結構光三角測量自動標定系統及標定方法
【專利摘要】本發明公開了一種結構光三角測量自動標定系統及標定方法，包括處理器單元、控制系統、測量系統、運動系統以及供電系統，標定方法包括步驟：設一根長度覆蓋相機橫向量程的標定型材作為被測物，線結構光照射在標定型材表面；電動升降機構使所述標定型材垂直移動；相機以一定頻率拍攝標定型材表面，獲取線結構光上某光點的像方坐標，同時通過多個測距機測量標定型材上該光點的物方坐標；建立像方坐標與物方坐標的映射關系；依此對相機靶面上的全部像素點進行標定。本發明的標定精度為分辨率達0.02mm，有效避免了人工誤差造成的精度影響。采用電動升降機構升降以及測距機測量，全自動完成運動及測量過程，標定效率顯著提高。
【專利說明】
結構光三角測量自動標定系統及標定方法
技術領域
[0001]本發明涉及激光測量技術領域，尤其涉及到結構光三角測量的標定系統及標定方法。
【背景技術】
[0002]如何快速、準確、有效地獲取空間三維信息，是國內外學者深入研究的前沿課題。隨著信息技術研究的深入及智慧城市、虛擬現實等概念的出現，尤其在當今以計算機技術為依托的信息時代，人們對空間三維信息的需求更加迫切。隨著傳感器、電子、光學、計算機等技術的發展，基于計算機視覺理論獲取物體表面三維信息的攝影測量與遙感技術成為主流，但它在由三維世界轉換為二維影像的過程中，不可避免地會喪失部分幾何信息，所以從二維影像出發理解三維客觀世界，存在自身的局限性。因此，上述獲取空間三維信息的手段難以滿足未來應用的需求，如何快速、有效地將現實世界三維信息高精度獲取、建模分析及存儲成為解決這一問題的瓶頸。
[0003]三維激光測量技術的出現和發展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段，為信息數字化發展提供了必要的生存條件。由于激光具有單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，將其引入測量裝置中，在精度、速度、易操作性等方面均表現出巨大的優勢，它的出現引發了現代測量技術的一場革命，許多高技術公司、研究機構將研究方向和重點轉移到激光測量裝置研究中。隨著激光技術、半導體技術、微電子技術、計算機技術和傳感器等技術發展和應用需求推動，激光測量技術也由點對點的激光測距，發展到采用非接觸主動測量，快速獲取物體表面大量采樣點三維空間坐標的三維激光掃描測量技術。隨著三維激光掃描測量裝置在精度、速度、易操作性、輕便和抗干擾能力等性能方面的提升及價格方面的逐步下降，其在測繪領域成為研究的熱點，掃描對象不斷擴大，應用領域不斷擴展，逐步成為快速獲取空間實體三維模型的主要方式之一。三維激光掃描測量技術克服了傳統測量技術的局限性，采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數據，能夠對任意物體進行掃描，且沒有白天和黑夜的限制，快速將現實世界的信息轉換成可以處理的數據。它具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數字特征等特點，可以極大地降低成本，節約時間且使用方便。
[0004]三維激光掃描測量技術按照測量方式可分為基于脈沖式、基于相位差、基于三角測量原理三種類型。脈沖法(包括飛行時間法)由激光發生源發射一個激光脈沖，當激光脈沖遇到物體時反射到發生源，測量激光發射時刻到接收時刻之間的時間間隔，再通過已知的光速，即可以計算出起點到目標距離。脈沖法通常用于遠距離大量程測量，測量距離從幾百米到幾公里，測量精度通常在厘米-分米，測量時間短。相位法由發射源發射連續脈沖波，通過計算發射波和接收波間相位差，從而計算距離。相位法通常用于中距離測量，測量距離從幾十厘米到幾十米，測量精度通常可達毫米，測量時間比較長。
[0005]激光三角測量的基本原理如圖1所示，激光器光束投射方向與相機拍攝方向成一定夾角α，激光器產生的光束投射到被測物體的表面上形成一光點，光點的一部分散射光(含反射光)通過透鏡成像到相機CCD上。如果被測物體沿激光束方向發生位置移動A，那么相機CCD上的像點也會隨之移動B，通過像點的移動距離B可以檢測出被測物體表面的移動距離A。三角法通常用于近距離測量，測量距離通常在幾十毫米到幾米，測量精度可以達到微米級，測量時間非常短。
[0006]利用激光三角測量系統進行三維測量，必須知道如何通過已知的像點的移動距離B，得出被測物體表面的移動距離A，即需要知道被測點坐標與對應像素點坐標的關系，而求解這個對應關系的過程就是激光三角測量系統標定的過程。
[0007]激光屬于結構光的一種。結構光三角測量系統標定的方法分為標準模板法和直接像素點標定法，標準模板法是通過相機拍攝標準模板上三維坐標已知的被測點，將相機像素點坐標系和被測點基準坐標系聯系起來，然后通過計算求得兩個坐標系間的變換方程，通過變換方程就可以由像素點坐標計算實際被測物坐標。因為變換方程是通過三維坐標已知的被測點計算得出，所以三維坐標已知的被測點越多、被測點實際坐標越準確，最終得到的變換方程越準確，即標定精度越高。但實際應用中提高被測點坐標精度比較難以實現，同時增加被測點數量會帶來很大的計算量，所以實際應用中在有限的被測點數下標準模板法標定精度不尚。
[0008]直接像素點標定法是相機拍攝一根長度覆蓋相機橫向量程的型材，通過增減已知厚度的量塊來實現被測物高度變化(即已知被測物坐標)，然后拍攝一系列已知坐標的不同高度的被測物，并將這一系列被測物坐標與其對應的像素點坐標--對應，其他未被對應到的像素點通過線性插值得到坐標。最終可以得到像素點坐標與被測物空間坐標之間的關系表，實際工程應用時直接查關系表得到像素點對應的實際物方坐標，進而可以通過像素點坐標得出被測物表面輪廓信息。
[0009]所以直接像素點標定法標定精度受直接標定像素點數量以及被測物坐標精度影響。因為標定使用的已知厚度的量塊自身加工精度有限，致使實際被測物坐標準確性有限；另一方面因為采用人工標定方式，考慮人工成本，實際應用中直接對應到的像素點數量有限，其他未被對應到的像素點只能通過線性插值得到，所以以往直接像素點標定法標定精度也不高，人工誤差易造成影響。
【發明內容】
[0010]本發明所要解決的技術問題是提供一種結構光三角測量自動標定系統及標定方法，以克服現有標定方案存在的標定精度低、人工誤差大以及標定效率低的缺陷。
[0011]為解決上述技術問題，本發明提供的結構光三角測量自動標定系統，包括處理器單元、控制系統、測量系統、運動系統以及供電系統，其中，
[0012]所述處理器單元，主要用于為數據的存儲、計算；
[0013]所述控制系統，用于控制測量系統和運動系統工作；
[0014]所述測量系統主要包括相機、結構光光源、測距機、數據采集卡以及標定型材，所述標定型材的長度覆蓋所述相機的橫向量程，所述相機、結構光光源成三角測量位置關系，所述數據采集卡用于讀取測距機的值；
[0015]所述運動系統為電動升降機構，所述電動升降機構固定連接所述標定型材，用于帶動所述標定型材相對所述結構光光源的光束方向升降，所述測距機用于測量所述標定型材的高程；
[0016]所述供電系統，為所述處理器單元、控制系統、測量系統、運動系統提供電源。
[0017]所述電動升降機構的數量為兩個，分別安裝在所述標定型材的兩端。
[0018]本發明同時提供了結構光三角測量自動標定系統的標定方法，包括以下步驟:
[0019]設一根長度覆蓋相機橫向量程的標定型材作為被測物，結構光光源發出的線結構光照射在所述標定型材表面;通過電動升降機構使所述標定型材垂直緩慢移動;每隔一定時間間隔，相機拍攝所述標定型材表面，獲取所述線結構光上某光點的像方坐標，同時通過測距機測量所述標定型材上該光點的物方坐標；建立所述像方坐標與物方坐標的映射關系，即建立相機靶面上的某個像素點的標定;依此原理，對相機靶面上的全部像素點進行標定。
[0020]優選的，所述相機每隔一定時間間隔是指，所述標定型材用該時間間隔垂直移動一定步長，該一定步長在相機靶面上的對應位移小于或等于一個相機像素點高度。
[0021]優選的，所述相機與激光測距機同時連接控制器，所述控制器產生同步觸發信號，同步觸發信號分成兩路，其中一路連接所述相機，觸發相機拍攝標定型材上的光點；另外一路連接工控機中的數據采集卡，觸發數據采集卡讀取當前時間的測距機實時測量的標定型材上該光點的高程，即該光點的物方坐標；
[0022]有益效果:本發明結構光三角測量自動標定方法，在標定精度上，一方面采用測距機實時測量被測物高程，確保被測物高程值的準確性;另一方面采用全像素點標定的模式，避免了計算誤差的影響。同時，由于采用電動升降機構來實現被測物的高程變化，變化分辨率可達0.02mm，確保被測物高程值的準確性，也有助于提高標定精度。
[0023]在人工誤差上，采用電動升降機構實現被測物高程變化，無需人工干預，有效避免了人工誤差造成的精度影響。
[0024]在標定效率上，采用電動升降機構升降以及測距機測量，全自動完成運動及測量過程，標定效率顯著提尚。
[0025]所以本發明在節省人力資源的前提下，提升了標定效率，提高了標定精度。
【附圖說明】
[0026]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的技術方案作進一步具體說明。
[0027]圖1為激光三角測量原理圖。
[0028]圖2為本發明的結構光三角測量裝置的組成原理框圖。
[0029]圖3為本發明一種【具體實施方式】的測量安裝示意圖。
[0030]圖4為本發明的結構光三角測量標定的工作邏輯圖。
[0031]圖5為本發明的結構光三角測量標定的具體工作流程圖。
【具體實施方式】
[0032]本發明處理器單元、控制系統、測量系統、運動系統以及供電系統，其中，處理器單元，主要用于為數據的存儲、計算;控制系統，用于控制測量系統和運動系統工作;測量系統主要包括相機、結構光光源、測距機、數據采集卡以及標定型材，標定型材的長度覆蓋所述相機的橫向量程，相機、結構光光源成三角測量位置關系，數據采集卡用于讀取測距機的值;運動系統為電動升降機構，電動升降機構固定連接所述標定型材，用于帶動所述標定型材相對所述結構光光源的光束方向升降，所述測距機用于測量所述標定型材的高程；
[0033]供電系統為外接電源，為處理器單元、控制系統、測量系統、運動系統提供電源。
[0034]結合圖2所示，工控機主要為系統提供操作平臺及存儲計算設備;控制系統主要由控制器組成，控制測量系統和運動系統工作；測量系統主要分為采集軟件、相機、結構光光源以及測距機。
[0035]圖3為本發明【具體實施方式】的測量安裝示意圖，具體為:1.工控機一臺；2.控制器一臺；3.測距機三臺；4.相機一臺；5.結構光光源一臺；6.電動升降機構兩個;7.標定型材(即被測物)一個。其中工控機集成了處理器單元和數據采集卡。
[0036]被測物為一根長度覆蓋相機4橫向量程的鋁合金標定型材7，通過控制器2控制電動升降機構6使標定型材7垂直緩慢上升，標定型材7高程值通過測距機3實時測量，相機4每隔固定步長(如0.1mm，對應一個像素點高度)拍攝標定型材7光滑表面獲取結構光光源5結構光線所處位置物方坐標，工控機I利用控制器2的同步信號對相機4和測距機3同步，將獲取到的物方坐標對應到相機4靶面上的像素點即完成該像素點標定，如此反復直至將相機4靶面所有像素點標定完成。
[0037]圖4為本發明工作邏輯圖，其中供電部分未顯示。工控機I通過軟件給控制器2發控制命令，然后控制器2控制升降機構6運動，連帶標定型材7也隨之運動。同時控制器2還產生同步觸發信號，同步觸發信號分成兩路，其中一路連接相機4，觸發相機4拍攝標定型材7;另外一路連接工控機I中的數據采集卡，觸發數據采集卡讀取當前時間的測距機3值。相機4拍攝的圖片通過數據線傳輸回工控機1，測距機3和相機4直接測量電動升降機構6上的標定型材7表面獲取數據。
[0038]本發明結構光三角測量自動標定方法流程如圖5流程圖所示。
[0039](I)準備工作
[0040]將兩個電動升降機構6安放平穩，并調節各自水平，確保電動升降機構6在豎直面升降。將一根長度覆蓋相機橫向量程的標定型材7固定在兩個電動升降機構6上，將相機4固定并確保其能拍攝到標定型材7表面，結構光光源發出的線結構光照射在所述標定型材表面。
[0041 ] (2)確定測距機3位置
[0042]將測距機3固定在標定型材7旁邊，使測距機3測量自身到標定型材7表面距離。調節測距機3高度，使標定型材7在標定高程范圍內不超過測距機3測量量程。
[0043](3)確定測距機3的物方坐標
[0044]實際標定時通過讀取的測距機3值可以直接得到當前標定型材7表面所有點的物方坐標。
[0045](4)開始采集
[0046]兩個電動升降機構6同步緩慢上升，測距機3高頻率測量，相機4以一定頻率拍攝。相機4通過控制器2發出的觸發信號來拍攝，同時該信號分出一路給測距機3的數據采集卡，使數據采集卡提取此刻的測距機3值。
[0047](5)匹配數據
[0048]每隔一定時間間隔，相機拍攝標定型材表面，獲取線結構光上某光點的像方坐標，同時通過測距機測量標定型材上該光點的物方坐標;實時匹配標定型材7物方坐標和相機4拍攝到的斷面信息，即可把標定型材7物方坐標賦值到相機4像素表對應的像素點上，被賦值的像素點即完成取值過程。每隔一定時間間隔是指，標定型材用該時間間隔垂直移動一定步長，該一定步長在相機靶面上的對應位移小于或等于一個相機像素點高度。因次，相機4每個像素點的對應的結構光點采集數據至少有一個或者多個。
[0049](6)改變采集頻率
[0050]通過設置控制器2參數讓電動升降機構6上升一定行程后下降，下降速度同上升速度一致，同時相機4和測距機3同步取值。下降完成后再往復上升下降，此時兩個電動升降機構6以不同速度升降，其各自速度都無序變化，并且相機拍攝頻率也隨之改變，以此來保證盡可能多的結構光點被拍攝到。
[0051](7)結束采集
[0052]當某個像素點取值完成后，該像素點不再取值;當發現有不符合規律的異常值時，便認為該標定值不可靠，該像素點需要重新取值標定；當所有像素點取值完成后系統停止采集、電動升降機構6也停止運行。
[0053](8)數據處理
[0054]結束采集后，將每個像素點的多組值取平均值后作為該點標定值，最終即可得到相機4每個像素點對應的物方坐標，測量系統標定完成。
[0055]可以看到，本發明的突出特點在于:
[0056]標定方法:全自動標定方法。利用電動升降機構6實現被測物高程連續不間斷自動變化，利用測距機3實時測量被測物表面準確高程值，相機4以一定頻率拍攝被測物并匹配測距機高程值，利用測距機3高程值可以計算被測物物方坐標，最終將被測物物方坐標與拍攝到的相機4的像方坐標對應賦值，達到像素點標定。
[0057]標定模式:全像素標定。利用電動升降機構6實現被測物高程變化，相機4以一定頻率拍攝被測物，電動升降機構6升降速度和相機4拍攝頻率可確保相機4拍攝被測物的高程分辨率小于相機4 一個像素點對應的高程值，進而可以確保相機4靶面所有像素點都可以直接被賦值標定，即達到全像素標定，避免像素點通過插值計算得出標定值從而帶來標定誤差。
[0058]最后所應說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1.一種結構光三角測量自動標定系統，其特征在于，包括處理器單元、控制系統、測量系統、運動系統以及供電系統，其中， 所述處理器單元，主要用于為數據的存儲、計算； 所述控制系統，用于控制測量系統和運動系統工作； 所述測量系統主要包括相機、結構光光源、測距機、數據采集卡以及標定型材，所述標定型材的長度覆蓋所述相機的橫向量程，所述相機、結構光光源成三角測量位置關系，所述數據采集卡用于讀取測距機的值； 所述運動系統為電動升降機構，所述電動升降機構固定連接所述標定型材，用于帶動所述標定型材相對所述結構光光源的光束方向升降，所述測距機用于測量所述標定型材的高程； 所述供電系統，為所述處理器單元、控制系統、測量系統、運動系統提供電源。2.根據權利要求1所述的結構光三角測量自動標定系統，其特征在于，所述電動升降機構的數量為兩個，分別安裝在所述標定型材的兩端。3.—種權利要求1所述的結構光三角測量自動標定系統的標定方法，其特征在于，包括以下步驟: 設一根長度覆蓋相機橫向量程的標定型材作為被測物，結構光光源發出的線結構光照射在所述標定型材表面； 通過電動升降機構使所述標定型材垂直以設定的速度移動； 相機以一定頻率拍攝所述標定型材表面，獲取所述線結構光上某光點的像方坐標，同時通過測距機測量所述標定型材上該光點的物方坐標； 建立所述像方坐標與物方坐標的映射關系，即建立相機靶面上的某個像素點的標定； 依此原理，對相機靶面上的全部像素點進行標定。4.根據權利要求3所述的結構光三角測量自動標定系統的標定方法，其特征在于，所述相機每隔一定時間間隔是指，所述標定型材用該時間間隔垂直移動一定步長，該一定步長在相機靶面上的對應位移小于或等于一個相機像素點高度。5.根據權利要求4所述的結構光三角測量自動標定系統的標定方法，其特征在于， 所述相機與激光測距機同時連接控制器，所述控制器產生同步觸發信號，同步觸發信號分成兩路，其中一路連接所述相機，觸發相機拍攝標定型材上的光點；另外一路連接工控機中的數據采集卡，觸發數據采集卡讀取當前時間的測距機實時測量的標定型材上該光點的高程，即該光點的物方坐標。
【文檔編號】G01B11/00GK106017312SQ201610164443
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月22日
【發明人】李清泉, 張德津, 曹民, 王新林, 孫小進
【申請人】武漢武大卓越科技有限責任公司