一种自动化三维激光扫描仪的校准方法

1.本发明属于校准方法技术领域，具体涉及一种自动化三维激光扫描仪的校准方法。


背景技术：

2.长久以来，对真实物体几何尺寸的精确测量主要依赖于游标卡尺、千分尺、角度尺等测量工具的接触式人工测量方式，这种测量方式无法测量形状不规则的物体表面且对于文物古迹等要求非接触的测量对象也存在技术瓶颈。随着相关学科的发展以及新技术新需求的驱动，三维扫描技术应运而生，该技术能够在不接触被测物体的情况下，根据采集到的物体表面信息计算出点云的空间分布，通过一系列的曲面重构方法在计算机中将点云数据整合成被测物体的三角网格模型，该项技术被广泛应用于工业设计领域的辅助制造与检验、医疗领域的手术定位与康复、游戏娱乐领域的实景建模与仿真以及考古领域的遗址保护与复原等。
3.随着工业自动化和智能化的推进，自动化三维检测需求越来越多，被测物体的尺寸与形状多种多样，这就要求自动化三维检测设备能够尽可能的适应不同物体的检测需求，目前，应用于测量领域的三维扫描设备主要包括基于光栅投影的拍照式三维扫描仪和基于多线激光的手持式三维扫描仪，其中，拍照式三维扫描仪用投影仪向被测物体表面连续投射多幅具有光学编码特性的明暗条纹，并用双目相机同步采集每幅明暗条纹在物体表面的反射光线，对所有采集图像进行统一的光学解码得到三维点云数据，该类设备在扫描时要求扫描仪与被测物体的位置相对固定，而且每次只能扫描固定区域大小的物体，当被测物体尺寸超出测量范围时，只能重新定制三维扫描仪；采用激光作为光源的手持式三维扫描仪需要在被测物体表面粘贴标志点，扫描步骤中，操作者手持扫描仪遍历被测物体表面获得完整的点云数据，由于该类设备需要在扫描之前粘贴标志点、扫描步骤需要人工参与，因此，只适用于扫描大型物体或者抽样检测，无法实现自动化。
4.视觉激光探测器结合导轨的自动化三维激光扫描仪能够满足自动化检测产业对检测设备兼容性的需求，对于不同尺寸的被测物体只需要改变导轨的运动行程即可。其中，检测精度是三维扫描仪最重要的指标，三维扫描仪的校准精度直接决定了检测精度，但自动化三维扫描仪通常安装在固定的环境中，校准的空间和操作都受到很大限制，不便于校准。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种自动化三维激光扫描仪的校准方法，在校准的空间和操作受限的情况下，无需将三维激光扫描仪从安装工位上取下，使用同一个校准板即实现了三维激光扫描仪校准，包括视觉激光探测器与运动轨迹的快速校准，实现了同一个校准板的多功能复用，降低了校准方法的复杂程度。
6.本发明实现上述目的采取的技术方案如下。
7.本发明的自动化三维激光扫描仪的校准方法，步骤如下：
8.步骤一、预先设定校准板在视觉激光探测器坐标系中的多个目标位姿；
9.步骤二、选择一个目标位姿，视觉激光探测器处于静止状态，操作者手持校准板向目标位姿移动，计算机屏幕上实时显示校准板在当前位姿的透视投影四边形，以及当校准板到达目标位姿的透视投影四边形，操作者利用计算机屏幕上的两个透视投影四边形作为提示信息，通过改变手中校准板的位姿，使计算机屏幕中表示校准板当前位姿的透视投影四边形与表示校准板目标位姿的透视投影四边形重合，重合后，计算机保存当前位姿下视觉激光探测器采集到的校准板的图像以及视觉激光探测器发射的激光线投射在校准板上的图像；
10.步骤三、重复执行步骤二，直到遍历步骤一中预先设定的所有目标位姿为止，利用保存的所有图像实现对视觉激光探测器的校准；
11.所述视觉激光探测器坐标系以视觉激光探测器的双目相机中心连线作为y轴，以视觉激光探测器的双目相机中心连线的中点作为原点，y轴与双目相机的入射光轴构成yoz坐标平面，z轴与双目相机的入射光同向，x轴垂直于yoz坐标平面，x轴、y轴和z轴的方向符合右手定则；
12.所述校准板为表面附有多个特征点的平板，特征点为能够被视觉激光探测器识别的点，校准板上的所有特征点在校准板坐标系中的坐标已知。
13.进一步的，所述校准板在当前位姿的透视投影四边形的获取方法，包括如下步骤：
14.1)识别并提取校准板上的特征点
15.视觉激光探测器的双目相机同步采集当前位姿校准板上的图像并传输到计算机中，计算机分别识别左、右视点图像中的所有特征点，并根据极线约束和三角测量原理，计算每个特征点在视觉激光探测器坐标系中的坐标；
16.2)计算当前位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵
17.利用同一组特征点在视觉激光探测器坐标系中的坐标以及在当前位姿校准板坐标系中的坐标，采用最小二乘法计算出当前位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵；
18.3)计算校准板的四个角的透视投影点
19.利用当前位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵，计算当前位姿校准板的四个角在视觉激光探测器坐标系中的坐标，在视觉激光探测器坐标系中建立透视投影模型，投影面为xoy平面，投射中心与校准板位于投影面的两侧，根据构建的透视投影模型，将当前位姿校准板的四个角在视觉激光探测器坐标系中的坐标投影到投影面上，得到四个投影点的二维坐标值，将该四个投影点依次相连即得到校准板在当前位姿的透视投影四边形。
20.更进一步的，所述步骤3)中，投射中心到投影面的距离设定为双目相机镜头焦距。
21.进一步的，所述校准板在目标位姿的透视投影四边形的获取方法，包括如下步骤：
22.1)计算目标位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵
23.利用同一组特征点在视觉激光探测器坐标系中的坐标以及在目标位姿校准板坐
标系中的坐标，采用最小二乘法计算出目标位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵；
24.2)计算校准板的四个角的透视投影点
25.利用目标位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵，计算目标位姿校准板的四个角在视觉激光探测器坐标系中的坐标，在视觉激光探测器坐标系中建立透视投影模型，投影面为xoy平面，投射中心与校准板位于投影面的两侧，根据构建的透视投影模型，将目标位姿校准板的四个角在视觉激光探测器坐标系中的坐标投影到投影面上，得到四个投影点的二维坐标值，将该四个投影点依次相连即得到校准板在目标位姿的透视投影四边形。
26.更进一步的，所述步骤2)中，投射中心到投影面的距离设定为双目相机镜头焦距。
27.进一步的，所述步骤二中，计算机按预设的顺序显示目标位姿，当上一个目标位姿的图像保存完成后，计算机屏幕将自动显示下一个目标位姿的透视投影四边形。
28.进一步的，所述步骤三中，利用保存的所有图像实现对视觉激光探测器的校准，包括如下步骤：
29.1)将保存的所有图像中的特征点在图像中的位置坐标提取出来，利用特征点在校准板坐标系中的坐标，采用张正友标定法获得双目相机镜头的等效焦距和双目相机镜头光轴在图像上的投影点坐标及双目相机镜头的畸变系数，采用双目标定法获得双目相机之间的旋转矩阵和平移矩阵；
30.2)将保存的所有图像中的激光线的位置坐标提取出来，采用双目标定法获得激光线的平面方程。
31.本发明的另一种自动化三维激光扫描仪的校准方法，包括以下步骤：
32.步骤一、将导轨调整到运动零位，将校准板正对视觉激光探测器，视觉激光探测器识别并提取校准板上的特征点，利用特征点计算校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵；
33.步骤二、保持校准板处于原来的静止状态，启动导轨，导轨带动视觉激光探测器沿直线方向运动，在视觉激光探测器的运动过程中，连续计算每一时刻视觉激光探测器的坐标系原点在校准板坐标系中的坐标，得到一组三维坐标数据；
34.步骤三、对三维坐标数据进行直线拟合得到直线方向矢量，利用之前计算得到的导轨位于运动零位时校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵，将方向矢量由校准板坐标系变换到导轨位于运动零位时的视觉激光探测器坐标系中，即得到视觉激光探测器的运动轨迹；
35.所述视觉激光探测器坐标系以视觉激光探测器的双目相机中心连线作为y轴，以视觉激光探测器的双目相机中心连线的中点作为原点，y轴与双目相机的入射光轴构成yoz坐标平面，z轴与双目相机的入射光同向，x轴垂直于yoz坐标平面，x轴、y轴和z轴的方向符合右手定则；
36.所述校准板为表面附有多个特征点的平板，所述特征点为能够被视觉激光探测器识别的点，校准板上的所有特征点在校准板坐标系中的坐标已知。
37.进一步的，所述自动化三维激光扫描仪包括视觉激光探测器、导轨、支撑结构、控制器和计算机组成；所述视觉激光探测器由双目相机和能够发射出一条激光线或多条平行
激光线的激光器组成，所述视觉激光探测器安装在导轨上，所述导轨安装在所述支撑结构上，导轨与探测器连接，所述计算机与控制器、视觉激光探测器均相连，计算机通过控制控制器控制导轨的启动、停止和复位，视觉激光探测器沿着导轨做直线运动，视觉激光探测器采集图像并传输至计算机中，计算机对采集的图像显示、保存和处理。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
39.本发明的自动化三维激光扫描仪的校准方法，操作者手持校准板即可完成视觉激光探测器的校准，且使用同一个校准板通过简单固定即可完成运行轨迹的校准。与采用固定装置的校准方法相比，本发明无需校准板的支撑结构，可以根据实际情况设置目标位姿，特别适合校准空间受限的工作环境；与手持扫描仪的校准方法相比，虽然手持扫描仪也可以实现操作者手持校准板进行校准，但是手持扫描仪是以校准板坐标系作为世界坐标系，计算机中的位姿提示与操作者的运动方向是镜像的，操作者很难根据提示信息到达目标位姿，本发明使用探测器坐标系作为世界坐标系，与操作者的主观方向完全相同，能够有效降低操作难度，使操作者快速实现对整个系统的校准。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施方式中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
41.图1为本发明中的自动化三维激光扫描仪及校准板示意图；
42.图2为本发明中的自动化三维激光扫描仪的视觉激光探测器示意图；
43.图3为本发明中的自动化三维激光扫描仪的校准方法中计算机屏幕上的校准板在当前位姿的透视投影四边形和目标位姿的透视投影四边形；
44.图4为本发明中的自动化三维激光扫描仪的校准方法中的校准板(粘贴有圆形特征点)的结构示意图；
45.图5为本发明中的自动化三维激光扫描仪的校准方法中视觉激光探测器的双目相机采集到的校准板图像；
46.图6为本发明中的自动化三维激光扫描仪的校准方法中视觉激光探测器的双目相机采集到的含有激光线的校准板图像；
47.图中：1、视觉激光探测器，1-1、双目相机，1-2、激光器，2、导轨，3、支撑结构，4、控制器，5、计算机，6、校准板，7、激光线，8、校准板在当前位姿的透视投影四边形，9、校准板在目标位姿的透视投影四边形。
具体实施方式
48.为了进一步理解本发明，下面对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
49.本发明的自动化三维激光扫描仪的校准方法，所针对的自动化三维激光扫描仪的结构没有特殊限制，含有本发明的校准方法中使用的部件的自动化三维激光扫描仪均适用于本发明的校准方法。本实施方式中，采用自动化三维激光扫描仪为现有技术，结构如图1
和图2所示，主要由视觉激光探测器1、导轨2、支撑结构3、控制器4和计算机5组成；其中视觉激光探测器1由双目相机1-1和能够发射出一条激光线或多条平行激光线的激光器1-2组成，视觉激光探测器1安装在导轨2上，导轨2安装在所述支撑结构3上，导轨2与控制器4连接，计算机5与控制器4、视觉激光探测器1均相连，计算机5通过控制控制器4控制导轨2的启动、停止和复位，视觉激光探测器1沿在导轨2做直线运动，视觉激光探测器1采集图像并传输至计算机5中，计算机5对采集的图像显示、保存和处理。
50.本发明的自动化三维激光扫描仪的校准方法适用于视觉激光探测器1的校准与激光探测器1的运动轨迹的校准。
51.如图3、图5和图6所示，对于视觉激光探测器1的校准，本发明的自动化三维激光扫描仪的校准方法，步骤如下：
52.步骤一、预先设定校准板6在视觉激光探测器1坐标系中的多个目标位姿(目标位姿要均匀分布在视觉激光探测器的测量区域内)；
53.步骤二、校准时，选择一个目标位姿，视觉激光探测器1处于静止状态，操作者手持校准板6向目标位姿移动，计算机5屏幕上实时显示校准板6在当前位姿的透视投影四边形8，以及当校准板6到达目标位姿的透视投影四边形9，操作者利用计算机5屏幕上的两个透视投影四边形作为提示信息，通过改变手中校准板6的位姿，使计算机5屏幕中表示校准板6当前位姿的透视投影四边形8与表示校准板6目标位姿的透视投影四边形9重合，重合后，计算机5保存当前位姿下视觉激光探测器1采集到的校准板6的图像以及视觉激光探测器1发射的激光线投射在校准板6上的图像，当上一个目标位姿的图像保存完成后，计算机5屏幕将自动显示下一个目标位姿的透视投影四边形9；
54.步骤三、重复执行步骤二，直到遍历步骤一中预先设定的所有目标位姿为止；
55.步骤四、将保存的所有图像中的特征点在图像中的位置坐标提取出来，利用特征点在校准板6坐标系中的坐标，采用张正友标定法获得双目相机1-1镜头的等效焦距和双目相机1-1镜头光轴在图像上的投影点坐标及双目相机1-1镜头的畸变系数，采用双目标定法获得双目相机1-1之间的旋转矩阵和平移矩阵；
56.步骤五、将保存的所有图像中的激光线7的位置坐标提取出来，采用双目标定法获得激光线7的平面方程。
57.对于视觉激光探测器1的运动轨迹校准，本发明的自动化三维激光扫描仪的校准方法，包括以下步骤：
58.步骤一、将导轨2调整到运动零位，将校准板6正对视觉激光探测器1，视觉激光探测器1识别并提取校准板6上的特征点，利用特征点计算校准板6坐标系与视觉激光探测器1坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵；
59.步骤二、保持校准板6处于原来的静止状态，启动导轨2，导轨2带动视觉激光探测器1沿直线方向运动，在视觉激光探测器1的运动过程中，连续计算每一时刻视觉激光探测器1的坐标系原点在校准板6坐标系中的坐标，得到一组三维坐标数据；
60.步骤三、对三维坐标数据进行直线拟合得到直线方向矢量，利用之前计算得到的导轨2位于运动零位时校准板6坐标系与视觉激光探测器1坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵，将方向矢量由校准板6坐标系变换到导轨2位于运动零位时的视觉激光探测器1坐标系中，即得到视觉激光探测器1的运动轨迹。
61.上述技术方案中，视觉激光探测器1坐标系以视觉激光探测器1的双目相机1-1中心连线作为y轴，以视觉激光探测器1的双目相机1-1中心连线的中点作为原点，y轴与双目相机1-1的入射光轴构成yoz坐标平面，z轴与双目相机1-1的入射光同向，x轴垂直于yoz坐标平面，x轴、y轴和z轴的方向符合右手定则；
62.上述技术方案中，如图4所示，校准板6为表面附有多个特征点的平板，特征点为能够被视觉激光探测器1识别的点，校准板6上的所有特征点在校准板6坐标系中的坐标已知。
63.上述技术方案中，校准板6在当前位姿的透视投影四边形8的获取方法，包括如下步骤：
64.1)识别并提取校准板6上的特征点
65.视觉激光探测器1的双目相机1-1同步采集当前位姿校准板6上的图像并传输到计算机5中，计算机5分别识别左、右视点图像中的所有特征点，并根据极线约束和三角测量原理，计算每个特征点在视觉激光探测器1坐标系中的坐标；
66.2)计算当前位姿校准板6坐标系与视觉激光探测器1坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵
67.利用同一组特征点在视觉激光探测器1坐标系中的坐标以及在当前位姿校准板6坐标系中的坐标，采用最小二乘法计算出当前位姿校准板6坐标系与视觉激光探测器1坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵；
68.3)计算校准板的四个角的透视投影点
69.利用当前位姿校准板6坐标系与视觉激光探测器1坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵，计算当前位姿校准板6的四个角在视觉激光探测器1坐标系中的坐标，在视觉激光探测器1坐标系中建立透视投影模型，投影面为xoy平面，投射中心与校准板6位于投影面的两侧，投射中心到投影面的距离设定为双目相机1-1镜头焦距(也可以根据显示需要设定为其它值，该值只会影响透视投影四边形的整体缩放比例，不会对本发明的使用效果产生影响)，根据构建的透视投影模型，将当前位姿校准板6的四个角在视觉激光探测器1坐标系中的坐标投影到投影面上，得到四个投影点的二维坐标值，将该四个投影点依次相连即得到校准板6在当前位姿的透视投影四边形8。
70.上述技术方案中，校准板6在目标位姿的透视投影四边形9的获取方法包括如下步骤：
71.1)计算目标位姿校准板6坐标系与视觉激光探测器1坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵
72.利用同一组特征点在视觉激光探测器1坐标系中的坐标以及在目标位姿校准板6坐标系中的坐标，采用最小二乘法计算出目标位姿校准板6坐标系与视觉激光探测器1坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵；
73.2)计算校准板的四个角的透视投影点
74.利用目标位姿校准板6坐标系与视觉激光探测器1坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵，计算目标位姿校准板6的四个角在视觉激光探测器1坐标系中的坐标，在视觉激光探测器1坐标系中建立透视投影模型，投影面为xoy平面，投射中心与校准板6位于投影面的两侧，投射中心到投影面的距离与计算当前位姿校准板的四个角的透视投影点时投射中心到投影面的距离相等，根据构建的透视投影模型，将目标位姿校准板6的四个角在视觉激光探
测器1坐标系中的坐标投影到投影面上，得到四个投影点的二维坐标值，将该四个投影点依次相连即得到校准板6在目标位姿的透视投影四边形9。
75.显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。