专利名称：基于双线激光的三维信息检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于双线激光的三维信息检测方法，属于机器视觉检测技术领域。
背景技术：
现代的制造业中，三维信息的检测是必不可少的。目前现有的三维检测装置，很大一部分都是手工检测，效率比较低；另外在一些精密仪器制造业(如汽车、飞机)中，接触式测量仪器不容易安装，或由于接触被测物体表面会产生划痕等，所以基于光学的非接触式测量技术得到了长足的发展，该技术已经广泛应用于产品的设计制造、质量检测与控制、机器视觉等领域。现有基于光学的三维检测装置，大部分安装在生产线上，只能检测特定的部件，对于大型物体表面的微小特征信息检测束手无策。基于单线激光三维信息检测的方法，有很大的局限性。首先由于单线激光信息量比较少，因此操作方法比较局限，比如对台阶和接缝测量时，必须保证激光线垂直投射；其次，单线激光检测适用范围比较小，稳定性不高；第三，单线激光测量的精度不高。
发明内容
本发明针对目前三维检测装置在某些方面的不足，提出一种适用范围大、稳定性高、精度高的基于双线激光的三维信息检测方法。一种基于双线激光的三维信息检测方法，其特征在于包括以下步骤(1)、双线激光平面标定(1-1)、相机和激光器以及标定板成三角关系，其中固定第一激光器、第二激光器、 相机和标定板位置，利用相机采集一幅未投射激光束的标定板图像，并求取角点坐标；利用角点连接成若干平行的直线；(1-2)、打开第一激光器，投射激光线到标定板上，激光线在标定板上呈现粗线条， 利用相机采集标定板上的激光粗线的标定图像，并求激光粗线的中心线；求该中心线与角 ；^^ . ^^- 白勺 J^r ，(1-3)、关闭第一激光器，打开第二激光器，投射激光线到标定板上，激光线在标定板上呈现粗线条，利用相机采集标定板上的激光粗线的标定图像，并求激光粗线的中心线； 求该中心线与角点直线的交点；(1-4)、向前或向后移动标定板位置，然后重复上述步骤(1-1)至(1- 过程；(1-5)、至少再重复一次步骤(1-4)；(1-6)、通过步骤(1-1)至步骤(1- 获得的多个角点坐标，标定相机内部参数和外部参数；(1-7)、通过步骤(1-1)至步骤(1-5)获得的多个交点坐标，分别求取第一激光器和第二激光器的激光平面方程；
O)、物体三维信息检测(2-1)、保持第一激光器、第二激光器、相机的相对位置不变；相机和激光器以及物体成三角关系；利用第一激光器、第二激光器向物体投射两条激光线；激光线在物体上呈现粗线条，利用相机采集含有双线激光的物体图像，并求每条激光粗线的中心线；利用相机内部参数以及每个激光器的激光平面方程，重建三维数据。本发明的原理是根据激光三角法测量原理，通过投射双线激光到物体表面，分别标定每个激光平面，求其激光平面方程，采集到含有两条激光线的物体调制图像，通过求取激光线中心，并能区分每个激光线所在的激光平面，然后根据所对应的激光平面方程进行三维重建，检测物体的表面特征几何信息。在所述的三维信息检测中，需要区分出两个激光平面，与其对应的平面方程进行三维重建，并能精确找到需要的特征点进行三维信息检测。本发明中角点是指棋盘格标定板中的特征点，角点连接成的直线是每行角点相连接， 用最小二乘法拟合的一条直线，激光中心线上的各个点拟合一条直线，会与每行角点连接成的直线相交，形成交点。利用多个角点坐标标定相机内部参数和外部参数为成熟的现有技术，可采用如(PROGER Y.TSAI.A Versatile Camera Calibration Techniaue for High-Accuracy 3D Machine Vision Metrology Using Off-the-shelf TV Cameras and Lenses. IEEE JOURNAL OF ROBOTICS AND AUTOMATION, VOL. RA-3,N0. 4, AUGUST 1987)参考文献介绍的一种基于径向约束的两步法。本发明的优点在于1.由于采用两条激光线有更多的信息量，因此相对于单线激光测量具有更高的稳定性和精度。2.本发明的应用范围广。可以广泛应用于物体表面台阶高度和接缝宽度的测量， 可以测量汽车表面也可以测量飞机蒙皮表面的特征信息。3.可以手持式进行实时测量。本发明装置质量比较轻，结构简单，可以将激光器和相机等辅助设备器件封装在一个设备中，实现手持式测量，相比于其他的三维检测设备，具有轻便、易于操作的特点。4.相比于单线激光测量，本发明投射的激光线不需要垂直于接缝边缘，操作更加简单。所述步骤中相机与激光器以及物体成三角关系，其中相机光轴与激光平面的夹角为30° 60°时这个范围内时精度较高，测量效果较好。所述第一激光器、第二激光器为两个独立的一字线激光器；或为同一个能投射两条平行或相交激光线激光器。
图1双线激光投射原理示意图；图2相机标定和双线激光平面示意图；图3激光线界面灰度图；图4含有两条激光线的物体图像；图5提取激光中心线的图像；图6区分后的图像；
图7双线激光测量与单线激光测量对比图；图中标号名称1为第一激光器，2为第二激光器，3为第一激光平面，4为第二激光平面，5为相机，6为激光平面与角点连线的交点，7为标定板角点
具体实施方案下面对本发明结合
做进一步详细说明。(1)、双线激光投射模型原理如图1。第一激光器和第二激光器平行放置，垂直向被测物体表面投射激光光束。第一激光平面和第二激光平面投射到物体表面后，在物体表面就会形成两个激光光条。这两个光条都会因为物体表面深度的变化而受到调制。相机从另外一个位置采集含有两个激光光条的图像。然后通过相机内部参数和外部参数以及两个激光平面方程，最后能得到调制图像光条上的三维信息。(2)、双线激光平面标定。双线激光平面标定示意图如图2所示。根据相机模型和投影模型，数学模型如下
权利要求
1.一种基于双线激光的三维信息检测方法，其特征在于包括以下步骤(1)、双线激光平面标定(1-1)、相机和激光器以及标定板成三角关系，其中固定第一激光器、第二激光器、相机和标定板位置，利用相机采集一幅未投射激光束的标定板图像，并求取角点的坐标；利用角点连接成若干平行的直线；(1-2)、打开第一激光器，投射激光线到标定板上，激光线在标定板上呈现粗线条，利用相机采集标定板上的激光粗线的标定图像，并求激光粗线的中心线；求该中心线与角点直线的交点；(1-3)、关闭第一激光器，打开第二激光器，投射激光线到标定板上，激光线在标定板上呈现粗线条，利用相机采集标定板上的激光粗线的标定图像，并求激光粗线的中心线；求该中心线与角点直线的交点；(1-4)、向前或向后移动标定板位置，然后重复上述步骤(1-1)至(1-3)过程；(1-5)、至少再重复一次步骤(1-4)；(1-6)、通过步骤(1-1)至步骤(1-5)获得的多个角点坐标，标定相机内部参数和外部参数；(1-7)通过步骤(1-1)至步骤(1-5)获得的多个交点坐标，分别求取第一激光器和第二激光器的激光平面方程；(2)、物体三维信息检测(2-1)、保持第一激光器、第二激光器、相机的相对位置不变；相机和激光器以及物体成三角关系；利用第一激光器、第二激光器向物体投射两条激光线；激光线在物体上呈现粗线条，利用相机采集含有双线激光的物体图像，并求每条激光粗线的中心线；利用相机内部参数以及每个激光器的激光平面方程，重建三维数据。
2.根据权利要求1所述的基于双线激光的三维信息检测方法，其特征在于所述步骤(2-1)中相机与激光器以及物体成三角关系，其中相机光轴与激光平面的夹角为30° 60°。
3.根据权利要求1所述的基于双线激光的三维信息检测方法，其特征在于所述第一激光器、第二激光器为两个独立的一字线激光器；或为同一个能投射两条平行或相交激光线激光器。
全文摘要
一种基于双线激光的三维信息检测方法，属于三维测量技术领域。该方法采用两个激光器，分别求取第一激光器和第二激光器的激光平面方程。物体三维信息检测时利用相机采集含有双线激光的物体图像，并求每条激光粗线的中心线；利用相机内部参数以及每个激光器的激光平面方程，重建三维数据。本方法相对于单线激光测量方法，由于其信息量大，具体更高的稳定性、可靠性和准确性，同时操作要求简单，在物体表面三维信息检测方面具有重要的应用。
文档编号G01B11/14GK102297658SQ201110132660
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者崔海华, 廖文和, 戴宁, 田忠运, 程筱胜 申请人:南京航空航天大学