(Xli,Yli)和得到的矩陣M，根據(jù)公式⑴計算理想圖像坐標(Ui，Vi)；4)將(udi，vdi)和(Ui，Vi)代入公式(2)得到畸變模型的畸變模型參數(shù)Ici和Pi的值；5)將(udi，vdi)及得到的1^和PiR入公式(2)，計算修正的圖像坐標(Ui’，Vi’)；6)設定迭代求解過程結束條件，用于判斷是否達到精度要求，其迭代求解過程結束條件如下列公式(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>如果達到上述公式(3)所限定的條件要求，則結束計算過程，輸出結果；否則，用(U/，V/)更新(udi，Vdi)，回跳到如圖4所示的第一步順序執(zhí)行。其具體流程如圖4所示。步驟五、根據(jù)圖5的流程，確定CXD攝像機光軸與光平面的夾角。傳感器參數(shù)標定完成之后，可先根據(jù)公式(3)將圖像處理得到的點P對應的光條點進行畸變修正得到其理想圖像坐標(u，ν)，進而可根據(jù)下式求得該點的光平面坐標系坐標(X1,Y1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>公式(4)中，nn=m31m24-m21m34，n12=mnm34-m14m31，n13=Hi21Hi14-Hi1^24；n21=m22m34-m32m24,n22=m32m14-m12m34,n23=m12m24-m22m14；n31=m21m32-m31m22,n32=m^m12-mnm32,n33=mnm22-m21m12線結構光視覺測量技術用于微小三維尺寸掃描測量時，系統(tǒng)的結構設計及布局一般是傳感器的CCD攝像機垂直于被測物體表面，傳感器的激光器以一定的角度(如圖5中所示為θ角)投射線結構光到被測物體表面，如圖5所示。測量世界坐標系為Ow-XwYwZw,其中OwXw軸平行于CCD攝像機的光軸0。Z。，OwYw軸平行于光平面坐標系的O1Y1軸，根據(jù)右手定則確定OwZw軸，被測物體表面點P在OwZw軸方向上的坐標由平移臺帶動物體移動的距離決定。因此需要確定CXD攝像機光軸與光平面的夾角θ，即OwXw軸與O1X1軸的夾角。從而根據(jù)下列公式(5)，利用點P的光平面坐標系坐標(X1,Y1)得到其世界坐標系坐標(Xw，Yw)(Xw=XlCosOW(5)Jw-1I該夾角θ的標定方法如圖6所示，具體流程如圖7所示；(1)將平板靶標垂直于光軸0。Ζ。放置于CXD攝像機視場范圍之內(nèi)，在CXD攝像機景深范圍內(nèi)任何一處(圖6中所示的第一位置)處采集光條圖像處理獲得其各點的圖像坐標(udi,vdi)，利用公式(2)和⑷計算得到對應的光平面坐標(Xli,Yli),對其進行直線擬合，得到該處的空間直線；(2)將平面靶標平移距離Dt至CXD攝像機景深范圍另一位置(圖6中所示第二位置)處采集光條圖像，采用上一步同樣的方式得到該處空間直線，計算兩條空間直線的距離Dl;(3)根據(jù)下列公式(6)計算得到夾角θ的值cosθ=Dt/Dl(6)標定得到的夾角θ=43.575°，傳感器參數(shù)如表1所示，畸變模型參數(shù)如表2所示，至此完成了傳感器標定，將結果保存到計算機。表1.傳感器參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表2.畸變模型參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>本發(fā)明標定方法適用于微小尺寸測量的線結構光視覺傳感器標定任務，可替代現(xiàn)有的線結構光視覺傳感器的標定方法，可應用于現(xiàn)場標定，能夠滿足線結構光視覺高精度檢測任務的需要。盡管上面結合圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。權利要求一種用于微小尺寸測量的線結構光視覺傳感器標定方法，其特征在于該標定方法包括以下步驟步驟一、在一平行線平板靶標的表面上設置中心線和標記線，在一平行線平板靶標的表面刻畫出一組具有N條的水平陣列直線，其中，N不少于7，N的上限值根據(jù)傳感器的CCD攝像機的視場范圍大小確定，將位于中間的一條直線定義為中心線，其上下兩側鄰近的兩條平行直線定義為標記線，每條標記線與中心線的距離為ds；以這兩條標記線為基準，向上和向下的相鄰平行線的間距均為dy，且dy＞ds，所述ds及dy的取值范圍根據(jù)傳感器的CCD攝像機視場范圍大小確定，上述所有的水平陣列直線與平行線平板靶標的矩形平板的下邊沿平行；步驟二、采集一組圖像，將上述靶標固定在一個精密移動平臺上，固定靶標并使其垂直于該平臺的移動方向，然后，調(diào)整平臺位置確保靶標平面垂直于光平面；激光平面投射到靶標面上產(chǎn)生一條光條；調(diào)整傳感器的激光器保證光條重合于靶標面的上下對齊標記，使光條垂直于靶標上的直線陣列；此時，光條與平行直線陣列相交形成一組交點，并以間距為dx移動靶標到不同位置并采集一組圖像，將采集到的圖像保存到計算機；步驟三、確定靶標拓撲關系，包括(3-1)當線結構光光條投射于平行線平板靶標時，光條與所述各平行直線相交，將交點定義為標定特征點；光條與所述中心線的交點定義為光平面坐標系的原點Ol，所述平行直線的方向定義為OlZl軸，光條方向定義為OlYl軸，光平面坐標系的OlXl軸垂直于靶標平面；(3-2)將靶標在CCD攝像機景深之內(nèi)距離CCD攝像機最近位置定為零位，此位置光條和中心直線的交點定義為世界坐標系原點，其坐標為(0，0，0)，確定各標定特征點在世界坐標系下的OlYl軸線坐標；至此獲得各標定特征點的世界坐標系坐標，并將其保存到計算機；步驟四、傳感器參數(shù)標定，包括(4-1)定義線結構光視覺測量模型，(Xl，Yl，0)為光平面上P點在光平面坐標系下的三維坐標，(u，v)和(ud，vd)分別為理想像點Pu和實際像點Pd在計算機圖像坐標系下的像素坐標，根據(jù)直接線性變換模型DLT，P(Xl，Yl，0)與(u，v)的轉換關系如下<mrow><mi>s</mi><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>u</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>v</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>m</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mn>13</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>m</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mn>23</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>m</mi><mn>31</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mn>32</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>m</mi><mn>33</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>·</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>X</mi><mi>l</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Y</mi><mi>l</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mi>M</mi><mo>·</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>X</mi><mi>l</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Y</mi><mi>l</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>上述公式(1)中，矩陣M為傳感器參數(shù)矩陣；畸變修正模型定義為<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>u</mi><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><msubsup><mi>v</mi><mi>d</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>u</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>u</mi><mi>d</mi></msub><msub><mi>v</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>u</mi><mi>d</mi></msub><msubsup><mi>v</mi><mi>d</mi><mn>4</mn></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>5</mn></msub><msubsup><mi>u</mi><mi>d</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>6</mn></msub><msubsup><mi>u</mi><mi>d</mi><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>v</mi><mi>d</mi><mn>3</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>7</mn></msub><msubsup><mi>u</mi><mi>d</mi><mn>3</mn></msubsup><msubsup><mi>v</mi><mi>d</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>8</mn></msub><msubsup><mi>u</mi><mi>d</mi><mn>4</mn></msubsup><msub><mi>v</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>9</mn></msub><msubsup><mi>u</mi><mi>d</mi><mn>5</mn></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>v</mi><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><msubsup><mi>u</mi><mi>d</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>v</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>v</mi><mi>d</mi></msub><msub><mi>u</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>v</mi><mi>d</mi></msub><msubsup><mi>u</mi><mi>d</mi><mn>4</mn></msubsup></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>5</mn></msub><msubsup><mi>v</mi><mi>d</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>6</mn></msub><msubsup><mi>v</mi><mi>d</mi><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>d</mi><mn>3</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>7</mn></msub><msubsup><mi>v</mi><mi>d</mi><mn>3</mn></msubsup><msubsup><mi>u</mi><mi>d</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>8</mn></msub><msubsup><mi>v</mi><mi>d</mi><mn>4</mn></msubsup><msub><mi>u</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>9</mn></msub><msubsup><mi>v</mi><mi>d</mi><mn>5</mn></msubsup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>公式(2)中，ki和pi(i＝0，1，2...，9)為畸變模型參數(shù)；(4-2)傳感器標定運算具體過程是(4-2-1)所述各特征點的理想圖像坐標和實際圖像坐標分別為(ui，vi)和(udi，vdi)，其光平面坐標系坐標為(Xli，Yli)；(4-2-2)將(udi，vdi)和(Xli，Yli)代入上述公式(1)得到模型轉換的參數(shù)矩陣M中的各元素的值；(4-2-3)利用(Xli，Yli)和得到的矩陣M，根據(jù)公式(1)計算理想圖像坐標(ui，vi)；(4-2-4)將(udi，vdi)和(ui，vi)代入上述公式(2)得到畸變模型的畸變模型參數(shù)ki和pi的值；(4-2-5)將(udi，vdi)及得到的ki和pi代入公式(2)，計算修正的圖像坐標(ui’，vi’)；(4-2-6)設定迭代求解過程結束條件如下<mrow><msqrt><mfrac><mrow><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mo>[</mo><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>u</mi><mi>di</mi></msub><mo>-</mo><msubsup><mi>u</mi><mi>i</mi><mo>′</mo></msubsup><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>v</mi><mi>di</mi></msub><mo>-</mo><msubsup><mi>v</mi><mi>i</mi><mo>′</mo></msubsup><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>]</mo></mrow><mrow><mi>N</mi><mrow><mo>(</mo><mi>N</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></msqrt><mo><</mo><mn>1</mn><mo>×</mo><msup><mn>10</mn><mrow><mo>-</mo><mn>6</mn></mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>判斷是否達到上述條件，若.F.，則用(ui’，vi’)更新(udi，vdi)，并返回到上述(4-2-1)步驟；若.T.，則結束計算過程，至此完成了傳感器參數(shù)標定，將參數(shù)保存到計算機，并輸出結果；步驟五、CCD攝像機光軸與光平面夾角的確定根據(jù)公式(3)將圖像處理得到的點P對應的光條點進行畸變修正得到其理想圖像坐標(u，v)，進而可根據(jù)下式求得該點的光平面坐標系坐標(Xl，Yl)<mrow><mi>w</mi><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>X</mi><mi>l</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Y</mi><mi>l</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>n</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>n</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>n</mi><mn>13</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>n</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>n</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>n</mi><mn>23</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>n</mi><mn>31</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>n</mi><mn>32</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>n</mi><mn>33</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>·</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>u</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>v</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mi>N</mi><mo>·</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>u</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>v</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>上述公式(4)中，n11＝m31m24-m21m34，n12＝m11m34-m14m31，n13＝m21m14-m11m24；n21＝m22m34-m32m24，n22＝m32m14-m12m34，n23＝m12m24-m22m14；n31＝m21m32-m31m22，n32＝m31m12-m11m32，n33＝m11m22-m21m12設傳感器的CCD攝像機垂直于被測物體表面，傳感器的激光器以θ角投射線結構光到被測物體表面；測量世界坐標系為Ow-XwYwZw，其中OwXw軸平行于CCD攝像機的光軸OcZc，OwYw軸平行于光平面坐標系的OlYl軸，根據(jù)右手定則確定OwZw軸，被測物體表面點P在OwZw軸方向上的坐標由平移臺帶動物體移動的距離決定；根據(jù)公式(5)確定CCD攝像機光軸與光平面的夾角θ，即OwXw軸與OlYl軸的夾角，根據(jù)下列公式(5)，利用點P的光平面坐標系坐標(Xl，Yl)得到其世界坐標系坐標(Xw，Yw)<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>X</mi><mi>w</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>X</mi><mi>l</mi></msub><mi>cos</mi><mi>θ</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Y</mi><mi>w</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Y</mi><mi>l</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>該夾角θ的標定過程如下(5-1)將平板靶標垂直于光軸OcZc放置于CCD攝像機視場范圍之內(nèi)，在CCD攝像機景深范圍內(nèi)任何一處采集光條圖像處理獲得其各點的圖像坐標(udi，vdi)，利用上述公式(2)和公式(4)計算得到對應的光平面坐標(Xli，Yli)，對其進行直線擬合，得到該處的空間直線；(5-2)將平面靶標平移距離DT至CCD攝像機景深范圍另一位置處采集光條圖像，采用如上述步驟(5-1)同樣的方式得到該處空間直線，計算兩條空間直線的距離DL；(5-3)根據(jù)下列公式(6)計算得到夾角θ的值；cosθ＝DT/DL(6)至此，完成了CCD攝像機光軸與光平面夾角的確定，并將其結果保存到計算機。全文摘要本發(fā)明公開了一種用于微小尺寸測量的線結構光視覺傳感器標定方法，通過以下步驟進行標定(1)在一平行線平板靶標的表面上設置中心線和標記線，(2)采集一組圖像，(3)確定靶標拓撲關系，(4)利用設計的平行線平板靶標和一個精密移動平臺，即可完成傳感器參數(shù)的標定任務；包括定義線結構光視覺測量模型，根據(jù)直接線性變換模型確定轉換關系，并定義畸變修正模型；標定運算；(5)利用該靶標可確定CCD攝像機光軸與光平面的夾角，便捷地實現(xiàn)了世界坐標系和光平面坐標系的坐標轉換。本發(fā)明標定方法使用一個平行線平板靶標，完成傳感器參數(shù)的標定，簡化了標定過程，結果可靠，適合現(xiàn)場標定，能夠滿足用于微小尺寸的線結構光視覺高精度檢測任務的需要。文檔編號G01B11/00GK101814185SQ20101014616公開日2010年8月25日申請日期2010年4月14日優(yōu)先權日2010年4月14日發(fā)明者劉斌,孫長庫申請人:天津大學