本发明涉及应用三维扫描技术建立物体的空间物理坐标和图像像素坐标之间对应关系的技术，具体涉及采用三维扫描技术将三维标定尺扫描且获取其物理坐标和像素坐标的对应关系，再引入标定物于上述被三维标定尺标定后的三维扫描的场景中以快速获取标定物的空间物理坐标的标定方法。
背景技术
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势，可以密集地大量获取目标对象的数据点。上述的数据点可以理解为被扫描物体在空间环境中的物理坐标点被扫描后转换为被计算机“可读”的数据信息。当我们获取了一个标准物的大量的“可读”数据后，我们希望将这些数据应用到相机标定的技术领域内，利用机器视觉的方法快速且准确的获取其他物体的空间物理坐标。
一个物理点被拍照后会获取一个图像上的像素点。该物理点在空间物理坐标系中所具有的物理坐标会相对应的具有在图像坐标系上的像素坐标，两者之间构成对应关系。相机标定技术，就是利用机器视觉技术建立起一个物上的物理坐标和拍摄的图像坐标的关系，以实现快速的转换并应用于工业中。
传统相机标定法需要使用尺寸已知的标定物，通过建立标定物上坐标已知的点与其图像点之间的对应，利用一定的算法获得相机模型的内外参数。在以上方法的指导下，我们首先希望引入一种特殊结构的标定物，基于该标定物所获取的参照面的范围内均能够准确的换算出被扫描物的图像点和空间物理点的对应关系；其次我们提出一种相机标定的方法，将三维扫描技术和上述特殊结构的标定物结合以实现大量的“可读”数据的快速转换，进而提升相机标定的效率和准确性。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用线激光扫描物体轮廓的方法以及标定方法，其要解决的技术问题是：
一.引入一种具有特殊结构的三维标定尺，该标定尺具有确定的尺寸以及凸出部结构，使得其经扫描和相机拍摄后所获取的点构成的参照面范围内具有一致性，因此能够用于作为参照面以对其他物进行标定；
二.应用三维扫描技术对三维标定尺进行扫描，以快速大量的获取“可读”数据并应用于相机标定技术中，由于获取的样本点的数量众多提高了相机标定的准确性以及效率。
具体的，
一种应用线激光扫描物体轮廓的方法，使用三维标定尺作为线激光的校准部件，其中，所述的三维标定尺包括，
基座，
所述的基座由一端向另一端延伸有若干个截面为等腰三角形的凸出部；
所述的若干个凸出部截面顶点之间的间距固定；
所述的基座两端设置有截断部，所述的截断部的截面顶点高度低于凸出部的顶点高度；
通过以下步骤实现对物体轮廓的扫描：
步骤一，搭建扫描组件包括三维标定尺，设置于三维标定尺上方的线激光光源，设置于线激光光源一侧的成像装置；
步骤二，线激光扫描校准，启动线激光对三维标定尺进行扫描，调整线激光的光束直至在三维标定尺的凸出部和截断部上呈现出连续的扫描线；
步骤三，成像装置成像，调整成像装置与线激光光源之间的相对位置对步骤二的三维标定尺进行成像拍摄获取图像直至所获得图像内容为步骤二中的扫描线；
步骤四，固定线激光光源和成像装置之间的位置关系；
步骤五，引入被扫描的物体，启动线激光对物体扫描并通过成像装置拍摄图像。
所述的三维标定尺的特殊结构为具有凸出部和截断部两个部分，三维标定尺的尺寸是已知的在同一个物理坐标系内经由凸出部的顶点和谷点依次连接所构成的四边形的内的物理点均能够被标记出来。需要说明的是，凸出部为等腰三角形，该结构在扫描中有特殊的设计意图，扫描线走向必须是具有高低错落的折线形式才能在拍摄图像中建立起具有横向和纵向两个方向的图像坐标系。如果所述的标定物为标准的矩形块，扫描线则为一条直线，在图像中亦为一条直线，则无法进行图像点的区分以及像素坐标的标定。其次，成像装置必然的需要与光源之间分离并成一定夹角拍摄，这样所成的图像才不会是一条直线，因此，我们需要使得被扫描的面的表面积要尽量的大才能尽量多的获取样本点；再次，等腰三角形的顶点之间的距离固定和谷点之间的距离固定能够建立标准的尺寸。应用以上三位扫描的方法能够快速获取大量的标定物的空间物理的数据信息为后续相机标定提供数据准备。
优选的，所述的基座的底面为平面，且使得所述的凸出部的截面的顶点所构成的平面与基座底面的平面平行。
一种应用线激光扫描物体轮廓的方法，使用三维标定尺作为线激光的校准部件，其中，所述的三维标定尺包括，
基座，
所述的基座由一端向另一端延伸有若干个截面为等腰三角形的凸出部；
所述的若干个凸出部截面顶点之间的间距固定；
截断面，所述的截断面由位于所述的基座两端的凸出部斜面与基座的外侧垂直面构成的一个倾斜面；
通过以下步骤实现对物体轮廓的扫描：
步骤一，搭建扫描组件包括三维标定尺，设置于三维标定尺上方的线激光光源，设置于线激光光源一侧的成像装置；
步骤二，线激光扫描校准，启动线激光对三维标定尺进行扫描，调整线激光的光束直至在三维标定尺的凸出部和倾斜面上呈现出连续的扫描线；
步骤三，成像装置成像，调整成像装置与线激光光源之间的相对位置对步骤二的三维标定尺进行成像拍摄获取图像直至所获得图像内容为步骤二中的扫描线；
步骤四，固定线激光光源和成像装置之间的位置关系；
步骤五，引入被扫描的物体，启动线激光对物体扫描并通过成像装置拍摄图像。
以上提供另一种三位标定尺的结构，其特殊性在于设置截断面以确定两端凸出部的位置，进而限定由凸出部的顶点和谷点所确定范围。
优选的，所述的基座的底面为平面，且使得所述的凸出部的截面的顶点所构成的平面与基座底面的平面平行。
一种相机标定的方法，
包括三维标定尺，
所述的三维标定尺包括，
基座，
所述的基座由一端向另一端延伸有若干个截面为等腰三角形的凸出部；所述的若干个凸出部截面顶点之间的间距固定；
所述的基座两端设置有截断部，所述的截断部的截面顶点高度低于凸出部的顶点高度；
通过以下步骤实现对标定物进行相机标定：
步骤h1，搭建扫描组件包括三维标定尺，设置于三维标定尺上方的线激光光源，设置于线激光光源一侧的成像装置；
步骤h2，线激光扫描校准，启动线激光对三维标定尺进行扫描，调整线激光的光束直至在三维标定尺的凸出部和截断部上呈现出连续的扫描线；
步骤h3，成像装置成像，调整成像装置与线激光光源之间的相对位置对步骤h2的三维标定尺进行成像拍摄直至获取步骤h2中的扫描线的清晰图像；
步骤h4，固定线激光光源和成像装置之间的位置关系；
步骤h5，建立标定参照面，将步骤h3中的扫描线图像中的所有凸出部的顶点和谷点均标记出来并排除扫描线中两端谷点外侧部分，所述的顶点依次连接构成的线、谷点依次连接构成的线和外侧顶点和谷点连接构成的线所合围形成的面即为标定参照面；
步骤h6，建立三维标定尺上的物理点的物理坐标与所述物理点在标定参照面上对应的像素点的像素坐标之间一一对应的关系；
步骤h7，引入扫描物依据标定参照面进行标定，在步骤h4后将扫描物引入并进行线激光扫描,并通过成像装置拍摄图像后分析图像上像素点的像素坐标换算出物体的空间物理坐标。
该相机标定方法中，线激光照射于三维标定尺上的所有发光点经成像装置拍摄后会呈现出一条清晰的折线。该折线上的一个图像点均对应于三维标定尺斜面上的某一个物理点。可以确知的是折线上的顶点对应的是凸出部上的顶点，而折线的谷点则为凸出部上的谷点。我们将采用数学的方法来建立起由凸出部顶点依次连接构成的线、谷点依次连接构成的线和外侧顶点和谷点连接构成的线所合围形成的面即为标定参照面上的图像点与对应的物理点之间的坐标换算关系。注意的是由于成像装置与三维标定尺的斜向照射关系而导致参照面的四边形的特殊性以及换算公式的特殊性。
进一步的，所述光源位于所述三维标定尺的上方，且所述的光源与所述的三维标定尺任一凸出部的谷点的之间的连线与基座所在平面所构成的夹角α要大于所述的凸出部截面的底角β。
以上限定目的是使得光源能够照射到凸出部所有斜面上的点。
一种相机标定方法，
包括三维标定尺，
所述的三维标定尺包括，
基座，
所述的基座由一端向另一端延伸有若干个截面为等腰三角形的凸出部；所述的若干个凸出部截面顶点之间的间距固定；
截断面，所述的截断面由位于所述的基座两端的凸出部斜面与基座的外侧垂直面构成的一个倾斜面；
通过以下步骤实现对物体轮廓的扫描：
通过以下步骤实现对标定物进行相机标定：
步骤n1，搭建扫描组件包括三维标定尺，设置于三维标定尺上方的线激光光源，设置于线激光光源一侧的成像装置；
步骤n2，线激光扫描校准，启动线激光对三维标定尺进行扫描，调整线激光的光束直至在三维标定尺的凸出部和截断面上呈现出连续的扫描线；
步骤n3，成像装置成像，调整成像装置与线激光光源之间的相对位置对步骤n2的三维标定尺进行成像拍摄直至获取步骤n2中的扫描线的清晰图像；
步骤n4，固定线激光光源和成像装置之间的位置关系；
步骤n5，建立标定参照面，将步骤n3中的扫描线图像中的所有凸出部的顶点和谷点均标记出来并排除扫描线中两端顶点外侧部分，所述的顶点依次连接构成的线、谷点依次连接构成的线和外侧顶点和谷点连接构成的线所合围形成的面即为标定参照面；
步骤n6，建立三维标定尺上的物理点的物理坐标与所述物理点在标定参照面上对应的像素点的像素坐标之间一一对应的关系；
步骤n7，引入扫描物依据标定参照面进行标定，在步骤n4后将扫描物引入并进行线激光扫描,并通过成像装置拍摄图像后分析图像上像素点的像素坐标换算出物体的空间物理坐标。
优选的，所述光源位于所述三维标定尺的上方，且所述的光源与所述的三维标定尺任一凸出部的谷点的之间的连线与基座所在平面所构成的夹角α要大于所述的凸出部截面的底角β。
优选的，所述的成像装置为相机。
本发明提供的一种应用线激光扫描物体轮廓的方法以及标定方法，其有益效果在于：将三维线激光对物的扫描方法引入相机标定的技术方案中，使得快速且准确的获取标定物上的物理点的坐标能够被计算机所读取和换算的数据信息。在本申请中三维线激光将对特殊结构的三维标定尺进行三维扫描，三维标定尺的尺寸是已知的在同一个物理坐标系内经由凸出部的顶点和谷点依次连接所构成的四边形的内的物理点均能够被标记出来。需要说明的是，凸出部为等腰三角形，该结构在扫描中有特殊的设计意图，扫描线走向必须是具有高低错落的折线形式才能在拍摄图像中建立起具有横向和纵向两个方向的图像坐标系。在相机标定所获取的三维标定尺的图像能够建立起像素坐标和物理坐标的一一对应的关系，进而能够获取凸出部顶点依次连接构成的线、谷点依次连接构成的线和外侧顶点和谷点连接构成的线所合围形成的面即为标定参照面上的图像点与对应的物理点之间的坐标换算关系。这种换算关系一旦确定之后，任何在上述相机标定确定的光源和线激光位置不变的前提下，对任何其他在尺寸在三维标定尺尺寸范围内的扫描物的扫描所确定的图像的像素坐标和空间物理坐标的换算关系是一定的。我们就能够快速的读取被扫描物的所成图像上任一个图像像素坐标以获得像素点所对应的被扫描物的空间物理坐标，而获得理坐标即能够反馈计算机控制其他在同一物理坐标系下的硬件与被扫描物之间的相对位移关系而得以实现广泛的工业应用。本发明突出的优点在于三维线扫描物体的方法获取标定物的数据信息的快速和准确以及相机标定方法中所应用的三维标定尺具有特殊结构而带来的标定效率的提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
附图1为一种具有截断部的三维标定尺的结构示意图；
附图2为一种具有截断面的三维标定尺的结构示意图；
附图3为一种标定组件对三维标定尺进行扫描的结构示意图；
附图4为经过成像装置拍摄后所获取的线激光在三维标定尺所获取的扫描线的示意图；
附图5为图4所获取的标定参照面的示意图；
附图6为标定参照面经过处理后获取的六个四边形的示意图；
附图7为被扫描物在同一标定组件下扫描后获取的图像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种三维标定尺的结构如图1所示，其包括基座1，所述的基座1由一端向另一端延伸有若干个截面为等腰三角形的凸出部2；所述的若干个凸出部2截面顶点之间的间距固定；所述的基座1两端设置有截断部3，所述的截断部3的截面顶点高度低于凸出部2的顶点高度。所述的基座1的底面为平面，且使得所述的凸出部2的截面的顶点所构成的平面与基座1底面的平面平行。在本实施例中，所述的截断部3的纵向截面为一个直角三角形。所述的三维标定尺作为线激光扫描和相机标定的标定物具有标准的尺寸，在空间物理坐标系中将会有确定的空间物理坐标。截断部3部分，为相邻的凸出部的谷点的外侧，在相机标定过程中相应部分的图像将会被排出(详见下文)。
另一种三维标定尺的结构如图2所示，一种三维标定尺，其包括基座1，所述的基座1由一端向另一端延伸有若干个截面为等腰三角形的凸出部2；所述的若干个凸出部2截面顶点之间的间距固定；截断面3`，所述的截断面3`由位于所述的基座1两端的凸出部2斜面与基座1的外侧垂直面构成的一个倾斜面。在本实施例中所述的倾斜面于基座1两端的垂直面之间所构成的连线上的点均低于凸出部2截面的顶点高度。所述的三维标定尺作为线激光扫描和相机标定的标定物具有标准的尺寸，在空间物理坐标系中将会有确定的空间物理坐标。截断面3`部分，为相邻的凸出部的顶点的外侧，在相机标定过程中相应部分的图像将会被排出。
一种相机标定组件，如图3所示一种标定组件，包括三维标定尺；设置于三维标定尺上方的光源4；以及相机5；所述的光源4的照射范围能够覆盖所有凸出部的斜面上的点，以及截断部的斜面上的点。设置于三维标定尺6上方的光源4如线激光将会扫描标定尺，位于三维标定尺6一侧的相机5将会拍摄扫描的图像。
应用以下方法对被扫描物相机标定。调节线激光，使得相机5最终所拍摄的图像为一条连续的折线如图4所示，其中a点表示凸出部的顶点，b点表示凸出部的谷点，c点表示截断部的顶点。三维标定尺所在基座1为一个平面，且凸出部为等腰三角形，故此a点所代表的图像中凸出部的顶点均具有同一纵向高度值,b点所代表的图像中凸出部的谷点在均具有同一个纵向的高度值,且凸出部顶点和谷点均在同一个平面上，而图4中相机拍摄扫描线所成的图像的折线的顶点高低不同这是由于相机5是与三维标定尺具有倾斜角度的而导致的。将图4中折线的两端(对应的是截断部)排除后获取，由所述的顶点依次连接构成的线、谷点依次连接构成的线和外侧顶点和谷点连接构成的线所合围形成的面即为标定参照面如图5所示。该参照面上的所有像素点均具有一个像素坐标，而一个像素坐标均对应于三位标定尺上的一个相应物理点，该物理点具有一个基于空间三位坐标系而定的物理坐标。基于标定参照面对应范围的三位标定尺的具有的物理一致性，因此可以认为在该范围内的物理点的空间物理坐标符合一定的数学变化规律并能够建立起像素坐标系和空间物理坐标系之间的数学关系，并依据该数学关系，通过拍摄物的图像并读取图像中的像素坐标换算出对应的空间物理坐标。在图5的标定参照面的基础上，连接顶点和对应的相邻谷点连线的中点而获得若干个连接线以及连接谷点和对应的相邻顶点联系的中点而获得若干个连接线。这些相邻连接线、相邻顶点的连线以及相邻谷点的连线构成了若干个四边形，基于这些四边形建立起像素坐标与空间物理坐标之间的数学关系。
将图6的标定参照面中划分出6个四边形,以图像四边形s1为例对应于标定参照面上的四个顶点坐标依次为p11(x11,y11),p12(x12,y12),p13(x13,y13),p14(x14,y14)。与图像四边形s1相对应的在三维标定尺上存在着对应的线激光扫描后截面而成的四边形s`1其上对应的四个顶点坐标为p`11(x11,y11),p`12(x12,y12),p`13(x13,y13),p`14(x14,y14)。为了将图像世界中的坐标p11(x11,y11),p12(x12,y12),p13(x13,y13),p14(x14,y14)与物理世界中的坐标p`11(x11,y11),p`12(x12,y12),p`13(x13,y13),p`14(x14,y14)联系起来设参数a,a1,b,b1,c,c1,d,e.
联立以下方程
求解a,a1,b,b1,c,c1,d,e.
解得，
经过以上数学换算后，建立起了标定参照面与对应的线激光扫描截面的关系，即建立了图像的像素坐标与物理的空间坐标之间的换算关系。在同一个关系下，被扫描物在被相同位置关系的标定组件扫描后所获取的轮廓图像的像素坐标与被扫描物轮廓物理坐标的关系。
如图7为被扫描物在上述同一标定组件三维扫描后获取的图像。图像中显示出被扫描物的轮廓，且该轮廓的上下位置是在上述三维标定尺的顶点和谷点之间所成的标定参照面范围内的。应用时，计算机将读取图7内轮廓上像素点的像素坐标，并经由上述的数学换算公式计算出对应的空间物理坐标。从而获得在工业应用中对应的其他硬件与被扫描件之间的在同一坐标系下的相对位置关系，以控制移动如机械手的走位。
应当注意的是，本实施例中三维标定尺中的凸出部的顶点之间的间距和凸出部的数目并非是固定不变的。在具体的场景应用中，需要考虑到被测物的尺寸参数诸如长度参数和高度参数等调整三维标定尺的结构。可以预测的是，当被测物尺寸越大对应的实现坐标转换的标定参照面的图像面积亦将越大，而决定标定参照面的图像面积的三维标定尺的顶点数目、谷点数目亦将越多，而决定顶点数目和谷点数目的三维标定尺的凸出部的数目亦将越多。反之将减少三维标定尺凸出部的数目。由上述预测逻辑表示能够推知出，在具体应用场景内，本领域技术人员具备根据实际的场景操作对三维标定尺的结构做出适于使用的结构改进无需付出任何创造性的劳动仅仅依据于固有的生产经验即可做出，上述改进不脱离上述预测场景的技术方案的逻辑关系。
本发明所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。