外场多束线结构光视觉测量系统的快速标定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机器视觉测量技术领域，特别涉及外场多束线结构光视觉测量系统的快速标定方法。
技术背景
[0002]多束线结构光测量方法在三维测量领域应用广泛，是通过提取投射至被测物体上的多束线激光线的样条信息来进行三维形貌测量。作为测量基准构建的关键环节，标定方法一般是通过多次摆放靶标进行成像来确定多个激光面与测量相机之间的空间位置关系。多次摆放靶标的方式在室内环境下较为常用，但在外场空间不具备靶标多次摆放的条件下，常规的标定方法则不能够满足使用要求，若能通过一次摆放靶标来建立多激光面与测量相机间的空间关系，则对外场三维形貌快速测量具有非常重要的实际应用意义。
【发明内容】
[0003]为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种外场多束线结构光视觉测量系统的快速标定方法及装置，用于在外场非合作条件下的多束线结构光视觉测量系统快速标定。为此，本发明采取的技术方案是，外场多束线结构光视觉测量系统的快速标定方法，激光发射装置发出的多束线结构光投射到各自标定板上，测量相机只需拍摄一幅图片即可实现快速标定，建立测量相机与各激光面的物像关系，完成视觉测量系统测量基准的构建；其中，快速标定具体步骤是，首先采用张氏标定法提前标定测量相机的内参，而外参标定过程分为三个步骤，描述为:(1)建立测量相机与世界坐标系间关系，具体为:世界坐标系建立在三维靶标底板某一角点，每个激光面对应各自四个标定板，调整三维靶标位置在相机的视场监测范围内，并使多束激光面分别投射到各自对应的立柱顶端标定板上，由于三维靶标所有立柱顶端标定板尺寸已知，各立柱相对于世界坐标系的三维坐标已知，各标定板几何中心在相机图像中的像素坐标可通过质心提取得到，就能够计算出相机相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，即得到图像中的任何一点在世界坐标系中的三维坐标；(2)建立激光面与世界坐标系间关系，具体为:利用上述变换关系进行激光平面的精确计算，即激光平面不会精确的打到标定板的中心，而是与标定板有交线，而标定板的高度是不变的，因此利用图像提取出每一个激光面与标定板交线的中心，利用前述关系可解算出激光面与标定板的四个交点的三维世界坐标，就得到了激光平面方程，即得到了四个激光面相对于世界坐标系的旋转和平移矩阵；(3)建立相机与激光面间关系，具体为:由于已计算得到了相机与世界坐标系的旋转平移矩阵，世界坐标系相对于各激光面的旋转平移矩阵，再代入提前标定好的相机内部参数，就建立了相机相对于各激光面之间的空间关系，进而完成四线激光投射系统标定。
[0004]激光发射装置发射装置投射4条激光线，分别以激光线I至激光线4标识；标定板用于对激光线成像，共19块，分别以序号1-19进行标识；
[0005]每条激光线均投射至各自对应的一组标定板上，每组包含4块，即线激光I投射至1、2、3、4号标定板上；线激光2投射至5、6、7、8号标定板上；线激光3投射至9、10、11、12号标定板上；线激光4投射至13、14、15、16号标定板上，其余17、18、19号标定板用作备板；标定板位置分布采用空间阵列高低交错形式固定在立柱上，每组标定板的复合角度与对应激光线的投射角度是配合的，立柱、标定板、角板固定连接在一起。
[0006]与已有技术相比，本发明的技术特点与效果:
[0007]本发明的特点和有益之处在于:在外场非合作条件下，能够通过摆放一次靶标就可以完成整个视觉测量系统的标定；针对多束线结构光均需标定情况，设计了三维立体靶标相间交错模式，即能保证多激光线同时标定，又可保证尽量小的空间尺寸。采用该方式使得目前无法实现中心区域测量的问题得到解决，并可实现在线三维形貌测量。
【附图说明】
[0008]图1本发明的原理及装置工作原理示意图。
[0009]图2本发明靶标摆放装置图。
【具体实施方式】
[0010]本发明通过下述技术方案予以实现。发明的原理及装置如图1所示。本发明设计了阵列交错立柱三维靶标，采用内参标定和外参标定分离的方法一次摆放该靶标即可实现外场多激光面与相机空间位置的快速标定。以同时标定四个激光面为例，首先采用张氏标定法提前标定测量相机的内参，而外参标定过程分为三个步骤，描述为:(I)建立测量相机与世界坐标系间关系。具体为:世界坐标系建立在三维靶标底板某一角点，每个激光面对应各自四个标定板，调整三维靶标位置在相机的视场监测范围内，并使四个激光面分别投射到各自对应的立柱顶端标定板上。由于三维靶标所有立柱顶端标定板尺寸已知，各立柱相对于世界坐标系的三维坐标已知，各标定板几何中心在相机图像中的像素坐标可通过质心提取得到，就可以计算出相机相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵(即空间位置关系)，即可得到图像中的任何一点在世界坐标系中的三维坐标。(2)建立激光面与世界坐标系间关系。具体为:利用上述变换关系进行激光平面的精确计算，即激光平面不会精确的打到标定板的中心，而是与标定板有交线，而标定板的高度是不变的，因此利用图像提取出每一个激光面与标定板交线的中心，利用前述关系可解算出激光面与标定板的四个交点的三维世界坐标，就到了激光平面方程，即得到了四个激光面相对于世界坐标系的旋转和平移矩阵。(3)建立相机与激光面间关系。具体为:由于已计算得到了相机与世界坐标系的旋转平移矩阵，世界坐标系相对于各激光面的旋转平移矩阵，再代入提前标定好的相机内部参数，就建立了相机相对于各激光面之间的空间关系，进而完成四线激光投射系统标定。利用该空间关系，只要已知相机像面上任意光点坐标，就可以求出空间内激光面上对应点的世界坐标，实现四线束结构光投射下的空间三维形貌测量。
[0011 ] 本发明实施例的方法以造波池中心区域的三维形貌测量为例。中心区域浪高的测量目前国内尚不具备成熟的测量手段，现有的方式仅限于在池壁边缘采用杆式浪高仪实现点位测量。由于是在水上进行视觉系统标定，更不具备多次摆放靶标的条件，此时采用本发明所述的快速标定方法可描述为:激光发射装置与测量相机间距离60米，线激光发射装置采用功率2w、波长532nm的4线结构光，测量相机采用200万像素工业相机，25mm焦距镜头；三维立体革El标浮动到测量区域中心，四条线结构光可投射到各自标定板上。此时测量相机只需拍摄一幅图片即可实现快速标定，建立测量相机与各激光面的物像关系，完成视觉测量系统测量基准的构建。开始造波后，经浪面调制的激光波形的三维信息即可根据标定好的物像关系计算得到。
[0012]附图1中，线激光发射装置可投射4条激光线，分别以激光线I至激光线4标识；标定板用于对激光线成像，共19块，分别以序号1-19进行标识。
[0013]每条激光线均可投射至各自对应的一组标定板上，每组包含4块，即线激光I投射至1、2、3、4号标定板上；线激光2投射至5、6、7、8号标定板上；线激光3投射至9、10、11、12号标定板上；线激光4投射至13、14、15、16号标定板上，其余17、18、19号标定板用作备板。标定板位置分布采用空间阵列高低交错形式，每组标定板的复合角度与对应激光线的投射角度是配合的，该种方式可保证在测量相机视场内每条激光线成像均无遮挡。
【主权项】
1.一种外场多束线结构光视觉测量系统的快速标定方法，其特征是，激光发射装置发出的多束线结构光投射到各自标定板上，测量相机只需拍摄一幅图片即可实现快速标定，建立测量相机与各激光面的物像关系，完成视觉测量系统测量基准的构建；其中，快速标定具体步骤是，首先采用张氏标定法提前标定测量相机的内参，而外参标定过程分为三个步骤，描述为:(I)建立测量相机与世界坐标系间关系，具体为:世界坐标系建立在三维靶标底板某一角点，每个激光面对应各自四个标定板，调整三维靶标位置在相机的视场监测范围内，并使多束激光面分别投射到各自对应的立柱顶端标定板上，由于三维靶标所有立柱顶端标定板尺寸已知，各立柱相对于世界坐标系的三维坐标已知，各标定板几何中心在相机图像中的像素坐标可通过质心提取得到，就能够计算出相机相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵，即得到图像中的任何一点在世界坐标系中的三维坐标；(2)建立激光面与世界坐标系间关系，具体为:利用上述变换关系进行激光平面的精确计算，即激光平面不会精确的打到标定板的中心，而是与标定板有交线，而标定板的高度是不变的，因此利用图像提取出每一个激光面与标定板交线的中心，利用前述关系可解算出激光面与标定板的四个交点的三维世界坐标，就得到了激光平面方程，即得到了四个激光面相对于世界坐标系的旋转和平移矩阵；(3)建立相机与激光面间关系，具体为:由于已计算得到了相机与世界坐标系的旋转平移矩阵，世界坐标系相对于各激光面的旋转平移矩阵，再代入提前标定好的相机内部参数，就建立了相机相对于各激光面之间的空间关系，进而完成四线激光投射系统标定。2.如权利要求1所述的外场多束线结构光视觉测量系统的快速标定方法，其特征是，激光发射装置发射装置投射4条激光线，分别以激光线I至激光线4标识；标定板用于对激光线成像，共19块，分别以序号1-19进行标识； 每条激光线均投射至各自对应的一组标定板上，每组包含4块，即线激光I投射至1、2、3、4号标定板上；线激光2投射至5、6、7、8号标定板上；线激光3投射至9、10、11、12号标定板上；线激光4投射至13、14、15、16号标定板上，其余17、18、19号标定板用作备板；标定板位置分布采用空间阵列高低交错形式固定在立柱上，每组标定板的复合角度与对应激光线的投射角度是配合的，立柱、标定板、角板固定连接在一起。
【专利摘要】本发明属于机器视觉测量技术领域。为提供一种外场多束线结构光视觉测量系统的快速标定方法及装置，用于在外场非合作条件下的多束线结构光视觉测量系统快速标定。为此，本发明采取的技术方案是，外场多束线结构光视觉测量系统的快速标定方法，激光发射装置发出的多束线结构光投射到各自标定板上，测量相机只需拍摄一幅图片即可实现快速标定，建立测量相机与各激光面的物像关系，完成视觉测量系统测量基准的构建；其中，快速标定具体步骤式，首先采用张氏标定法提前标定测量相机的内参，而外参标定过程分为三个步骤。本发明主要应用于机器视觉测量。
【IPC分类】G01B11/24
【公开号】CN105157604
【申请号】CN201510481747
【发明人】刘峰, 王向军, 吴凡路, 董清亮, 高超
【申请人】天津大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月7日