一種結構光測量傳感器標定方法
【專利摘要】一種結構光測量傳感器標定方法，包含以下步驟：1)將標靶放置到激光器前，使激光投影到靶標上，將兩個相機分別放置在激光器的上部和下部，使其能拍攝到標靶的激光光斑；2)控制上下兩個相機同步拍攝標靶圖像，得到圖像L1,L2；3)分別處理圖像L1,L2，提取圖像上光斑的中心坐標；4)核線匹配利用核線匹配像點；5)計算激光面上點的三維點坐標；6)變換標靶的位置，重復1～5步的過程，重復次數一次以上；7)由三維點擬合激光平面方程。本發明降低了標定難度，有利于結構光測量方法的推廣應用。為社會生產提供更簡潔的測量工具，提高生產效率，創造社會財富。
【專利說明】
一種結構光測量傳感器標定方法
技術領域
[0001] 本發明涉及傳感器設備參數標定領域，具體涉及一種結構光測量傳感器標定方 法。
【背景技術】
[0002] 現有的結構光標定方法存在過程繁瑣、需要共面的參考靶標，需要通過共面靶標 計算激光平面參數等問題。
[0003] 有鑒于上述現有的結構光標定方法存在的缺陷，本發明人基于從事此類產品設計 制造多年豐富的實務經驗及專業知識，并配合學理的運用，積極加以研究創新，以期創設一 種新的結構光測量傳感器標定方法，能夠改進一般現有的結構光標定方法，使其更具有實 用性。經過不斷的研究、設計，并經反復試作樣品及改進后，終于創設出確具實用價值的本 發明。
【發明內容】
[0004] 本發明的終目的是提供一種新的結構光測量傳感器標定方法，通過直接計算結構 光型面上的三維點，進而計算出結構光型面方程參數，克服了已有標定方法中，需要共面參 考靶標的問題。
[0005] 本發明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。依據本發明提出 的一種結構光測量傳感器標定方法，包含以下步驟:第一步，將標靶放置到激光器2前，使激 光投影到靶標上，將兩個已完成定向的相機1分別放置在激光器2的上部和下部，使其能拍 攝到標靶的激光光斑;第二步，控制上下兩個相機1同步拍攝標靶圖像，得到圖像L1，L2;第 三步，分別處理圖像L1，L2,提取圖像上光斑的中心坐標，具體處理步驟如下：a閾值分割圖 像，將圖像分成背景圖像與光斑;b激光線條細化處理，計算線條上每一點的切線方向；c在 垂直于當前點切線的方向搜索光斑上的點，記錄點的灰度值與像點坐標;d以灰度值為權 值，計算光斑的精確中心坐標;第四步，核線匹配利用核線匹配像點；第五步，計算激光面上 點的三維點坐標;第六步，變換標靶的位置，重復1~5步的過程，重復次數一次以上；第七 步，由三維點擬合激光平面方程。
[0006] 本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。
[0007] 前述的結構光測量傳感器標定方法，其中所述的第二步中，當標靶相對于激光器2 運動時，標靶和激光器2之間設置硬件同步觸發信號。
[0008] 前述的結構光測量傳感器標定方法，其中所述的第四步中，首先計算出給定像點 在其它像片上的對應核線，像點Pi在像Si空間坐標系中的坐標記為，在S2像空( X1，yi，Z1)間 坐標系中的坐標為(x，y，z)，則有： (1)
[0010] 其中，（xs，Ys，zs)為像片投影中心在物方空間坐標系中的坐標，MdPM 2為像空間坐 標系相對于物方空間坐標系的旋轉矩陣，在Si像空間坐標系中，SjPPl的坐標已知，分別為 (0，0，0)和（XI，yi ,-f)，根據1式，可得Si和pi在S2像空間坐標系中的坐標，分別記為(Xsi2, Ysl2,Zsl2)^P(xi2,yi2,Z12)；
[0011] 由&、？1和&三點共面(核面），可得核面在&像空間坐標系中的方程為： X y z
[0012] Xil2 1^：2 Zsl2 = 0 (2) .? Λ 2 Zll
[0013]在&像空間坐標系下，像平面I2的平面方程為：
[0014] z = -f (3)
[0015] 將3式代入2式，即可得像點?1在像平面12上的對應核線方程： :? Zf ^12 ziP L
[0016] jc- v- iU.f = 〇 (4)〇 3? x& Z12 - x12 v 12
[0017] 前述的結構光測量傳感器標定方法，其中所述的第五步中，激光面上點的三維坐 標計算公式為： rnm ?1 ^ ? * %) ?14· (I * |5.Χ Φ p * §s> f 4· <f? Cs ^ ? ?4 ^ ^ ^ l 」Cl * 蠢：s + 會※.?) * 1.+ II.分 Q * %'l +? 「nniol + %:卜艾+於w心)* f + .於以+念 Cf? ^ fs 4- <f? %-i· J >* %)=? Ss
[0020]將匹配到的同名點坐標，代入上式;計算出平面上點的三維點坐標，其中，§為糾正 后的像點坐標，f為相機鏡頭焦距，ai，bi，ci為旋轉矩陣參數，Xs，Ys，Zs為外方位參數。
[0021 ]前述的結構光測量傳感器標定方法，其中步驟7中最小二乘擬合，誤差方程為：
[0023] 對上式求平面方程系數的偏導數，系數初值為1，代入迭代解算出平面方程式系 數。
[0024] 本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。借由上述技術方案，本發明 可達到相當的技術進步性及實用性，并具有產業上的廣泛利用價值，其至少具有下列優點：
[0025] 該發明使用兩臺已經完成定向的相機，拍攝投射到標靶上的激光的光斑，通過圖 像處理，分別從兩個相機拍攝的兩張圖像，提取激光光斑的中心坐標。通過核線匹配的方 式，匹配出兩個以上同名點，計算出同名點所對應的空間物方點坐標。變動標靶的位置(保 證激光始終能投射在標靶上），重復上邊的計算一次以上即可。將所有位置計算得到的三維 點坐標，進行平面擬合，計算出激光型面的空間方程式，完成結構光標定。降低了標定難度， 有利于結構光測量方法的推廣應用。為社會生產提供更簡潔的測量工具，提高生產效率，創 造社會財富。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明所用的標定裝置示意圖；
[0027]圖2為投射到標靶上的激光線；
[0028]圖3為核線不意圖；
[0029]圖4為標定處理流程圖。
[0030]【主要元件符號說明】
[0031] 1:相機
[0032] 2:激光器
[0033] 3:基線
[0034] L1，L2:圖像
[0035] S1，S2:相機投影中心
[0036] pl，p2:同名點
[0037] P:像點所對應的物方點
【具體實施方式】
[0038] 為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效，以下結合 附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的一種結構光測量傳感器標定方法其具體實施方 式、方法、步驟、特征及其功效，詳細說明如后。
[0039] 請參閱圖1-4,本發明一種結構光測量傳感器標定方法包含以下步驟：
[0040] 第一步，將標靶放置到激光器2前，確保激光能投影到靶標上，兩個已完成定向的 相機1分別放置在激光器2的上部和下部，且使其能拍攝到標靶上的激光光斑。
[0041] 第二步，控制上下兩個相機1同步拍攝標靶圖像，得到圖像L1，L2。
[0042] 第三步，分別處理圖像L1，L2,提取圖像上光斑的中心坐標。具體處理步驟如下 [0043] a閾值分割圖像，將圖像分成背景圖像與光斑；
[0044] b激光線條細化處理，計算線條上每一點的切線方向；
[0045] c在垂直于當前點切線的方向搜索光斑上的點，記錄點的灰度值與像點坐標；
[0046] d以灰度值為權值，計算光斑的精確中心坐標。
[0047] 第四步，核線匹配
[0048] 利用核線匹配像點，首先要計算出給定像點在其它像片上的對應核線。
[0049] 以圖3為例，像點像空間坐標系中的坐標記為(X1，yi，Z1)，在&像空間坐標系 中的坐標為(x，y，z)，則有：
L〇〇5l J 上式中，（Xs，Ys，Zs)為像片投影中心在物萬空間坐標系中的坐標，像空間 坐標系相對于物方空間坐標系的旋轉矩陣。在Si像空間坐標系中，S^P1的坐標已知，分別 為(0,0,0)和(Xi，yi，-f)。根據1式，可得Si和pi在S2像空間坐標系中的坐標，分別記為(Xsi2, Ysl2，Z s12)^fP(X12 ,yi2 ,Z12)。
[0052]由三點共面(核面），可得核面在S2像空間坐標系中的方程為： a· y ζ
[0053] ^sl2 ζ：12 ^(612 4 Λ2 Ζ12
[0054] 在&像空間坐標系下，像平面Ι2的平面方程為：
[0055] z = -f 3
[0056] 將3式代入2式，即可得像點?1在像平面12上的對應核線方程：
[0057] . 4χ-An &12j;-尤η ^12 ,/=:〇 4 y\2 Ζ\2· ^12 名 12 而2 3?
[0058]第五步，計算激光面上點的三維點坐標，計算公式為：
[0061] 將匹配到的同名點坐標，代入上式;計算出平面上點的三維點坐標。其中，自為糾正 后的像點坐標，f為相機鏡頭焦距，ai，bi，ci為旋轉矩陣參數，Xs，Y s，Zs為外方位參數。
[0062] 第六步，變換標祀的位置，重復1~5步的過程，重復次數一次以上。
[0063]第七步，由三維點擬合激光平面方程。
[0064]其中最小二乘擬合，誤差方程為：
[0066] 對上式求平面方程系數的偏導數，系數初值為1，代入迭代解算出平面方程式系 數。
[0067] 以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖 然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人 員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾 為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對 以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
【主權項】
1. 一種結構光測量傳感器標定方法，其特征在于，包含以下步驟： 第一步，將標靶放置到激光器(2)前，使激光投影到靶標上，將兩個已完成定向的相機 (1)分別放置在激光器(2)的上部和下部，使其能拍攝到標靶的激光光斑； 第二步，控制上下兩個相機(1)同步拍攝標靶圖像，得到圖像LI，L2; 第三步，分別處理圖像LI，L2,提取圖像上光斑的中心坐標，具體處理步驟如下 a閾值分割圖像，將圖像分成背景圖像與光斑； b激光線條細化處理，計算線條上每一點的切線方向； c在垂直于當前點切線的方向搜索光斑上的點，記錄點的灰度值與像點坐標； d以灰度值為權值，計算光斑的精確中心坐標； 第四步，核線匹配利用核線匹配像點； 第五步，計算激光面上點的三維點坐標； 第六步，變換標靶的位置，重復1~5步的過程，重復次數一次以上； 第七步，由三維點擬合激光平面方程。2. 根據權利要求1所述的結構光測量傳感器標定方法，其特征在于，其中所述的第二步 中，當標靶相對于激光器(2)運動時，標靶和激光器(2)之間設置硬件同步觸發信號。3. 根據權利要求1所述的結構光測量傳感器標定方法，其特征在于，其中所述的第四步 中，首先計算出給定像點在其它像片上的對應核線，像點P 1在像S1S間坐標系中的坐標記 為，在S2像空(xi，yi，zi)間坐標系中的坐標為(x，y，z)，則有：(1) 上式中，（Xs，Ys，Zs)為像片投影中心在物方空間坐標系中的坐標，MjPM2為像空間坐標 系相對于物方空間坐標系的旋轉矩陣，在S1像空間坐標系中，SjPp1的坐標已知，分別為(0， 0，0 )和(Xl，yi，-f )，根據1式，可得Sl和Pl在S2像空間坐標系中的坐標，分別記為(Xsl2，Ysl2， Zsl2)和（X12，yi2，Z12);由?,…二占 it而r炫而H泡核面在S2像空間坐標系中的方程為： (2) 在S2像空間坐標系下，像平面I2的平面方程為： z = -f (3) 將3式代入2式，即可得像點?1在像平面I2上的對應核線方程：(4)〇4. 根據權利要求1所述的結構光測量傳感器標定方法，其特征在于，其中所述的第五 步，激光面上點的三維坐標計算公式為：將匹配到的同名點坐標，代入上式;計算出平面上點的三維點坐標，其中，S為糾正后的 像點坐標，f為相機鏡頭焦距，ai，bi，Ci為旋轉矩陣參數，Xs，Ys，Zs為外方位參數。5.根據權利要求1所述的結構光測量傳感器標定方法，其特征在于，其中步驟7中最小 二乘擬合，誤差方程為：對上式求平面方程系數的偏導數，系數初值為1，代入迭代解算出平面方程式系數。
【文檔編號】G01B11/00GK106017327SQ201610673298
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月16日
【發明人】崔慶, 張卓輝, 王志飛, 向宇, 李曉亮, 夏璐璐, 高梓翔
【申請人】河南埃爾森智能科技有限公司