一种利用自由放置单圆柱目标的结构光标定方法

本发明涉及结构光测量，具体涉及一种基于scheimpflug相机成像的线结构光三维测量系统的相机与激光器位置关系的计算方法。

背景技术：

1、结构光测量系统主要包括相机，激光器以及配套的扫描运动装置，工作原理是激光器发出特定形状的激光，如一个光平面，与被测物体的表面相交，随着被测物体表面形状的不同，激光的形式也会发生对应的变化，通过相机拍摄到这些激光的图像，根据相机参数，相机与激光器相对位置，对图像进行三维求解，从而实现三维测量。

2、在结构光测量系统中，相机与激光器之间相对位置关系的确定是对物体三维位置的定解条件，线结构光系统的标定是保证测量精度的关键环节。在测量过程中，两者的位置关系的准确性直接影响了对物体三维测量的尺寸与形状的精度。

3、在实际应用中，大量的测量对象是曲面零件，但当前普遍的应用二维平面靶标进行标定，存在受到相机外部参数标定精度的制约，明暗条纹差异过大导致数据不稳定，不适于曲面零件测量的缺陷。

4、现有的技术通常直接利用相机标定环节的外部参数构建单应性矩阵，如段发阶提出的基于联合外参估计的标定方法，李伟明提出的利用单应性矩阵求解特征点，采用主成分分析的标定方法。这些方法都应用了带有特定黑白图案的平面靶标，由于颜色影响，导致光条的稳定性不足，通常会引入较强的噪声，并且针对平面靶标的标定难以确保对曲面检测的准确性，使得标定结果与测量结果都较差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种利用自由放置单圆柱靶标的线结构光系统标定方法，靶标均匀，图像稳定，减少了光条噪声引入的误差，提高了标定精度，并且标定过程是基于柱面模型，相比于二维平面靶标，可以提高测量系统对曲面对象的高精度测量能力，适用于一般的工业测量应用。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、器材：相机、线激光器，二维平面靶标和多个型号圆柱针规，其中圆柱针规不能过粗，需要相机能够同时拍摄到圆柱的两侧边缘线。标定过程包括以下步骤：

4、步骤s1：建立scheimpflug相机厚透镜测量模型：pc＝λkpu，其中pc＝(xc yc zc)t为物体空间坐标点，λ为一个配平因子，pu＝(xu yu 1)t为图像点的齐次坐标，

5、

6、为成像矩阵，f为相机焦距，e为相机主点距离，θ,为scheimpflug相机倾角，du,dv为像元尺寸，u0,v0相机光轴与ccd交点的像素坐标，z0为相机光轴与ccd交点的z坐标。建立线结构光测量模型pc＝λkpu,axc+byc+czc＝1，两式联立，可以消去配平因子λ，

7、(xc yc zc)t＝k(xu yu 1)t/(a b c)k(xu yu 1)t，其中a,b,c为光平面方程的系数。

8、步骤s2：建立光心与圆柱的相关关系其中ρi＝(ai bi ci di)t为光心到圆柱的两个切平面方程系数，li＝(ai bi ci)为圆柱成像的两个边缘直线系数。

9、光平面与圆柱相交，形成了一个三维椭圆弧，椭圆弧的短半轴与圆柱的半径相等，且椭圆弧各点在圆柱上，符合圆柱方程，同时符合光平面方程。

10、步骤s3：计算相机与圆柱的相对位置，根据几何关系，假设ρi的两个法向量夹角为钝角，则两个切平面夹角为光心到圆柱轴线的距离方向向量为则为圆柱轴线上一点，保留zc>0的解。轴线的方向向量为两个法向量外积

11、设保留解，则圆柱轴线为

12、步骤s4：假设以圆柱轴线为z轴,建立圆柱坐标系,r为圆柱半径,则圆柱可以表示为

13、圆柱坐标系与相机坐标系之间的符合刚体变换其中:

14、

15、是应用rodrigues算法获得的旋转矩阵，是坐标系之间的平移向量。

16、则该圆柱点与相机的转换关系为

17、

18、步骤s5：提取椭圆弧光条中心点，联立相机成像模型，圆柱与相机转换关系两个等式，约去λ，舍去远离相机光心一侧的解，得到多个实际光条点。设pi＝(xi yi zi)t为解得的第i个光条点,共n个光条点，排列所有光条点得到矩阵g＝(p1 p2…pn)t，则光平面系数(a b c)t＝(gtg)-1gt(1…1)t。

技术特征：

1.一种利用自由放置单圆柱目标的结构光标定方法，其特征在于：

2.根据权利1所述，本发明的测量方法包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种利用自由放置的单个圆柱靶标的线结构光系统标定方法，包括S1：基于Scheimpflug相机厚透镜成像模型的系统结构，建立了新的线结构光测量系统；S2：基于射影几何原理，建立了圆柱靶标，光平面与相机成像之间的成像模型；S3：结合线结构光测量系统的结构与圆柱靶标成像模型，根据几何关系建立圆柱靶标与相机之间的相对位置；S4：根据圆柱靶标与对应图像之间的相对关系，结合图像边缘提取，计算圆柱靶标与图像的转换关系；S5：根据图像光条点，计算各个实际光条与相机的相对位置，应用最小二乘法，求解最优的线结构光系统参数。该发明相比于现有技术中常用的平面靶标自由摆放，更适用于针对曲面的线结构光测量系统标定，提高对曲面的测量精度。

技术研发人员：崔继文,郭冬宇,谭久彬
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22