专利名称：基于共面标定参照物的线结构光传感器快速标定方法
技术领域：
本发明属于光视觉测量技术，特别涉及一种基于共面标定参照物的线结构光传感器快速标定方法。
背景技术：
线结构光视觉测量技术是一种非接触测量技术，具有结构简单、柔性好、速度快、精度适中、抗干扰性强等特点，在高速在线检测、质量控制、反向工程等应用领域有广泛应用。但线结构光传感器的光平面是由光投射器投射的光束分布和光条软件算法确定的一个假想平面，它不像一般的机械平面那样可以用一般仪器去测量和观测，从而使确定光平面与摄像机之间的位置关系十分困难。在满足精度的条件下，如何方便、快速地确定光平面相对摄像机的位置，是视觉检测系统标定的重要内容。
常用的结构光传感器标定方法主要有机械调整法、细丝散射法、齿型标定方法等。
机械调整法是先用调整机构，凭经验把光平面调整到相对摄像机的一个特定位置，再利用理想透视模型求得光平面相对摄像机的位置。此方法人为调整因素过多，精度不高。细丝散射法的主要原理是让光平面投射到几个不完全共面的细丝上，由于光散射作用形成亮点，采用其他坐标测量仪器测出亮点在空间的坐标值，通过亮点成像坐标和亮点在空间的坐标值就可以解算光平面与摄像机之间的位置关系。该方法中，散射亮点本身表现为一种光强分布，使得测量仪器瞄准的亮点和从图像中提取的亮点一般不对应；而且，由于标定细丝和实际测量的被测表面散射特性不一致，造成标定光平面和测量光平面不一致，必然会给测量带来误差。齿型标定方法需要外部设备调整光平面与某一基准面相垂直，且获取标定点(控制点)数目少，锯齿棱易反光，造成像点提取精度较低，不适合现场标定。
目前，新发展了一种利用交比不变性的标定方法。通过三维标定参照物上的已知精确坐标的至少三个共线点，利用交比不变原理获得结构光光条与该已知三点所在直线的交点的坐标。但该方法需要至少两个相互垂直的平面构成高精度三维标定参照物，造成平面之间的相互遮挡，难以获得高质量的标定图像，同时获取标定点的数量不可能太多。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题，是克服现有技术中的不足，提供一种基于共面标定参照物的线结构光传感器快速标定方法，它不需辅助调整设备，标定速度快，效率高。
为解决上述技术问题，本发明的基于共面标定参照物的线结构光传感器快速标定方法，包括以下步骤a、在一平面度好的平面上设置多个圆孔组成一标准共面标定参照物，测量其各圆孔间的空间关系；b、将上述标准共面标定参照物放置在于传感器测量空间内；c、根据共面标定参照物上圆孔在摄像机上的图像坐标和已知的空间关系，得到共面参照物在摄像机坐标系的平面方程；d、在传感器测量空间内，采用光投射器把光束投射到共面标定参照物上，与参照物面相交成一光条，由摄像机获取该光条在像面上的信息；e、根据摄像机投影中心及摄像机像面上的光条信息确定一平面，此平面与参照物平面相交成直线，从而得到光平面内的一条直线方程；f、在传感器的测量空间内把参照物无约束移动至任一位置，拍摄第二幅图像，获取第二条光条在摄像机像面上的信息，得到光平面内的第二条直线方程；g、根据上述光平面内的两条不重合直线，得到光投射器光平面的方程，从而得到光平面相对摄像机的位置关系。
本发明的有益效果是对参照物平面无位置要求，且不存在标定参照物不同平面间的相互遮挡，保证传感器的测量状态及标定状态完全一致，因而具有理想的标定精度。该标定方法降低了标定设备的成本，简化了标定过程，提高了标定效率，降低了标定强度。
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是共面标定参照物结构示意图；图2是结构光传感器标定实物图；图3是结构光传感器标定原理示意图；具体实施方式
下面以线结构光传感器标定过程为例说明具体的实施方案
如图1所示，标准共面标定参照物由一平面度好的平面和在此平面上的多个圆孔组成，圆孔间的空间关系已知。
如图2所示在线结构光传感器的测量空间内放置含有多个圆孔的标准共面标定参照物。标定时，首先将参照物置于位置i处，在摄像机C的像面上得到多个圆孔的投影，根据共面参照物上圆孔在摄像机上的图像坐标和已知的空间关系，确定共面参照物在摄像机坐标系的平面方程(位置i处)。同时光投射器P在共面参照物上产生一投影(图2中位置i所示实线)，由此投影在摄像机像面上的成像信息及摄像机的投影中心确定一平面。此平面与标定参照物平面相交成直线(标定参照物面上的投影)，确定此投影的直线方程；然后在测量空间内，将参照物无约束移至位置ii处(保持光投射器P与摄像机C位置不变)，同理可得到共面参照物在摄像机坐标系的平面方程(位置ii处)及标定参照物面上投影(图2中位置ii所示虚线)的直线方程。由位置i处投影的直线方程及位置ii处投影的方程可确定光投射器光平面的方程，从而得到光投射器平面与摄像机之间的相对位置关系，实现线结构光传感器的标定。
如图3所示，结构光传感器标定原理示意图，三维坐标系ocxcyczc为摄像机坐标系，oixiyizi为建立在共面参照物上的坐标系，oiixiiyiizii为移动后的共面参照物上的坐标系，osxsyszs测量坐标系，Oc为摄像机的投影中心；πc为图像平面，πs光平面，πi为标定参照物平面，πii为移动后的标定参照物平面，πab为由投影中心Oc及直线aibi确定的平面，πcd为由投影中心Oc及直线cidi确定的平面；P点代表光投射器。直线AiBi、CiDi为光投射器P在平面πi及πii上的投影(光平面πs与平面πi及πii的交线)，AiBi、CiDi在摄像机平面上投影直线为aidi，cidi。在已得到标定参照物平面πi坐标的前提下，通过图像处理得到光条AiBi在摄像机像面上的投影信息aibi，由摄像机投影中心Oc及直线信息aidi，确定平面πab。由针孔透视变换模型可知，光条AiBi也在平面πab上，且AiBi在共面参照物平面πi上，则AiBi为平面πab及平面πi的交线，确定直线AiBi的方程。同理，在传感器测量空间内，把参照物平面移动到任一位置πii，确定直线CiDi的方程。因光条AiBi及CiDi是光平面πs在平面πi及πii上的投影，由此可知AiBi及CiDi在光平面πs上，得到光平面与摄像机之间的位置关系。
权利要求
1.一种基于共面标定参照物的线结构光传感器快速标定方法，其特征在于，包括以下步骤a、在一平面度好的平面上设置多个圆孔组成一标准共面标定参照物，测量其各圆孔间的空间关系；b、将上述标准共面标定参照物放置于传感器测量空间内；c、根据共面标定参照物上圆孔在摄像机上的图像坐标和已知的空间关系，得到共面参照物在摄像机坐标系的平面方程；d、在传感器测量空间内，采用光投射器把光束投射到共面标定参照物上，与参照物面相交成一光条，由摄像机获取该光条在像面上的信息；e、根据摄像机投影中心及摄像机像面上的光条信息确定一平面，此平面与参照物平面相交成直线，从而得到光平面内的一条直线方程；f、在传感器的测量空间内把参照物无约束移动至任一位置，拍摄第二幅图像，获取第二条光条在摄像机像面上的信息，得到光平面内的第二条直线方程；g、根据上述光平面内的两条不重合直线，得到光投射器光平面的方程，从而得到光平面相对摄像机的位置关系。
全文摘要
本发明公开了一种基于共面标定参照物的线结构光传感器快速标定方法，通过无约束移动共面标定参照物，利用摄像机透视投影中心及摄像机在像面获取的光条信息确定一平面。根据此平面与共面参照物平面的交线，及在传感器测量空间内无约束移动共面参照物后得到的另外一条交线，确定光平面相对摄像机的位置。本发明对参照物平面无位置要求，且不存在标定参照物不同平面间的相互遮挡，保证传感器的测量状态及标定状态完全一致，因而具有理想的标定精度。该标定方法降低了标定设备的成本，简化了标定过程，提高了标定效率，降低了标定强度。
文档编号G01B11/00GK1657868SQ20051001323
公开日2005年8月24日 申请日期2005年3月23日 优先权日2005年3月23日
发明者邾继贵, 李艳军 申请人:天津大学