专利名称：：一种基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法
技术领域：
：本发明涉及视觉测量技术，具体涉及一种基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法。
背景技术：
：结构光视觉传感技术釆用的是非接触测量方式，测量范围较大。而且测量速度快、系统柔性好、精度适中，在三维重建、产品在线检测、逆向工程等领域有着广泛的应用。结构光传感器是一种基于光学三角测量原理的视觉测量系统。结构光投射器投射一定模式的结构光到被测物体上，被被测物体表面调制形成调制光条，用摄像机拍摄含有调制光条的被测物体表面图像，根据摄像机成像模型及摄像机同结构光的空间位置关系可以得到被测物体表面三维坐标。结构光传感器所投射的结构光可以分为点结构光、线结构光、单线结构光、多线结构光、圆结构光、锥形结构光等不同模式的结构光。如何确定不同模式的结构光同摄像机的空间位置关系，即结构光传感器结构参数的标定，是首先需要解决的问题。常用的结构光传感器结构参数标定方法有拉丝法、锯齿靶法、基于三维靶标的交比不变法以及基于平面靶标的标定方法等。其中，拉丝法是让结构光投射到在空间分布的几根不共面的细丝上，由于细丝散射而形成亮点，釆用电子经錄仪测出亮点在空间中的坐标值，根据图像上亮点坐标及空间中亮点实测得的坐标值，来求解结构光与摄像机间的位置参数。这种标定方法需要人工测量亮点的坐标，操作复杂，测量误差较大，并且需要辅助设备。锯齿靶法是段发阶等人在仪器仪表学报，2000，21(1):108-110发表的文章"一种新型结构光传感器结构参数标定方法"中提出的，该方法釆用一个简单的标定靶和一个一维工作台实现线结构光传感器的高精度标定，不需要其它仪器辅助测量光平面上点的坐标。但该方法需要调整一维工作台或结构光传感器的姿态，使得光平面与棱线相垂直，因此操作复杂。另外，加工齿形靶成本髙，齿棱有限，获得的标定点数目少。基于三维靶标的交比不变法是徐光佑等人在计算机学报，1995,Vo1.18，No.6发表的文章"一种新的基于结构光的三维视觉系统标定方法"中提出的，该方法釆用一个高精度的具有两个相互垂直平面的立体靶标，每个平面获取至少三个共线的特征点，利用交比不变原理获得结构光光条与该已知三点所在直线的交点。该方法需要的三维耙标加工成本高，两个垂直平面之间容易出现遮挡，而且获得的标定点也不多。目前，常用的简单有效的标定方法是基于二维平面靶标的标定方法，其中基于平面乾标的交比不变法，是周富强在ImageandVisionComputing,Volume23,Issue1，January2005,Pages59-67发表的文章"Completecalibrationofastructuredlightstripevisionsensorthroughplanartargetofunknownorientations[J]"中提出的一种结构光视觉传感器结构参数的标定方法，该方法釆用交比不变原理获得标定点，靶标上特征点行数很少，一般为310行，而一行特征点(至少三个)只能获得一个标定点，因此，该方法只适合标定线结构光，若标定非线结构光会产生较大拟合误差。邾继贵在专利号为CN200510013231.7的发明专利中提出一种基于共面参照物的线结构光传感器快速标定方法，该方法提出了利用摄像机光心和直线光条图像所决定的平面与共面参照物的交线来标定线结构光。这种方法无需辅助设备，不存在遮挡问题，操作简单，但此方法只能用于线结构光或多线结构光的标定。综上所述，目前结构光标定还存在着提取特征点数量少，只能标定特定模式线结构光的缺点。
发明内容有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法，可获取的标定点较多，且可标定任意模式的结构光。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法，该方法包括a、建立摄像机坐标系、图像平面坐标系；b、建立靶标坐标系，获取用于标定传感器结构参数的平面靶标图像，并获取结构光投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标；c、获取结构光多次投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标，根据获得的所有光条点坐标拟合结构光方程。所述步骤b之前包含在结构光视觉传感器测量区域无约東地放置带有特征点的平面靶标，通过结构光的投射在平面靶标上形成亮光条。步骤b中所述获取用于标定传感器结构参数的平面靶标图像包括用摄像机拍摄平面靶标图像，并对拍摄的平面靶标图像进行畸变校正。所拍摄的平面靶标图像包含光条和至少九个非共线的特征点，所述特征点呈至少三行三列矩形排列。步骤b中所述获取结构光投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标包括bl、在图像平面中构造三个共线的虛拟靶标特征点，获取通过所述三个共线虛拟靶标特征点的直线与图像上结构光光条的交点即光条点的坐标；b2、分别计算步骤bl中获取的每个光条点与三个共线虛拟靶标特征点的交比；b3、获取靶标图像中光条点对应的实际光条点在靶标坐标系下的坐标，并转换到摄像机坐标系下；b4、重复执行步骤blb3,获取靶标在同一位置下对应光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标。步骤bl之前进一步包括获取光条坐标，步骤bl所述获取光条点的坐标为根据光条坐标和三个共线虛拟靶标特征点确定的直线方程计算得到。步骤bl之前进一步包括获取靶标坐标系到摄像机坐标系的变换关系，即平移矢量和旋转矩阵，步骤b3所述将光条点在靶标坐标系下的坐标转换到摄像机坐标系下为根据获取的平移矢量和旋转矩阵进行转换。步骤bl所述构造三个共线的虛拟靶标特征点包括bll、选取三个共线特征点，在过所述三个共线特征点的直线上任取一点作为虛拟靶标特征点，并计算该点与所述三个共线特征点的交比；b12、选取另外两组同行/列的特征点，每组选取的三个特征点与步骤bll所述三个共线特征点分别同列/行，分别在过每组三个共线特征点的直线上找到一点即虛拟靶标特征点，使该点与本组三个共线特征点的交比等于步骤bll计算得到的交比；步骤c所述获取多次投射在靶标平面上的光条的坐标为无约束地多次移动平面靶标，每移动一次平面靶标，重复执行步骤b。步骤c所述结构光为任意模式的结构光。步骤b3所述获取乾标图像中光条点对应的实际光条点在耙标坐标系下的坐标为先根据虛拟靶标特征点和与其共线的三个特征点之间的交比在透视变换中保持不变的原理，分别获取靶标图像中三个虛拟靶标特征点在靶标上的对应点在耙标坐标系下的坐标；然后再根据耙标图像中光条点和与其共线的三个虛拟靶标特征点之间的交比在透视变换中保持不变的原理，获取靶标图像中光条点对应的实际光条点在靶标坐标系下的坐标。本发明基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法，在选取不同交比的情况下，可以获取平面靶标在同一位置的多个光条点，通过变换平面靶标的位置，又可以获得平面靶标在不同位置的多个光条点，拟合所有获得的光条点便可得到结构光方程，由于选取的交比不同，在平面靶标每个位置上可以获得任意数量的标定点，且标定的结构光可以为任意模式。图l为本发明标定系统结构图2为本发明基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法流程图3为本发明基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定原理示意图4为实施例平面靶标示意图5、图6、图7分别为平面靶标在三个不同位置时用于标定结构传感器结构参数的平面靶标图像。具体实施例方式本发明基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法，在交比不同的情况下，可以获取平面靶标在同一位置的多个光条点，通过变换平面靶标的位置，又可以获得平面靶标在不同位置的多个光条点，拟合所有获得的光条点便可得到结构光方程。下面通过具体实施例和附图对本发明基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法作进一步详细说明。图1为本发明标定系统结构图，如图1所示，本发明标定系统由结构光投射器、平面乾标和摄像机构成，结构光投射器用于投射一定模式的结构光到平面耙标上，平面靶标用于调制结构光形成调制光条，摄像机用来拍摄含有调制光条的平面靶标图像。以锥形结构光为例，图2为本发明基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法流程图，如图2所示，本发明基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法包括以下步骤步骤201:建立图像平面坐标系和摄像机坐标系。图3为本发明基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定原理示意图，如图3所示，根据摄像机的摆放位置建立摄像机坐标系^-X^A和图像平面坐标系O-t/K。步骤202:建立靶标坐标系，用摄像机拍摄平面靶标图像，并对拍摄的平面靶标图像进行畸变校正。具体包括打开激光投射器电源，在结构光视觉传感器测量区域，无约東地放置带有特征点的平面靶标，通过结构光的投射在平面靶标上形成亮光条。这里，所述放置的平面靶标是预先设置好的，所设置的靶标为二维平面，其上设置有圆形特征点，特征点个数为9~100个，特征点的直径为3mm100mm,其精度为0.001mm0.01mm,特征点间距为3mm50mm,其精度为0.001mm~O.Olmm,特征点的形状也可以为正方形等形状。图4为实施例平面靶标示意图，如图4所示，本实施例釆用包含9个直径为5mm的圆形特征点的平面乾标，乾标大小为150mmxl50mm，特征点间横向间距为60mm,纵向间距为60mm。如图3所示，根据平面靶标的放置位置建立靶标坐标系O,-x-,yA。这里，用摄像机拍摄的平面靶标图像应包含光条和至少九个非共线的特征点，所述特征点呈至少三行三列矩形排列；所述进行畸变校正是根据摄像机内部参数对拍摄的平面靶标图像进行畸变校正。至于具体如何进行畸变校正，属于已有技术，在此不再赘述。步骤203:提取步骤202中所述畸变校正后平面乾标图像上至少四个非共线特征点的坐标，并根据提取的特征点坐标，确定靶标坐标系到摄像机坐标系的变换关系。本发明釆用基于Hessian矩阵的形状算子确定特征点的像素位置，然后利用二阶泰勒展开式描述角点邻近区域的灰度分布曲面，最后通过计算曲面鞍点求取特征点的坐标。具体提取方法在陈大志的文章"ANewSub-PixelDetectorforX-CornersinCameraCalibrationTargets[C]，WSCG'2005ShortPapersProceedings,13thInternationalConferenceinCentralEuropeonComputerGraphics,VisualizationandComputerVision,2005，Plzen，CzechRepublic"中有详细描述。靶标坐标系到摄像机坐标系的变换关系指旋转矩阵R和平移矢量T。通常，利用至少四个非共线特征点的图像坐标及对应Q-xj^,下的坐标，先用最小二乘法求得图像平面与靶标平面之间3x3单应矩阵H的线性解；然后釆用Levenberg-Marquardt优化方法获得最优的单应矩阵H;最后从H中分解出从的旋转矩阵R和平移矢量T。具体求取单应矩阵H、旋转矩阵R和平移矢量T的算法在Z.Y.Zhang的"Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[R](MicrosoftCorporation,NSR-TR-98-71，1998)"文章中有详细描述，这里不再赘述。步骤204:提取步骤202中所述畸变校正后平面靶标图像上的光条坐标。本步骤通过计算图像点的Hessian矩阵，以及Hessian矩阵的绝对值最大的特征值所对应的向量，从而获得光条法线方向和在该方向上的二阶导数，最终获得亚像素级光条中心位置。其中，具体提取方法参见CarstenSteger的"UnbiasedExtractionofCurvilinearStructurefrom2Dand3DImages[D](Germany,TechnologyUniversityMunich,1998)，，。步骤205:在图像平面中构造三个共线的虛拟靶标特征点。具体包括首先，选取三个共线特征点，在通过所述三个共线特征点的直线上任取一点作为虛拟靶标特征点，并计算该点与所述三个共线特征点的交比。如图3所示，在图像平面坐标系O-W中，在通过三个纵向共线特征点al、a2、a3的直线上任取一点su作为虛拟靶标特征点，计算点&与al、a2、a3的交比0Lu。然后，选取另外两组同行/列的特征点，每组选取的三个特征点与所述三个共线特征点分别同列/行，分别在通过每组三个共线特征点的直线上找到一点即虛拟靶标特征点，使该点与本组3个共线特征点的交比等于交比otu,找到分别通过另外两组纵向共线特征点的直线上的点Si2和Si3，满足Si2与bl、b2、b3的交比、s。与cl、c2、c3的交比都等于au,即812和si3为另外两个虛拟靶标特征本实施例的平面靶标仅包括九个特征点，所以所选取的特征点位于相邻行和相邻列，当平面靶标包括多于九个特征点的情况下，可以隔行或隔列选取特征点。步骤206:获取通过三个共线虛拟靶标特征点的直线与图像上结构光光条的交点即光条点的坐标。在图像平面坐标系中，由几何关系可知，Sil、Si2、Si3在一条直线h上，根据SU、Si2、Sj3任意两点的坐标可以求得直线li的方程，且直线lj与光条有两个交点卯、Pi2,由步骤204所求光条坐标以及直线l,的方程可计算得pn、Pi2的坐标。在实际标定过程中，如果每次选取交比获取的光条点不止一个，也可以只获取其中一个光条点进行标定。步骤207:分别计算步骤206中获取的光条点与三个共线虛拟靶标特征点的交比，即算出Pu与Si!、Si2、Si3的交比Pu，以及Pi2与Su、Si2、Si3的交比卩^。步骤208:获取图像平面中光条点对应的实际光条点在靶标坐标系下的坐标，并转换到摄像机坐标系下。根据虛拟靶标特征点和与其共线的三个特征点之间的交比在透视变换中保持不变的原理，以及图像平面坐标系中特征点al、a2、a3、bl、b2、b3、cl、c2、c3在耙标坐标系中对应点al'、a2'、a3'、bl'、b2'、b3'、cl'、c2'、c3'的坐标和交比al确定虛拟靶标特征点su、si2、Sj3对应的实际点su、si2'、sc在靶标坐标系中的坐标；然后再根据靶标图像中光条点和与其共线的三个虛拟靶标特征点之间的交比在透视变换中保持不变的原理，以及Si「、Si2'、Si3'在靶标坐标系Q-X,W(中的坐标和交比Pu确定Pu对应的光条点Pi「在靶标坐标系中的坐标、SU'、Si2、Sj3'在靶标坐标系0(-XJA中的坐标和交比|3i2确定Pi2对应的光条点pc在靶标坐标系中的坐标；再根据步骤203获取的旋转矩阵R和平移矢量T将光条点pu和光条点Pi2在靶标坐标系下的坐标转换到摄像机坐标系下。条点的交比在透视变换中均保持不变的性质，在本发明中称之为二维交比不变原理,步骤209:重复执行步骤205~步骤208，获取平面乾标在同一个位置下对应光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标。步骤210:无约東多次移动平面靶标，每次移动平面靶标后，重复执行步骤202至209，获取结构光多次投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标。步骤211:由步骤208步骤210获得的所有光条点在摄像机坐标系下的坐标，拟合结构光在摄像机坐标系下的方程，保存所形成的方程，以备测量调用。本实施例中，约東移动平面靶标三次，根据步骤201和步骤202所述的方法，分别得到用于标定结构传感器结构参数的平面靶标图像如图5、图6、图7所示，根据现有技术计算得到摄像机的内部参数，内参矩阵和畸变系数分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>根据步骤203所述的方法计算图5所示位置靶标坐标系0,-;c,w,到摄,坐标系"-W￡的旋转矩阵R,和平移矢量T,分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>根据步骤205步骤208所述的方法，获得靶标在图5所示位置时形成光条上多个光条点在图像坐标系下的坐标及在摄像机坐标系下的坐标如表一所示<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表一根据步骤203所述的方法计算图6所示位置靶标坐标系0,-;cj^到摄像坐标系化-;c^A的旋转矩阵R2和平移矢量T2分别为凡=0.973928-0.0824640.211336-0.0385110.8579680.512257-0.223563-0.5070400.832424<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>根据步骤205~步骤208所述的方法，获得靶标在图6位置时形成光条上多个光条点在图像坐标系下的坐标及在摄像机坐标系下的坐标如表二所示<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表二根据步骤203所述的方法计算图7所示位置靶标坐标系(9,-x^,z,到摄像机坐标系化-的旋转矩阵R3和平移矢量T3分别为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>根据步骤205-步骤208所述的方法，获得靶标在图7位置时所形成光条上坐标系下的坐标及在摄像机坐标系下的坐标如表三所示<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>表三最后，根据获取的所有光条点在摄像机坐标系下的坐标拟合出的结构光方程为0.085x2+0.2086/+0.5688z2+(X2016砂-0.6220>;z-0.3569xz十151.6199x+261.2671_y-477.3929z-100000=0得到拟合的结构光方程后，结构光视觉传感器在检测过程中便可调用所得到的方程进行检测。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。权利要求1、一种基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法，其特征在于，该方法包括a、建立摄像机坐标系、图像平面坐标系；b、建立靶标坐标系，获取用于标定传感器结构参数的平面靶标图像，并获取结构光投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标；c、获取结构光多次投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标，根据获得的所有光条点坐标拟合结构光方程。2、根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述步骤b之前包含在结构光视觉传感器测量区域无约東地放置带有特征点的平面靶标，通过结构光的投射在平面靶标上形成亮光条。3、根据权利要求l所述的方法，其特征在于，步骤b中所述获取用于标定传感器结构参数的平面靶标图像包括用摄像机拍摄平面靶标图像，并对拍摄的平面乾标图像进行畸变校正。4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所拍摄的平面靶标图像包含光条和至少九个非共线的特征点，所述特征点呈至少三行三列矩形排列。5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤b中所述获取结构光投射在乾标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标包括bl、在图像平面中构造三个共线的虛拟靶标特征点，获取通过所述三个共线虛拟靶标特征点的直线与图像上结构光光条的交点即光条点的坐标；b2、分别计算步骤bl中获取的每个光条点与三个共线虛拟靶标特征点的交比；b3、获取乾标图像中光条点对应的实际光条点在靶标坐标系下的坐标，并转换到摄像机坐标系下；b4、重复执行步骤blb3,获取靶标在同一位置下对应光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标。6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤bl之前进一步包括获取光条坐标，步骤bl所述获取光条点的坐标为根据光条坐标和三个共线虛拟靶标特征点确定的直线方程计算得到。7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤bl之前进一步包括获取靶标坐标系到摄像机坐标系的变换关系，即平移矢量和旋转矩阵，步骤b3所述将光条点在靶标坐标系下的坐标转换到摄像机坐标系下为根据获取的平移矢量和旋转矩阵进行转换。8、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤bl所述构造三个共线的虛拟靶标特征点包括bll、选取三个共线特征点，在过所述三个共线特征点的直线上任取一点作为虛拟靶标特征点，并计算该点与所述三个共线特征点的交比；b12、选取另外两组同行/列的特征点，每组选取的三个特征点与步骤bll所述三个共线特征点分别同列/行，分别在过每组三个共线特征点的直线上找到一点即虛拟靶标特征点，使该点与本组三个共线特征点的交比等于步骤bll计算得到的交比。9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c所述获取多次投射在靶标平面上的光条的坐标为无约東地多次移动平面靶标，每移动一次平面靶标，重复执行步骤b。10、根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，步骤c所述结构光为任意模式的结构光。11、根据权利要求5或8所述的方法，其特征在于，步骤b3所述获取靶标图像中光条点对应的实际光条点在靶标坐标系下的坐标为先根据虛拟靶标特征点和与其共线的三个特征点之间的交比在透视变换中保持不变的原理，分别获取乾标图像中三个虛拟靶标特征点在靶标上的对应点在靶标坐标系下的坐标；然后再根据靶标图像中光条点和与其共线的三个虛拟靶标特征点之间的交比在透视变换中保持不变的原理，获取靶标图像中光条点对应的实际光条点在靶标坐标系下的坐标。全文摘要本发明公开一种基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法，该方法包括建立摄像机坐标系、图像平面坐标系；建立靶标坐标系，获取用于标定传感器结构参数的平面靶标图像，并获取结构光投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标；获取结构光多次投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标，再根据获得的所有光条点坐标拟合结构光方程。本发明采用二维交比不变的方法，使得在平面靶标的每个位置上可以获取任意数量的标定点，且标定的结构光可以为任意模式。文档编号G01B11/00GK101363713SQ20081008187公开日2009年2月11日申请日期2008年5月13日优先权日2007年12月29日发明者刘谦哲,孙军华,张广军,魏振忠申请人:北京航空航天大学