技术领域本发明属于计算机视觉测量领域，涉及一种用于线结构光视觉传感器的高精度数值标定方法。
背景技术：
线结构光视觉传感器是一种非接触式测量装置，主要由相机和线激光器组成。具有结构简单、非接触、测量速度快等优点，在轮廓测量、反求工程、在线监测等诸多工业领域中有着广泛的应用。线结构光视觉传感器通过分析由线激光器发射出的激光平面与被测物体相交得到的变形光条条纹，计算被测物体的实际轮廓。为建立激光光条条纹图像与实际轮廓坐标之间的对应关系，需要首先对线结构光视觉传感器进行标定。标定精度将直接影响测量结果的准确性，开发高精度的标定方法是实现线结构光视觉传感器高精度工业测量应用的一个核心问题。线结构光视觉传感器的传统标定方法主要有：拉丝法、锯齿靶标法、双重交比不变法、三点透视法、双重虚拟圆法、共面靶标法和基于标准量块的直接标定法等。拉丝法通过分析激光平面与细丝相交形成亮点的像素坐标及亮点的实际坐标来标定线结构光视觉感器的参数，亮点的个数与所拉的细丝的个数一致。这种方法中光平面与细丝相交的亮点的实际坐标难以准确测量，且拉丝的个数较少，限制了线结构光视觉传感器的标定精度。天津大学段发阶、刘凤梅提出了锯齿靶标法，发表在仪器仪表学报，2000，20(1)108-110的“一种新型线结构光传感器结构参数标定方法”，该方法用一个锯齿形靶标和一维工作台通过计算锯齿棱线与激光平面相交点的像素坐标和实际坐标，计算得到激光平面的方程，实现结构光传感器的标定。这种方法的不足之处为获取的标定点数目较少，标定精度不高。北京航空航天大学魏振忠等人为解决靶标点难恰好与激光平面重合影响标定精度的问题，提出了一种基于双重交比不变的线结构光传感器标定方法，发表在机械工程学报，2005，41(2)：210-214，“一种线结构光视觉传感器标定方法”。其不足之处在于标定所需要的高精度三维靶标加工相对困难，也未深入考虑镜头畸变对测量结果的影响。北京邮电大学的韩建栋等人提出了一种三点透视法来标定线结构光视觉传感器，发表在光学精密工程期刊，2009，17(5)：958-963，“线结构光传感系统的快速标定方法”。此方法基于三点透视模型实现了线结构光传感器的标定，方法简单、快速，采用此方法标定的结构光传感器平均相对测量误差约为0.72％。方法的不足之处在于标定精度不是很高。同济大学的陆敏恂等人等提出了一种线结构光视觉传感器标定的双重虚拟圆法，发表于光学学报，2014，34(10)：1015005，“基于双重虚拟圆靶标的激光扫描测头标定”。此方法通过采用双重虚拟圆来标定激光平面相对于相机的参数方程，完成对传感器的标定。采用的基本原理为交比不变原理，在标定过程中亦需要分别对相机的内参数，镜头畸变系数等进行校正，标定过程复杂。河南工业大学陈天飞等人提出了一种基于共面靶标的线结构光标定方法，发表于光学学报，2015，35(1)：0112004，“基于共面靶标的线结构光传感器标定新方法”。这种方法通过多次移动共面靶标，计算不同方向激光条纹直线的消隐点，并对其拟合直线得到光平面的消隐线，完成光平面法向标定。此方法的不足之处区别在于采用的靶标不一样，求解光平面方法的难易程度不同，需分别标定传感器的内、外参数，畸变参数等，标定方法复杂。上述标定方法的基本思路是首先建立相机标定的内参数、外参数、畸变等数学模型，再通过优化算法求解模型中的待定参数完成标定。随着对测量精度要求的越来越高，模型建立的也越来越复杂。为了避免建立线结构光视觉传感器的数学模型，中国科学院沈阳自动化研究所邹媛媛等人，提出了一种直接标定方法，并申请了发明专利“一种线结构光视觉传感器直接标定方法”，专利号：201210559444.X。此种方法采用标准量块制作标定靶标，并结合精密工作台的移动，通过建立查找索引表，实现了线结构光视觉传感器的标定。上述方法的不足之处在于：(1)标定过程中标定量块倒角反光所引起的特征点提取误差及所采用的插值算法误差对标定精度产生重要影响；(2)在标定的时候需要反复调整精密工作台的位置，通过获取许多幅结构光图像，标定过程相对繁琐；(3)由于精密工作台运动范围有限，采用此方法标定的线结构光视觉传感器的测量范围较小。综上所述，传统的标定方法存在标定精度不高，标定模型复杂，标定过程繁琐，测量范围有限等问题中的一种或多种。难以实现线结构光视觉传感器标定精度的进一步提高，制约了其在高精度测量领域的推广。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对以上标定方法的不足，提出一种基于三角形区域线性变换的简单、精度高、速度快的线结构光视觉传感器数值标定方法。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种线结构光视觉传感器数值标定方法，其特征在于：该标定方法包括以下步骤：步骤(1)：制作标定靶标，标定靶标为等间距排布的圆点阵列，并初步调整标定靶标的位置及镜头焦距使标定靶标能够完全置于相机的视场之内且靶标点图像清晰；步骤(2)：精确调整线激光器和标定靶标之间的相对位置，使线激光器发射出的激光平面与标定靶标平面共面；步骤(3)：关掉线激光器电源，再次精确调整相机焦距，保证相机拍摄标定靶标的图像清晰，采用椭圆拟合方法得到每个靶标点中心的像素坐标，将其存储于矩阵Q中；步骤(4)：以矩阵Q中的靶标中心坐标对像素平面进行Delaunary三角剖分，将标定靶标左下角点的中心记作世界坐标系OWXYZ的原点，确定三角形顶点对应的世界坐标系中的坐标；步骤(5)：计算每个三角剖分区域所对应的线性变换系数，并将其存储于变换系数矩阵D中，即完成对线结构光传感器的标定。优选地，上述的一种线结构光传感器数值标定方法，其中以每个靶标点的中心为顶点采用Delaunary三角剖分方法，将整个像素平面剖分成许多很小的三角形区域，在每个小的三角区域内采用线性变换方法计算出像素平面内任意像素坐标所对应的世界坐标系中的坐标，完成对被测物体轮廓的测量。优选地，上述的一种线结构光传感器数值标定方法，其中该数值标定时需要将标定靶标平面与激光平面调整至共面。优选地，上述的一种线结构光传感器数值标定方法，其中该线结构光视觉传感器具有能够调整激光平面与靶标平面相对位置的装置，该装置包括线激光器(3)，和激光器固定套(2)，以及连接架(4)，所述线激光器(3)外形为圆柱形，且能够在所述激光器固定套2中旋转特定的角度；所述激光器固定套(2)为一圆形套，其内径略大于所述线激光器(3)的直径，其上带有锁紧螺钉，当将激光器绕自身的旋转角度确定后可由锁紧螺钉锁紧；所述激光器固定套(2)与所述连接架(4)通过螺钉连接，所述激光器固定套(2)上加工有螺纹孔，所述连接架(4)上加工有比所述激光器固定套(2)上的螺纹孔稍大的通孔，使所述激光器固定套(2)相对于连接架(4)能够相对转动角度达到要求时将螺钉拧紧，保证所述激光器固定套(2)与所述连接架(4)之间不再发生相对运动；所述标定靶标(1)能够沿着靶标平面的法向平动。优选地，上述的一种线结构光传感器数值标定方法，其中在步骤(2)中精确调整激光平面与标定靶标平面所采用的方法为：步骤2.1：在OwZ方向上前后平移所述标定靶标(1)使其位于所述线激光器(3)的正下方，观察激光光条与靶标板上棱边(1-1)之间的相对关系，如果激光光条与此棱边相交，将固定所述线激光器(3)的螺钉松开，旋转所述激光器，直至其发射的激光光条与所述靶标板上棱边(1-1)相平行；步骤2.2：在OwZ方向上前后平移所述标定靶标(1)使激光光条与所述靶标板上棱边(1-1)相重合；步骤2.3：观察所述标定靶标(1)所在平面上激光照亮情况，如果整个靶标平面被均匀照亮，则表明激光平面与靶标平面实现了很好的重合；如果靶标平面未被照亮则需要逆时针旋转所述激光器固定套(2)，然后重复步骤2.1和步骤2.2直至达到步骤2.3所述的效果；如果靶标平面上前方放置标定靶标的底座上出现光条则需要顺时针旋转所述激光器固定套(2)，然后重复步骤2.1、步骤2.2直至达到步骤2.3所述的效果。优选地，上述的一种线结构光传感器数值标定方法，其中不需要建立线结构光视觉传感器中内参数、外参数、镜头畸变参数等模型，也不需要通过求解优化算法得到所建立模型中的各种标定参数，只需依次求采用Delaunary三角剖分得到的每个三角形对应的六个线性变化系数，并将这些线性变换系数存储到一个矩阵当中，即完成对所述线结构光视觉传感器的标定。优选地，上述的一种线结构光传感器数值标定方法，其中将世界坐标系的原点OW设定在标定靶标平面上左下角靶标点的中心，世界坐标系的XY平面与靶标平面重合，根据三角剖分后的世界坐标系中三角形在世界坐标系中的顶点Pi(xi，yi)、Pi+1(xi+1，yi+1)、Pi+2(xi+2，yi+2)，以及它们在像素平面内对应的三个顶点Qi(ui，vi)、Qi+1(ui+1，vi+1)、Qi+2(ui+2，vi+2)的坐标值建立线性变换方程并求解出此三角形区域对应的线性变换系数。与现有技术相比较，本发明技术效果主要体现在：本发明通过Delaunary三角剖分将像素平面剖分成了许多小的三角形区域，在此三角形区域内可认为每个点的像素坐标与其世界坐标满足线性变换关系，同时每个三角形的顶点的像素坐标和其对应世界坐标又可分别通过椭圆拟合和靶标设计参数得到，根据每个三角形的顶点坐标可计算得到在此三角形中任意像素点对应的线性变换系数，并将此变换系数存储于矩阵中即完成对线结构光视觉传感器的标定。在计算光条中心点对对应的世界坐标系坐标值时，只需要确定其所在的三角形的序号，并提取相应的线性变换系数，即可直接计算得到。其具有如下优点：1.特征点的数量由靶标上圆点的数目决定，靶标点的多少选取较为灵活，且靶标制作简单、成本低；2.采用三角线性变换方法，不需要建立线结构光视觉传感器内参数、外参数、镜头畸变等复杂的模型，也不需要通过优化算法求解上述模型中的各个参数，只需要确定光条点所在的三角形区域，并提取对应的线性变换系数直接计算得到，方法简单、速度快。3.通过将像素平面剖分成小的三角形区域，相机镜头在每个小的区域内的畸变基本可以忽略，有助于进一步提高相结构光视觉传感器的测量精度。附图说明图1为线结构光视觉传感器标定图；图2为线结构光视觉传感器标定流程图；图3为标定采用的圆点阵列靶标；图4为相机拍摄的靶标及三角剖分结果；图5为三角线性变换计算原理图；图6为线结构光视觉传感器测量流程图。具体实施方式以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。图1为线结构光视觉传感器标定图，由标定靶标1、激光器固定套2、线激光器3、线激光器与相机间的连接架4、相机5、垂直支座6组成，其特征在于：所述标定靶标1垂直放置，靶标平面与所述线激光器3发射的激光平面相重合；为达到所述靶标平面与激光平面相重合的要求，所述线激光器3外形应为圆柱形，且能够在所述激光器固定套2中旋转特定的角度；所述激光器固定套2的特征为一圆形套，其内径略大于所述线激光器3的直径，其上带有锁紧螺钉，当将激光器绕自身的旋转角度确定后可由锁紧螺钉锁紧；为达到所述靶标平面与激光平面相重合的要求，激光器固定套2与所述连接架4通过螺钉连接，所述激光器固定套2上加工有螺纹孔，所述连接架4上加工有比所述激光器固定套2上的螺纹孔稍大的通孔，使所述激光器固定套2相对于连接板4能够相对转动角度达到要求时将螺钉拧紧，保证所述激光器固定套2与所述连接板4之间不再发生相对运动；所述标定靶标1能够沿着靶标平面的法向(OwZ方向)平动；所述相机5镜头焦距能够手动调节，保证所述标定靶标1上的靶标点都能够位于所述相机5的视野范围之内，且成像清晰。结合图1所述线结构光视觉传感器标定图，线结构光视觉传感器标定流程如图2所示，是一种基于三角形线性变换的数值标定方法，其特征在于：该标定方法包括以下步骤：步骤(1)：制作标定靶标，标定靶标为等间距排布的圆点阵列，并初步调整靶标的位置及镜头焦距使靶标能够完全置于相机的视场之内且靶标点图像清晰；步骤(2)：精确调整线激光器和标定靶标之间的相对位置，使线激光器发射出的激光平面与靶标平面共面；步骤(3)：关掉线激光器电源，再次精确调整相机焦距，保证相机拍摄靶标的图像清晰，采用椭圆拟合方法得到每个靶标点中心的像素坐标，将其存储于矩阵Q中；步骤(4)：以矩阵Q中的靶标中心坐标对像素平面进行Delaunary三角剖分，将靶标左下角点的中心记作世界坐标系OWXYZ的原点，确定三角形顶点对应的世界坐标系中的坐标；步骤(5)：计算每个三角剖分区域所对应的线性变换系数，并将其存储于变换系数矩阵D中，即完成对线结构光传感器的标定。步骤(1)中在制作靶标时，将标定靶标制作成等间距排列的圆点阵列，每个圆点为一个靶标点，如图3标定采用的圆点阵列靶标所示，将靶标点所在平面设定为世界坐标系的XY平面，且将世界坐标系的原点Ow设定在左下角靶标点的中心，设靶标点间的行间距和列间距均为1，则相对于原点Ow，m行，n列处的靶标点中心P在世界坐标系OWXY中的坐标值P(x，y)，其中即为x＝n1，y＝m1，根据此方法只要确定了靶标点相对于原点OW的行数和列数其中心的坐标值即可通过上述方法计算得到；靶标点的直径为8mm，共11行11列，相邻靶标点间的间距为12mm，靶标点所在的平面要平整；在初步调整靶标位置时，应先打开激光器电源，并通过旋转所述激光器固定套2使激光平面与水平方向垂直；然后，将标定靶标放置于所述线激光器3的正下方；进而将所述激光器固定套2上固定所述线激光器3的螺钉松开，旋转激光器使激光平面与标定所述标定靶标1上的标定平面重合；在将靶标平面与线激光激光器所发射的激光平面初步调整重合后，需要关掉激光器，然后手动调整相机镜头的焦距使整个靶标都置于相机的视野范围之内，且使靶标点在相机上成像清晰。步骤(2)中调整所述线激光器3发射的激光平面与靶标平面共面，其特征包括以下过程：(2-1)在OwZ方向上前后平移所述标定靶标1使其位于所述线激光器3的正下方，观察激光光条与所述靶标板上棱边1-1之间的相对关系，如果激光光条与此棱边相交，将固定所述线激光器3的螺钉松开，旋转所述激光器，直至其发射的激光光条与所述靶标板上棱边1-1相平行；(2-2)在OwZ方向上前后平移所述标定靶标1使激光光条与所述靶标板上棱边1-1相重合；(2-3)观察所述标定靶标1所在平面上激光照亮情况，如果整个靶标平面被均匀照亮，则表明激光平面与靶标平面实现了很好的重合；如果靶标平面未被照亮则需要逆时针旋转所述激光器固定套2，然后重复步骤(2-1)、(2-2)直至达到(2-3)所述的效果；如果靶标平面上前方放置标定靶标的底座上出现光条则需要顺时针旋转所述激光器固定套2，然后重复步骤(2-1)、(2-2)直至达到(2-3)所述的效果。步骤(3)中在关掉激光器电源精确调整相机镜头焦距的时候，要保证所述线激光器3、所述标定靶标1的位置不发生改变。镜头焦距调整好后所拍摄的的靶标及三角剖分结果，如图4所示。为了使保证靶标图像的拍摄效果，避免背景对提取靶标点时产生的干扰，在用所述相机5拍摄背景靶标时需在靶标后面放置一白色背景板。将整个像素平面左下角的像素点定义为像素坐标系的原点，水平坐标轴为u，垂直坐标轴为v，则像素平面内任意一点的像素点的水平u、垂直v坐标值即为此像素点的列数和行数。拍摄到的靶标平面上的每个靶标点，先采用Canny边缘检测方法计算此靶标点的外围轮廓，再对此轮廓采用椭圆拟合，椭圆的中心即为此靶标点的中心，按照上述方法依次计算每个靶标点的中心。设相对于像素坐标原点的第m行、第n列的靶标点的中心为Q(u，v)，其与图3标定采用的圆点阵列靶标中的第m行、第n列的靶标中心点P(x，y)相对应。并将所计算的所有靶标点的中心坐标存储于矩阵Q中。步骤(4)中对像素平面进行三角剖分时采用的方法为Delaunary三角剖分，三角剖分后的结果如图4所示，整个像素平面中靶标点所在的区域被分割成了许多很小的三角形区域，三角形区域的个数与靶标点的多少相关，靶标点的个数越多、间距越小，所分割出的三角形区域越多、三角形尺寸越小。剖分后的三角形的顶点均为保存于矩阵Q中的在像素平面内靶标点的中心点，确定每个靶标中心点所对应世界坐标系采用的方法为排序法，即先确定每个靶标点所在整个靶标平面中的行数和列数，将靶标平面中左下角靶标点的中心设定为世界坐标系OWXY的原点，再根据靶标点设计时的行间距、列间距计算得到每个靶标点中心的世界坐标值(x，y)步骤(5)中计算每个三角形区域对应的变换系数，由于将像素平面通过步骤(4)剖分成了许多小的三角形区域，在每个很小的三角区域内可以忽略镜头畸变等非线性因素对标定产生的影响，直接将此区域内像素坐标与世界坐标近似为线性变换关系，只需要求每个三角形区域对应的线性变换的系数即可完成对线结构光视觉传感器的标定，其特征包括以下过程：(5-1)建立标定点世界坐标值与像素坐标值之间的线性关系。设在第r个三角形区域内，被测点P(x，y)与其对应像素坐标Q(u，v)之间的线性变换关系为uv=ar,1ar,2ar,3ar,4ar,5ar,6xy1---(1)]]>方程(1)中ar，1、ar，2、ar，3、ar，4、ar，5、ar，6为第r个三角形区域对应的线性变换系数，r为三角剖分后三角形所对应的序号；(5-2)求解方程(1)中的线性变换系数。为求所述方程(1)中的六个线性变换系数，需要三角形剖分区域中三个点的世界坐标值和像素坐标值。图5为三角线性变换计算原理图，设三角剖分后的第r个三角形在世界坐标系中的顶点为Pi(xi，yi)、Pi+1(xi+1，yi+1)、Pi+2(xi+2，yi+2)，其在像素平面内对应的顶点为Qi(ui，vi)、Qi+1(ui+1，vi+1)、Qi+2(ui+2，vi+2)，它们分别满足方程(1)中的线性映射关系，故uiui+1ui+2vivi+1vi+2=ar,1ar,2ar,3ar,4ar,5ar,6xixi+1xi+2yiyi+1yi+2111---(2)]]>求解方程(2)，即可得到像素平面内采用Delaunary三角剖分得到的第r个三角形所对应的线性变换系数ar，1、ar，2、ar，3、ar，4、ar，5、ar，6，采用相同的方法依次求取三角剖分的每个三角形对应的线性变换系数并将这些系数存储于线性变换矩阵D中即完成了对线结构光视觉传感器的标定，其中所述线性变换矩阵D的每一行为三角形线性变换所需的六个变换系数，行数为Delaunary三角剖分得到的三角形的个数。完成线结构光视觉传感器标定后，计算被测轮廓实际坐标的步骤如图6线结构光视觉传感器测量流程图所示：首先将被测量物体放置于激光器下方，使激光平面与被测量轮廓重合；进而采用相机拍摄激光光条图像，并用灰度重心法计算光条中心点的在像素平面内的坐标值；然后采用搜索法确定激光光条中心点所在的三角形区域的序号，设PM，k(xk，yk)为激光光条上的第k个测量点，QM，k(uk，vk)为与之对应的像素点，(k＝1，2，3，…，K)，K为测量点的个数，如图5所示。QM，k所在的三角形的序号为r，则PM，k的世界坐标系的坐标值为：xk=ar,5uk-ar,2vk+ar,2ar,6-ar,3ar,5ar,1ar,5-ar,2ar,4yk=ar,4uk-ar,1vk+ar,1ar,6-ar,3ar,4ar,2ar,4-ar,1ar,5---(3)]]>采用式(3)分别计算每个光条中心点的像素坐标所对应的世界坐标值，即完成了对被测轮廓的测量。通过上述标定过程可以看到，本发明的方法不需要建立标定系统的内参数、外参数、镜头畸变参数等模型，也不需要是通过求解优化问题确定描述线结构光测量装置模型的待定系数，而是通过对像素平面进行三角剖分，给出了能够描述像素坐标到其对应世界坐标变换关系的矩阵D，并在每个三角区域中提取矩阵D中线性变换系数数值，直接通过线性变换公式(3)得到被测轮廓的世界坐标，故为数值标定方法。为验证本发明的有益效果，将一采用“M”形样件在线结构光视觉传感器测量范围上下、左右分别移动至6个不同位置进行测量。采用三坐标测量机得样件两个尖点之间的水平距离为42.8803mm，线结构光视觉传感器在不同位置的测量结果如表1所示，其中测量误差的RMS值为0.0285mm，相对测量误差的RMS值为0.0664％，表明线结构光传感器在测量范围内的水平方向上均有良好的测量精度。表1水平方向上的测量误差采用三坐标测量机对阶梯零件进行测量，台阶高度上取10个点的均值作为台阶的理论高度值，其值为29.7830mm。采用本发明方法标定的线结构光视觉传感器对此阶梯的同一测量位置处的轮廓测量，仍取取台阶上10点到下一阶梯距离的均值作为一次测量的高度值。将此台阶在测量范围之内，依次上下、左右移动至6个不同的位置对同一台阶轮廓测量，测量结果如表2所示。台阶高度误差的RMS值为0.0276mm，相对误差的RMS值为0.0927％，表明线结构光视觉传感器在垂直方向上亦有良好的精度。表2垂直方向上的测量误差上述测量结果表明，采用本发明一种线结构光视觉传感器的数值标定方法能够实现线结构光视觉传感器的标定，且在标定过程中不需要建立内参数、外参数、镜头畸变参数等模型，也不需要通过求解优化算法得到所建立模型中的各种标定参数，只需要求解简单的三角线性变换系数，具有算法简单、标定精度高等优点。当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。