一种基于机械运动的线结构光传感器的标定方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于测量技术领域，涉及对结构光参数标定方法的改进。
【背景技术】
[0002] 结构光视觉检测方法具有大量程、非接触、大视场和系统柔性好等优点，近年在工 业环境尤其是焊接领域得到广泛的应用。对结构光参数的标定主要利用摄像机的内部参数 以及其他辅助工具确定光平面在摄像机坐标系下的平面方程。线结构光标定的目的使由二 维图像坐标重构三维世界坐标，实现三维测量。
[0003] 关于结构光传感器的标定目前有以下几种方法：一是锯齿靶标。因锯齿反光，故此 方法提取的像点的精度差，而且需要外部设备来严格调整光平面与某一基准面相垂直，不 适合现场标定；二是机械调整法。但是此方法人为调节环节多，精度不尚。二是细丝散射 法，但是此方法精度不高而且标定过程较为复杂，四是基于自由移动的平面靶标法，此方法 较为常用。还有一些不需要任何靶标的方法，在一定程度节约了成本。
[0004] CN03142658. 1公开了 "一种基于平面标靶的结构光视觉传感器标定方法"，该方法 主要是采用可自由移动的分布有黑色方块的二维平面标靶对结构光视觉传感器进行标定， 标定过程中以黑色方块的顶点作为特征点，通过利用特征点的图像坐标系与世界坐标系之 间的变换来完成对摄像机内部参数的标定，该方法涉及到大规模矩阵变换，计算推导复杂， 需要高精度二维平面标靶，标靶加工难度大，且存在相互遮挡的问题。
[0005] CN200710121397.X披露了"一种结构光视觉传感器结构参数标定方法"，该方法主 要借助有多个非线性特征点的平面标靶，通过多次移动平面标靶的位置，获取每次移动后 标靶图像上四个或更多个非线性特征点坐标，并变换到摄像机坐标系下进而拟合出高次三 元结构光方程。该方法标定过程步骤繁琐会影响精度，且坐标变换与拟合过程复杂。
[0006] CN200910089307. 2报道了 "基于一维标靶的结构光视觉传感器标定方法"，该方法 利用一维标靶的具有已知空间约束的至少三个特征点，结合透视投影方程，根据特征点的 长度约束及方向约束计算特征点的摄像机系坐标并进行拟合得到光平面方程。该方法需要 求解具有约束的非线性方程，引入了非线性优化，方法较繁，速度慢，对初值选择和噪声比 较敏感，而且不能保证参数收敛到全局最优。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是：仅通过控制视觉传感器（包括摄像机、激光器、镜 头等）做两次竖直方向的运动即可完成光平面的标定，是一种基于机械运动的线结构参数 的的标定方法。标定过程操作简单，并且不涉及到大规模矩阵变换，计算量较小，不存在标 靶的遮挡问题，也不存在求解有约束的非线性方程中出现的不收敛到全局最优解的难题， 适合各种带编码器的机械运动平台，如机械臂以及龙门架构机器人等。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于机械运动的线结构光传感器的标定 方法，执行所述方法的装置包括摄像机、激光器、标定平面及运动机构，其特征是所述摄像 机与激光器安装于运动机构的运动末端且指向标定平面，所述运动末端可以在垂直于标定 平面方向上下移动，摄像机与激光器可以在垂直于标定平面的方向上同步运动，所述方法 包括以下步骤
[0009] 步骤1)以标定平面作为地面的世界坐标系的z轴为竖直方向，利用张正友棋盘格 标定得到摄像机内部参数A以及第一张棋盘格的外部参数，并利用该外部参数得到摄像机 坐标系的z轴与竖直方向上的夹角α ;
[0010] 步骤2)计算相邻激光条纹上相应点之间的距离以及对应的像点坐标，包括
[0011] 2)-1，固定在运动机构的运动末端的激光器向标定平面射出激光并在标定平面上 形成激光条纹I1，此时对于激光条纹1:上的一点〇 :在摄像机图像中所成的对应图像点为 P1;
[0012] 2) -II，控制运动机构的运动末端沿竖直方向向下或向上移动Ii1的距离，此时激光 在标定平面上形成的激光条纹I2上的〇 2点在摄像机图像中所成的对应图像点为P 2，
[0013] 2)-III，控制运动机构的运动末端再次沿竖直方向向下或向上移动h2的距离，此 时激光在标定平面上形成的激光条纹I3上的〇 3点对应的图像点为P 3，所述Pl、P2、P3在摄 像机图像上共线。
[0014] 步骤3)，求解结构光平面的法向量，
[0015] 采用步骤1)得到摄像机的内部参数A与步骤2)中得到的图像点P1, (i = l，2,3)， 并根据摄像机线性模型得到与结构光平面平行的平面S的法向量。
[0016] 步骤4)根据步骤3)得到的法向量，及步骤1)得到的摄像机坐标系的z轴与竖 直方向上的夹角α计算得到结构光平面与竖直方向的夹角Θ，并进一步得到结构光平面 上的点在摄像机坐标系下的坐标，进而利用这些坐标与法向量完成对结构光平面方程的标 定。
[0017] 所述的标定方法，其特征是所述步骤1)中第一张棋盘格的外部参数包括棋盘格 的旋转矩阵R1和平移矩阵t i，所述计算得到摄像机坐标系的Z轴与世界坐标系的Z轴的 夹角α的方法为，令M1= [Ri tj，其对应的齐次坐标为
令世界坐标系下沿 z轴方向的一个向量
，令与摄像机坐 标系Z轴平行的向量为^^则
以摄像机坐标系的Z轴与世界坐标系的Z轴的夹 角为α，
[0018] 所述的标定方法，其特征是所述的步骤2)中所述PI、Ρ2、Ρ3以如下方式确定：分 别提取摄像机采集到的激光条纹I1, 12, 13的中心线Il1, 112, Il3，并计算激光条纹中心线 Il1,112, Il3在图像上的直线方程，以113上的一点作为P 3点，113的垂线与112的交点作为 P2点，113的垂线与11 i的交点作为P i点。
[0019] 所述的标定方法，其特征是所述步骤3)中求解结构光平面的法向量的具体方法 如下：
[0020] 令 qi，（i = 1，2, 3)为 P1, (i = 1，2, 3)的归一化坐标，qi，（i = 1，2, 3)和 P1, α = 1，2, 3)的齐次坐标分别为 qi'，（i = 1，2, 3)和 P/，（i = 1，2, 3)，且 qi'，（i = 1，2, 3)和 P/，（i = 1，2, 3)的变换关系为 qi' = A 1 · P/ (4);
[0021] 以摄像机坐标系中的原点为0,并以(^与〇92夹角为Θ i，0q2与0q3夹角为Θ 2， 得到Θ 1与Θ 2
因 Θ在整个标定过程中保持不 变，故在与结构光平面平行的平面S上取点(V，0' 2, 0' 3,令
[0022] 在激光在标定平面上形成的三条激光条纹I1,12,1 3上，采用步骤2)的取点方法在 每条激光条纹上取η个点（η彡2)，即O31 2, O31 D O31 (i = 1，2,…，η)，依式（13)、（14)在平 面S上对应取点0' 312,0' 31 〇0' 3l(i = 1，2,…，η)，令平面S上的向量4=0'卜1-0、（]· =1，2，*"，3=-1)，即可根据.&.6 =魏(/ = 1:，23>......,細-1)求解平面3的法向量..6，,该法向量 ?也为结构光平面的法向量。
[0023] 所述法向量^的具体求解方法为：令法向量= (C^e2J) s依据
求解法向量，即得到e = (e,, a J) e
[0024] 步骤4)，根据步骤3)得到的结构光平面的法向量，计算该法向量与摄像 机坐标系z轴的夹角β，并进一步得到结构光平面与竖直方向的夹角Θ，进而得 到点O1J2, O3在摄像机坐标系下的坐标，对于在三条激光条纹上所取的3η个点，令
以D作为光平面系数，根据法向量及光平面系数D即可确 ；? 定光平面方程，从而完成标定。
[0025] 所述的标定方法，其特征是所述激光器为线激光器。
[0026] 本发明还提供了一种执行所述标定方法的装置，所述装置包括摄像机、