一种线结构光视觉传感器直接标定方法
【专利摘要】本发明涉及一种线结构光视觉传感器直接标定方法，包括以下步骤：建立通过标准量块和利用三维精密平移台形成的靶标；通过线结构光视觉传感器投射结构光光平面至靶标上形成靶标上的特征点；在靶标上建立空间坐标系；采集靶标图像并提取特征点；建立查找索引表包括建立特征点图像坐标同其空间坐标系坐标的直接映射关系；对线结构光视觉传感器进行标定：依据待标定点的图像坐标，在查找索引表中搜索直接得到或者采用最小二乘法拟合算法得到该点的空间坐标系坐标，实现线结构光视觉传感器的直接标定；本发明针对小视场高精度测量应用领域的线结构光视觉传感器，该标定方法简单直接，易于实现，且精度高，能够满足测量需要。
【专利说明】一种线结构光视觉传感器直接标定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机视觉技术应用领域，涉及一种线结构光视觉测量系统，尤其涉及一种小视场高精度测量应用领域的线结构光视觉传感器标定方法。
【背景技术】
[0002]线结构光视觉测量技术具有测量精度高、获得信息量大、灵敏度高、实时性好、抗干扰能力强等特点，在工业测量、三维重建、逆向工程等领域有着广泛的应用。
[0003]目前，线结构光传感器的传统标定方法主要采用有模型标定方法，主要有靶标标定法、微分法、消隐点法、机械调整法、细丝散射法、交比不变法等。
[0004]靶标标定法是采用经特殊设计的靶标实现结构光传感器的标定，天津大学段发阶、刘凤梅等人提出一种锯齿靶标法，发表在仪器仪表学报，2000，21(1):108-110的“一种新型结构光传感器结构参数标定方法”，该方法的实验装置包括锯齿靶标和一个一维工作台，首先标定摄像机的内参数，然后移动固定在一维工作台上的齿形标定靶，通过求解迭代方程来获取光平面与摄像机之间的相互位置关系。此种方法的不足之处是标定点数目少。
[0005]王春和等人发表在仪器仪表学报，1994，15 (002): 119-123的“三维视觉检测与结构光传感器的标定”将标定块置于二维工作台上，采用微分法，通过移动标准块位置求解微分方程来进行标定。
[0006]天津大学肖海等人发表在光电工程，1996，23(003):53-58的“用‘消隐点’法标定线结构光三维视觉传感器”提出了消隐点法来进行结构光传感器的标定。在成像几何中，不与像平面平行的一个平面经过成像系统后，在像平面上要汇于一条直线，这条直线称为这个平面所形成的消隐线。另外，这个平面上的任意两条平行直线在像平面上的投影会相交于一点，这个点称之为消隐点。这个消隐点实际上为无穷远处的物点所成的像。选用方形量块作为标定靶标，标定出结构光传感器中激光器同摄像机的夹角以及基线距离。
[0007]机械调整法是先用调整机构或经验，把光平面调到相对摄像机的一个特定位置，再利用理想透视模型求得光平面相对摄像机的位置。由于人为调整环节多，摄像机简化为理想模型，因此该方法精度不高，只适合一些小测量范围场合。
[0008]细丝散射法是让光平面投射到几根相互平行且完全不共面的细丝上，由于细丝散射，从而在细丝上形成亮点，几个亮点在像面上成像，将这些亮点作为标定点，采用外部三坐标测量设备可以获取亮点在空间中的三维坐标值，同时可以提取亮点在图像中的二维图像坐标，再用这两种坐标值来求解光平面与摄像机间的位置参数。这种方法要求投射器投射出的光束是可见光束，否则标定过程无法进行，并且由于拉丝有限，获取的标定点少。
[0009]徐光祐提出了利用交比不变性原理进行标定，该方法发表在计算机学报，1995, Vol.18, N0.6的“一种新的基于结构光的三维视觉系统标定方法”。通过标定祀标上已知精确坐标的至少三个共线点，利用一次交比不变性来获得结构光光纹与该已知三点所在直线的交点的坐标，从而获得光平面上的标定点，为了克服一次交比不变法标定点数量较少的缺点，魏振忠提出了双重交比不变法，可以有效地提高精度。[0010]综上所述，传统的有模型标定方法为了提高标定的精度，相应的模型也会越复杂，计算量也很大，还存在着提取特征点数量少，靶标精度不高，在小视场应用领域受制约等缺点。
【发明内容】
[0011 ] 针对上述传感器标定方法复杂和精度不高的问题，本发明的目的是提出一种不需要标定模型，简单快速的线结构光传感器直接标定方法，该标定方法简单直接，易于实现，且精度高，能够满足小视场高精度测量需要。
[0012]为了实现上述目的，本发明技术方案如下:
[0013]一种线结构光视觉传感器直接标定方法，该标定方法包括以下步骤:
[0014]步骤(I)建立通过标准量块和利用三维精密平移台形成的靶标；
[0015]步骤(2)线结构光视觉传感器中激光器投射结构光光平面至靶标上产生一条结构光光纹与靶标上的量块相交，形成靶标上的特征点；
[0016]步骤(3)在靶标上建立空间坐标系0ΧΥΖ，通过移动三自由度精密平移台，可获取靶标上特征点的空间坐标系坐标(x，y，z)；
[0017]步骤(4)由线结构光视觉传感器中摄像机采集靶标上的结构光光纹图像，对靶标图像经数字图象处理后提取特征点，进而得到特征点的图像坐标(U，V)；
[0018]步骤(5)建立查找索引表为特征点编号，记录每一个采集的特征点的索引号、特征点的图像坐标(u，v)和空间坐标系坐标(y，z)，图像坐标(u，v)和空间坐标系坐标(y，z)之间形成直接映射关系；
[0019]步骤(6)对线结构光视觉传感器进行标定，依据传感器对实物测量到的待标定点的图像坐标(U，V)，对查找索引表进行搜索，判断待标定点的图像坐标与查找索引表中的特征点的图像坐标是否相同，如相同，该特征点的空间三维坐标为传感器待标定点的空间三维坐标，实现对线结构光视觉传感器的直接标定。
[0020]如不相同，搜索与传感器待标定点的图像坐标最接近的且包围该待标定点的四个点，依据该四点的空间三维坐标，采用最小二乘法拟合算法，得到该传感器待标定点的空间三维坐标，实现线结构光视觉传感器的直接标定。
[0021]步骤(I)中建立通过标准量块和利用三维精密平移台形成的靶标，其靶标形成过程包括:
[0022]选择相同规格的标准量块，量块的数量由摄像机视场大小和量块的标称厚度决定，将量块的标称厚度所在面作为被测面，每两个量块为一组横竖交错排布，并每两组横摆放的量块之间形成间隔段，保证所有横摆放量块的厚度的所在面位于同一平面上；
[0023]将布置好的量块组安装在三自由度精密平移台上，调整量块组使量块被测面所在平面垂直于三自由度精密平移台的竖直移动方向，使量块被测面的长度方向平行于三自由度精密平移台的一个水平移动方向，最后固定安装组成标定靶标。
[0024]步骤2中线结构光视觉传感器的激光器投射结构光光平面到靶标上产生一条结构光光纹与祀标上的量块相交，形成祀标上的特征点，其特征点具体形成过程包括:
[0025]将线结构光视觉传感器中的激光器发射的结构光光平面投射在靶标每个横摆放量块的被测面上，结构光光纹与靶标上的量块相交，形成不连续结构光光纹，这些不连续结构光光纹中，每段光纹两端的端点，即结构光光纹和靶标中每个量块的棱边的交点，即为靶标上的特征点。
[0026]步骤3中在靶标上建立空间坐标系0ΧΥΖ，其包括如下过程:
[0027]调整线结构光视觉传感器中的激光器发射的结构光光平面确保其垂直于靶标的被测面、结构光光纹垂直于靶标中每个量块的棱边；
[0028]定义光平面有效区间内的最远端，即距离传感器最远位置处，该位置的结构光光纹与祀标边缘的量块相交的端点为坐标原点O ;
[0029]定义空间坐标系的三个坐标轴:垂直于被测面且平行于三自由度精密平移台的竖直移动方向定义为Z轴方向；被测面上量块的长度方向定义为X轴方向，与X轴在同一平面且垂直于X轴方向定义为Y轴方向。
[0030]步骤4中由线结构光视觉传感器中的摄像机采集靶标上的结构光光纹图像，对结构光光纹图像通过数字图象处理并提取特征点，进而得到特征点的图像坐标(U，V)，其包括如下采集处理过程:
[0031](4-1)在光平面同一 Z轴位置和同一 Y轴位置，即保持Z轴和Y轴不动，沿X轴方向微调三自由度精密平移台微调η次，获取η幅图像；对获取η幅图像经数字图象处理后提取η组特征点,得到η组特征点的图像坐标(u, V)；
[0032]再求η组特征点图像坐标均值，得到该被测面上结构光光上的所有特征点的图像坐标(U，V);依据三自由度精密平移台的读数值和空间坐标系的原点位置，得到靶标上特征点的空间坐标系坐标(x，y，z)，其中X是结构光光平面的位置坐标，一般为定值可以不予考虑，即得到靶标上特征点的空间坐标系坐标(y，z);记录该被测面上结构光光纹上的所有特征点的图像坐标(U，V)和空间坐标系坐标(y，z)；
[0033](4-2)沿Y轴方向微调三自由度精密平移台，判断是否调节结束，如结束，并微调m次，则得到光平面上同一 Z轴位置和不同Y轴位置的m组特征点的图像坐标(U，V)和空间坐标系坐标(y，z)；
[0034](4-3)沿Z轴方向微调三自由度精密平移台，判断是否调节结束，如结束，并微调I次，则得到光平面上mXl组特征点的图像坐标(U，V)和空间坐标系坐标中的坐标(y，z),然后接续执行下一步步骤。
[0035]当沿Y轴方向微调三自由度精密平移台，如判断调节不结束时，重复步骤(4-1)；
[0036]或当沿Z轴方向微调三自由度精密平移台，如判断调节不结束，重复步骤4-1)和(4-2)。
[0037]步骤(4)中对结构光光纹图像进行数字图象处理，其包括以下具体过程:
[0038]对采集获取的靶标图像进行预处理，包括提取感兴趣区域和中值滤波得到滤除干扰信息的结构光光纹图像；
[0039]对处理后的结构光光纹图像采用亚像素边缘提取方法提取结构光光纹边缘；
[0040]依据提取出的结构光光纹边缘提取其光纹中心线；
[0041]对结构光光纹中心线图像中的多段中心线拟合直线，得到多段拟合中心线，提取每段拟合中心线的两端点，得到一组特征点；
[0042]依据每个特征点在图像中距离左下角间横向和竖向的距离，获取每个特征点的图像坐标(U，V)。[0043]步骤(5)中建立的查找索引表为二维数组L，该二维数组L为行列为MXN，按照三自由度精密平移台移动的次序，每列特征点信息为索引号、特征点的图像坐标(U，V)和空间坐标系坐标中坐标(y，z)，按Z轴移动的顺序存放，而每一行中为三自由度精密平移台
(2)Z轴为某一值时，按Y方向移动顺序存放。
[0044]步骤中特征点图像坐标(U，V)同其空间坐标系坐标(y，z)直接映射关系包括:
[0045]通过获取结构光光平面上特征点的图像坐标(U，V)，根据该特征点的空间坐标系坐标(y，z)，直接形成特征点的图像坐标同空间坐标系坐标的对应关系(u，v)-(y，z)，其中，图像坐标u对应空间坐标y，图像坐标V对应空间坐标z。
[0046]本发明的工作原理是采用标准量块和利用三维精密平移台形成高精度靶标，通过获取工作空间内已知三维空间坐标的特征点的图像坐标，根据图像坐标和空间三维坐标的对应关系，建立整个像面的查找表，特征点的数量由三维精密平移台每次移动的步距和量程决定，之后可采用最小二乘法拟合算法，实现线结构光传感器的标定。
[0047]本发明具有的有益效果及优点:
[0048]1.本发明方法由标准量块和利用三维精密平移台构成的靶标精度高且成本较低。
[0049]2.本发明方法由于提取特征点的数量由三维精密平移台每次移动的步距和量程决定，因此特征点数量大。
[0050]3.本发明方法采用建立特征点图像坐标同其空间三维坐标的直接映射关系的方式解决传统模型标定方法中，相应模型复杂、计算量大，提取特征点数量少的问题，本发明方法简单直接，易于实现，能够满足小视场高精度测量应用需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0051]图1为线结构光传感器直接标定方法原理图；
[0052]图2为线结构光视觉传感器标定方法流程图；
[0053]图3为靶标实物照片；
[0054]图4为采用靶标对线结构光视觉传感器标定的示意图；
[0055]图5为采集靶标图像并提取特征点的流程图；
[0056]图6靶标图像处理流程图；
[0057]图7为图6靶标图像处理结果图片。
【具体实施方式】
[0058]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。
[0059]如图1、2所示，为线结构光传感器直接标定方法原理图及线结构光视觉传感器标定方法流程图。是一种线结构光视觉传感器直接标定方法，其特征在于:该标定方法包括以下步骤:
[0060]步骤(I)建立通过标准量块和利用三维精密平移台形成的靶标；
[0061]步骤(2)线结构光视觉传感器中激光器投射结构光光平面至靶标上产生一条结构光光纹与靶标上的量块相交，形成靶标上的特征点；
[0062]步骤(3)在靶标上建立空间坐标系0ΧΥΖ，通过移动三自由度精密平移台，可获取靶标上特征点的空间坐标系坐标(x，y，z)；[0063]步骤(4)由线结构光视觉传感器中摄像机采集靶标上的结构光光纹图像，对靶标图像经数字图象处理后提取特征点，进而得到特征点的图像坐标(U，V)；
[0064]步骤(5)建立查找索引表为特征点编号，记录每一个采集的特征点的索引号、特征点的图像坐标(U，V)和空间坐标系坐标(y，z)，图像坐标(U，V)和空间坐标系坐标(y，z)之间形成直接映射关系；
[0065]步骤(6)对线结构光视觉传感器10进行标定，依据传感器对实物测量到的待标定点的图像坐标(U，V)，对查找索引表进行搜索，判断待标定点的图像坐标与查找索引表中的特征点的图像坐标是否相同，如相同，该特征点的空间三维坐标为传感器待标定点的空间三维坐标，实现对线结构光视觉传感器的直接标定。
[0066]如不相同，搜索与传感器待标定点的图像坐标最接近的且包围该待标定点的四个点，依据该四点的空间三维坐标，采用最小二乘法拟合算法，得到该传感器待标定点的空间三维坐标，实现线结构光视觉传感器的直接标定。
[0067]结合附图详细描述:步骤(6)中对线结构光视觉传感器10进行标定，包括如下标定过程:
[0068]搜索查找索引表，判断传感器待标定点图像坐标与索引表中的特征点的图像坐标是否相同。
[0069]当搜索出传感器待标定点图像坐标与索引表中的特征点的图像坐标相同时，取出该特征点的空间坐标系坐标为传感器待标定点的空间坐标系坐标，实现对线结构光视觉传感器的直接标定。
[0070]当传感器待标定点图像坐标与索引表中的特征点的图像坐标不相同时，包括如下过程:
[0071]找到与传感器待标定点的图像坐标最接近的且包围该待标定点的四个点；
[0072]利用找到的四个点，采用最小二乘法拟合算法，算出传感器待标定点的空间三维坐标，设找到的四个点为T1, T2, T3, T4，设平面方程为Y = A*u+B*v+C，根据最小二乘法拟合，平面公式(2)如下:
【权利要求】
1.一种线结构光视觉传感器直接标定方法，其特征在于:该标定方法包括以下步骤: 步骤(1)建立通过标准量块和利用三维精密平移台形成的靶标； 步骤(2)线结构光视觉传感器中激光器投射结构光光平面至靶标上产生一条结构光光纹与祀标上的量块相交，形成祀标上的特征点； 步骤(3)在靶标上建立空间坐标系OXYZ，通过移动三自由度精密平移台，可获取靶标上特征点的空间坐标系坐标(x，y，z)； 步骤(4)由线结构光视觉传感器中摄像机采集靶标上的结构光光纹图像，对靶标图像经数字图象处理后提取特征点，进而得到特征点的图像坐标(U，V)； 步骤(5)建立查找索引表为特征点编号，记录每一个采集的特征点的索引号、特征点的图像坐标(U，V)和空间坐标系坐标(y，z)，图像坐标(u，v)和空间坐标系坐标(y，z)之间形成直接映射关系； 步骤(6)对线结构光视觉传感器(10)进行标定，依据传感器对实物测量到的待标定点的图像坐标(U，V)，对查找索引表进行搜索，判断待标定点的图像坐标与查找索引表中的特征点的图像坐标是否相同，如相同，该特征点的空间三维坐标为传感器待标定点的空间三维坐标，实现对线结构光视觉传感器的直接标定。
2.按权利要求1所述一种线结构光视觉传感器直接标定方法，其特征在于:如不相同，搜索与传感器待标定点的图像坐标最接近的且包围该待标定点的四个点，依据该四点的空间三维坐标，采用最小二乘法拟合算法，得到该传感器待标定点的空间三维坐标，实现线结构光视觉传感器的直接标定。
3.按权利要求1所述一种线结构光视觉传感器直接标定方法，其特征在于:步骤(1)中建立通过标准量块和利用三维精密平移台形成的靶标，其靶标形成过程包括: 选择相同规格的标准量块(I)，量块的数量由摄像机(9 )视场大小和量块的标称厚度决定，将量块的标称厚度所在面作为被测面，每两个量块为一组横竖交错排布，并每两组横摆放的量块之间形成间隔段，保证所有横摆放量块的厚度的所在面位于同一平面上； 将布置好的量块组安装在三自由度精密平移台(2)上，调整量块组使量块被测面(5)所在平面垂直于三自由度精密平移台的竖直移动方向，使量块被测面(5)的长度方向平行于三自由度精密平移台的一个水平移动方向，最后固定安装组成标定靶标。
4.按权利要求1所述一种线结构光视觉传感器直接标定方法，其特征在于:步骤(2)中线结构光视觉传感器的激光器投射结构光光平面到靶标上产生一条结构光光纹与靶标上的量块相交，形成祀标上的特征点，其特征点具体形成过程包括: 将线结构光视觉传感器中的激光器(11)发射的结构光光平面(12)投射在祀标每个横摆放量块的被测面(5)上，结构光光纹与靶标上的量块相交，形成不连续结构光光纹，这些不连续结构光光纹中，每段光纹两端的端点，即结构光光纹和靶标中每个量块的棱边的交点，即为祀标上的特征点。
5.按权利要求1所述一种线结构光视觉传感器直接标定方法，其特征在于:步骤(3)中在靶标上建立空间坐标系OXYZ，其包括如下过程: 调整线结构光视觉传感器中的激光器(11)发射的结构光光平面(12)确保其垂直于靶标的被测面(5)、结构光光纹垂直于靶标中每个量块的棱边(4)； 定义光平面(12)有效区间内的最 远端，即距离传感器最远位置处，该位置的结构光光纹(7)与祀标边缘(4)的量块相交的端点为坐标原点O ; 定义空间坐标系的三个坐标轴:垂直于被测面(5)且平行于三自由度精密平移台(2)的竖直移动方向定义为Z轴方向；被测面上量块的长度方向定义为X轴方向，与X轴在同一平面且垂直于X轴方向定义为Y轴方向。
6.按权利要求1所述一种线结构光视觉传感器直接标定方法，其特征在于:步骤(4)中由线结构光视觉传感器中的摄像机采集靶标上的结构光光纹图像，对结构光光纹图像通过数字图象处理并提取特征点，进而得到特征点的图像坐标(U，V)，其包括如下采集处理过程: (4-1)在光平面(12)同一 Z轴位置和同一 Y轴位置，即保持Z轴和Y轴不动，沿X轴方向微调三自由度精密平移台(2)微调η次，获取η幅图像；对获取η幅图像经数字图象处理后提取η组特征点,得到η组特征点的图像坐标(U，V)； 再求η组特征点图像坐标均值，得到该被测面(5)上结构光光纹(7)上的所有特征点(6)的图像坐标(U，V);依据三自由度精密平移台的读数值和空间坐标系的原点位置，得到靶标上特征点的空间坐标系坐标(x，y，z)，其空间坐标系坐标(y，z)为所求靶标上特征点的空间坐标系坐标；记录该被测面(5)上结构光光纹(7)上的所有特征点(6)的图像坐标(U，V)和空间坐标系坐标(y，z)； (4-2)沿Y轴方向微调三自由度精密平移台(2)，判断是否调节结束，如结束，并微调m次，则得到光平面上(12)同一 Z轴位置和不同Y轴位置的m组特征点的图像坐标(U，V)和空间坐标系坐标(y，z)； (4-3)沿Z轴方向微调三自由度精密平移台(2)，判断是否调节结束，如结束，并微调I次，则得到光平面上(12)上mXl组特征点的图像坐标(U，V)和空间坐标系坐标(y，z)，然后接续执行下一步步骤。
7.按权利要求6所述一种线结构光视觉传感器直接标定方法，其特征在于:当沿Y轴方向微调三自由度精密平移台(2)，如判断调节不结束时，重复步骤(4-1)； 或当沿Z轴方向微调三自由度精密平移台(2)，如判断调节不结束，重复步骤4-1)和(4-2)。
8.按权利要求1或7所述的一种线结构光视觉传感器直接标定方法，其特征在于:步骤(4)中对结构光光纹图像进行数字图象处理，其包括以下具体过程: 对采集获取的靶标图像进行预处理，包括提取感兴趣区域和中值滤波得到滤除干扰信息的结构光光纹图像； 对处理后的结构光光纹图像采用亚像素边缘提取方法提取结构光光纹边缘； 依据提取出的结构光光纹边缘提取其光纹中心线； 对结构光光纹中心线图像中的多段中心线拟合直线，得到多段拟合中心线，提取每段拟合中心线的两端点，得到一组特征点； 依据每个特征点在图像中距离左下角间横向和竖向的距离，获取每个特征点的图像坐标(U，V)。
9.按权利要求1所述的一种线结构光视觉传感器直接标定方法，其特征在于:步骤(5)中建立的查找索引表为二维数组L，该二维数组L为行列为MXN，按照三自由度精密平移台(2)移动的次序，每列特征点信息为索引号、特征点的图像坐标(U，V)和空间坐标系坐标(y，z)，按Z轴移动的顺序存放，而每一行中为三自由度精密平移台(2) Z轴为某一值时，按Y方向移动顺序存放。
10.按权利要求1或9所述一种线结构光视觉传感器直接标定方法，其特征在于:步骤(5)中特征点图像坐标(U，V)同其空间坐标系坐标中坐标(y，z)直接映射关系包括: 通过获取结构光光平面(12)上特征点的图像坐标(U，V)，根据该特征点的空间坐标系坐标(y，z)，直接形成特征点的图像坐标同空间坐标系坐标的对应关系(u，v)-(y，z)，其中，图像坐标u对 应空间坐标y，图像坐标V对应空间坐标z。
【文档编号】G01B11/00GK103884271SQ201210559444
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2012年12月20日
【发明者】邹媛媛, 赵明扬, 高英美, 朱思俊, 池世春 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所