基于三线激光器固有特性的光平面方程拟合定位标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于将=线激光器所发出的=个光平面的空间姿态方程均精确拟合于相 机虚拟空间坐标系中的拟合标定方法领域，具体设及一种基于=线激光器固有特性的光平 面方程拟合定位标定方法。
【背景技术】
[0002] 视觉测量技术能很好地适应现代工业对工件外形尺寸检测所提出的新标准和要 求，是一种兼备精度和效率的非接触式外形检测手段。视觉测量方法的基本思想是；用空间 姿态已知的激光平面投射在被检测物体上，并用相机对激光平面在物体外形轮廓上的投影 拍照，通过检测特征点图像坐标，根据已知相机内部参数和激光平面方程获得特征点在相 机坐标系下对应的=维坐标，进而获得物体表面轮廓的=维信息。在使激光平面的空间姿 态成为已知量的过程中，如何才能通过建模、标定等过程，使激光器在真实物理世界中所投 射出的激光平面在相机的虚拟空间坐标系下映射成为已知的数学空间方程，始终是视觉测 量技术领域研究的重点。
[0003] 目前，用于求解和确定单一的线结构激光空间平面方程的方法已趋于成熟，其方 法多样，它们的共性都是通过标定获得的相机内部参数和祀标=维信息，求解激光光条上 的多个离散特征点对应的空间坐标（X、y、z) W作为拟合光平面的离散特征点，利用多个非 共线的离散特征点可求出任意一个激光光平面的空间方程。
[0004] 比如，在专利申请号为201310352766. 1的《多线结构光视觉传感器的快速标定方 法》一文中，就在其公式（12)的求解方式中包含了所需的一组离散特征点空间坐标（X，y， Z)的获取方法。
[0005] 又如，本发明的发明人也在学术期刊化blic Library of Science上所发表的 Sun Q, Hou Y, Tan Q, Li G(2014)A Flexible Calibration Method Using the Planar Target with a Square Pattern for Line Structured Light Vision System. PLoS 0NE9(9) :el06911. doi:10. 1371/journal.pone. 0106911 - 文中，在其章节 2. 2Subpixel center localization of the li曲t stripe中提出了求解激光光条中屯、点像素坐标 (Xp，yp)对应在相机坐标系下的坐标狂。，￥。，2。）的提取方法，按照该方法能获得连续且更为 精确的光条中屯、点像素坐标，因此也可W作为获取激光光条上所需的一组离散特征点空间 坐标（x，y，z)的方法，上述方法简称为离散特征点空间坐标提取方法B。
[0006] 借助上述任意一种已知的离散特征点空间坐标（X，y，Z)的获取方法，我们均可W 通过获得一组已知的离散特征点空间坐标来拟合求解出一个近似通过该些离散点的空间 平面方程，由此在建立好的相机虚拟坐标系下，获得一个激光平面空间姿态方程，将真实物 理世界中的激光器投射平面，移植到虚拟的相机坐标系下。重复上述过程，还可W进一步获 得第二个、第=个，W至于更多新的虚拟的激光空间平面方程。通过该已知方法，还可W进 一步实现：将真实物理世界中由多线激光器所投射出的多个激光平面均在相机的虚拟空间 坐标系下粗略拼合映射成为已知数学空间方程的标定过程。
[0007] 然而，该种粗略的在同一相机虚拟坐标系下拟合多个光平面的方式远远不能满足 视觉测量对激光空间平面方程坐标定位的精度需求，简单地将针对单线激光器的激光空间 平面方程拟合标定技术重复应用于多线激光器的光平面标定，W期实现多个光平面在同一 坐标系下拼合的拟合方法存在明显的缺陷。现有由离散特征点拟合出的激光空间平面方程 并不够精确，由于检测误差、算法误差等系统误差在所难免，因此所获得的激光空间平面方 程与真实世界中的激光器投射平面并不能严格重合。因此，即便是在完全相同的光平面空 间姿态方程标定条件下，若先将所获得的第一个和第二个激光空间平面方程在虚拟的相机 坐标系下相交，并形成第一条交线的话，则按同样的方法，在将第S个激光空间平面方程也 拟合到同一个虚拟的相机坐标系下时，则在误差干扰下，第S个激光空间平面方程可W分 别与前两个激光平面分别相交于另外两条新的交线，而与第一和第二激光空间平面方程的 交线并不重合。
[000引另一方面，最新的研究发现，如图1所示的多线结构光激光器是一种能从同一个 线光源发出邻近夹角均相同的=个激光平面，且其=个激光平面能在同一投影平面形成= 个平行光条的=线激光器，其在某些特殊的视觉测量方法中具有非同寻常的重要意义，由 于S线激光器能从同一个线型光源按照相同的夹角a发出S个线结构激光平面，并且其 各激光平面之间的夹角a均是真实对称的已知量，因此，若将=线激光器所发出的第一个 激光平面a、第二个激光平面b W及第=个激光平面C的空间方程在相机坐标系中分别求解 并将=者精确拟合，最终得到在相机的虚拟空间坐标系下，=个虚拟的激光平面空间方程 均交于同一交线以则可W将具有前述=线激光器其=个激光平面夹角a已知的固有真实 物理特征移植至视觉测量成像系统的相机虚拟空间坐标系之中，并借助该一重要特性在后 续的视觉测量过程中大幅提高测量的准确度和效率。而在前述发明201310352766. 1《多线 结构光视觉传感器的快速标定方法》一文中，也介绍了多线结构光视觉传感器在相机虚拟 坐标系下的一种标定方法，从理论上来说，该方法可W直接用于能从同一个线光源发出邻 近夹角均相同的=个激光平面，且其=个激光平面能在同一投影平面形成=个平行光条的 =线激光器的标定过程。然而，其方法并未利用所需激光器从同一个线光源发出的=个激 光平面中，相邻两个激光平面的夹角均相同该一真实且已知的固有物理特性，因此无法进 一步修正和减小系统误差。此外，前述发明201310352766. 1《多线结构光视觉传感器的快 速标定方法》所介绍的标定方法还必须利用激光投影光条与方向性栅格标祀上的固有栅格 线的交比不变性原理，才能辅助完成对离散特征点空间坐标（x，y，z)的获取和多个激光空 间平面方程在同一相机坐标系下的标定。但由于方向性栅格上固有网格线条的数量有限， 因此通过其与激光投影光条相交所能获得的离散特征点的数量也因此相对较少，而较少的 离散特征点数量必然不利于所拟合出的激光空间平面方程在相机虚拟系中的坐标精度。
[0009] 此外，本发明的发明人在学术期刊化blic Library of Science上公开发表的 Sun Q, Hou Y, Tan Q, Li G(2014)A Flexible Calibration Method Using the Planar Target with a Square Pattern for Line Structured Light Vision System. PLoS 0NE9 (9) :el06911. doi: 10. 1371/journal. pone. 0106911 -文中，在第一章 Methods 的章节 1. Calibration ofcamera model还同时公开了一种对相机内部参数进行标定的方法，简称 为相机内部参数标定方法A。
【发明内容】
[0010] 为了解决现有针对单线激光器的激光空间平面方程拟合标定技术，其用拼合的方 式粗略地在同一相机虚拟坐标系下拟合多个光平面的方式远远不能满足视觉测量对激光 空间平面方程坐标定位的精度需求，而现有针对多线结构光激光器的激光空间平面方程标 定方法未能充分利用多线结构光激光器固有的重要物理特性，而且，还必须借助激光投影 光条与方向性栅格标祀上的固有栅格线的交比不变性原理才能辅助完成离散特征点空间 坐标的获取W及多个激光空间平面方程在同一相机坐标系下的标定。但由于方向性栅格上 固有网格线条的数量有限，致使通过其与激光投影光条相交所能获得的离散特征点的数量 也因此相对较少，因此无法修正和减小系统误差，不利于进一步提高激光空间平面方程在 相机虚拟坐标系中的拟合标定精度的技术问题，本发明提供一种基于=线激光器固有特性 的光平面方程拟合定位标定方法。
[0011] 本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
[0012] 一种基于=线激光器固有特性的光平面方程拟合定位标定方法，其特征在于，该 方法包括如下步骤：
[0013] 步骤一：选用一种能从同一个线光源发出邻近夹角均相同的=个激光平面，且其 =个激光平面能在同一投影平面形成=个平行光条的=线激光器，并从该=线激光器固有 的出厂性能指标参数中获取其邻近两个激光平面夹角的角度值参数a ;
[0014] 步骤二；按照相机内部参数标定方法A完成对相机内部参数进行的标定；
[0015] 步骤获取针对=线激光器中第一个激光平面（a)的N组离散特征点空间坐标 值的集合R，其具体包括如下子步骤：
[0016] 步骤3. 1 ;按照离散特征点空间坐标提取方法B对步骤一所述=线激光器的第 一个激光平面（a)在标祀平面（K)上的激光光条（a-1)进行所需的一组离散特征点空间 坐标（X，y，Z)的采样和提取，从而获得针对前述第一个激光平面（a)在初始姿态下的标 祀平面（K)上投影所形成的激光光条（a-1)