结构光三角测量自动标定系统及标定方法
【专利摘要】本发明公开了一种结构光三角测量自动标定系统及标定方法，包括处理器单元、控制系统、测量系统、运动系统以及供电系统，标定方法包括步骤：设一根长度覆盖相机横向量程的标定型材作为被测物，线结构光照射在标定型材表面；电动升降机构使所述标定型材垂直移动；相机以一定频率拍摄标定型材表面，获取线结构光上某光点的像方坐标，同时通过多个测距机测量标定型材上该光点的物方坐标；建立像方坐标与物方坐标的映射关系；依此对相机靶面上的全部像素点进行标定。本发明的标定精度为分辨率达0.02mm，有效避免了人工误差造成的精度影响。采用电动升降机构升降以及测距机测量，全自动完成运动及测量过程，标定效率显著提高。
【专利说明】
结构光三角测量自动标定系统及标定方法
技术领域
[0001]本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及到结构光三角测量的标定系统及标定方法。
【背景技术】
[0002]如何快速、准确、有效地获取空间三维信息，是国内外学者深入研究的前沿课题。随着信息技术研究的深入及智慧城市、虚拟现实等概念的出现，尤其在当今以计算机技术为依托的信息时代，人们对空间三维信息的需求更加迫切。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足未来应用的需求，如何快速、有效地将现实世界三维信息高精度获取、建模分析及存储成为解决这一问题的瓶颈。
[0003]三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。由于激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，将其引入测量装置中，在精度、速度、易操作性等方面均表现出巨大的优势，它的出现引发了现代测量技术的一场革命，许多高技术公司、研究机构将研究方向和重点转移到激光测量装置研究中。随着激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术和传感器等技术发展和应用需求推动，激光测量技术也由点对点的激光测距，发展到采用非接触主动测量，快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标的三维激光扫描测量技术。随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便和抗干扰能力等性能方面的提升及价格方面的逐步下降，其在测绘领域成为研究的热点，扫描对象不断扩大，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间且使用方便。
[0004]三维激光扫描测量技术按照测量方式可分为基于脉冲式、基于相位差、基于三角测量原理三种类型。脉冲法(包括飞行时间法)由激光发生源发射一个激光脉冲，当激光脉冲遇到物体时反射到发生源，测量激光发射时刻到接收时刻之间的时间间隔，再通过已知的光速，即可以计算出起点到目标距离。脉冲法通常用于远距离大量程测量，测量距离从几百米到几公里，测量精度通常在厘米-分米，测量时间短。相位法由发射源发射连续脉冲波，通过计算发射波和接收波间相位差，从而计算距离。相位法通常用于中距离测量，测量距离从几十厘米到几十米，测量精度通常可达毫米，测量时间比较长。
[0005]激光三角测量的基本原理如图1所示，激光器光束投射方向与相机拍摄方向成一定夹角α，激光器产生的光束投射到被测物体的表面上形成一光点，光点的一部分散射光(含反射光)通过透镜成像到相机CCD上。如果被测物体沿激光束方向发生位置移动A，那么相机CCD上的像点也会随之移动B，通过像点的移动距离B可以检测出被测物体表面的移动距离A。三角法通常用于近距离测量，测量距离通常在几十毫米到几米，测量精度可以达到微米级，测量时间非常短。
[0006]利用激光三角测量系统进行三维测量，必须知道如何通过已知的像点的移动距离B，得出被测物体表面的移动距离A，即需要知道被测点坐标与对应像素点坐标的关系，而求解这个对应关系的过程就是激光三角测量系统标定的过程。
[0007]激光属于结构光的一种。结构光三角测量系统标定的方法分为标准模板法和直接像素点标定法，标准模板法是通过相机拍摄标准模板上三维坐标已知的被测点，将相机像素点坐标系和被测点基准坐标系联系起来，然后通过计算求得两个坐标系间的变换方程，通过变换方程就可以由像素点坐标计算实际被测物坐标。因为变换方程是通过三维坐标已知的被测点计算得出，所以三维坐标已知的被测点越多、被测点实际坐标越准确，最终得到的变换方程越准确，即标定精度越高。但实际应用中提高被测点坐标精度比较难以实现，同时增加被测点数量会带来很大的计算量，所以实际应用中在有限的被测点数下标准模板法标定精度不尚。
[0008]直接像素点标定法是相机拍摄一根长度覆盖相机横向量程的型材，通过增减已知厚度的量块来实现被测物高度变化(即已知被测物坐标)，然后拍摄一系列已知坐标的不同高度的被测物，并将这一系列被测物坐标与其对应的像素点坐标--对应，其他未被对应到的像素点通过线性插值得到坐标。最终可以得到像素点坐标与被测物空间坐标之间的关系表，实际工程应用时直接查关系表得到像素点对应的实际物方坐标，进而可以通过像素点坐标得出被测物表面轮廓信息。
[0009]所以直接像素点标定法标定精度受直接标定像素点数量以及被测物坐标精度影响。因为标定使用的已知厚度的量块自身加工精度有限，致使实际被测物坐标准确性有限；另一方面因为采用人工标定方式，考虑人工成本，实际应用中直接对应到的像素点数量有限，其他未被对应到的像素点只能通过线性插值得到，所以以往直接像素点标定法标定精度也不高，人工误差易造成影响。
【发明内容】
[0010]本发明所要解决的技术问题是提供一种结构光三角测量自动标定系统及标定方法，以克服现有标定方案存在的标定精度低、人工误差大以及标定效率低的缺陷。
[0011]为解决上述技术问题，本发明提供的结构光三角测量自动标定系统，包括处理器单元、控制系统、测量系统、运动系统以及供电系统，其中，
[0012]所述处理器单元，主要用于为数据的存储、计算；
[0013]所述控制系统，用于控制测量系统和运动系统工作；
[0014]所述测量系统主要包括相机、结构光光源、测距机、数据采集卡以及标定型材，所述标定型材的长度覆盖所述相机的横向量程，所述相机、结构光光源成三角测量位置关系，所述数据采集卡用于读取测距机的值；
[0015]所述运动系统为电动升降机构，所述电动升降机构固定连接所述标定型材，用于带动所述标定型材相对所述结构光光源的光束方向升降，所述测距机用于测量所述标定型材的高程；
[0016]所述供电系统，为所述处理器单元、控制系统、测量系统、运动系统提供电源。
[0017]所述电动升降机构的数量为两个，分别安装在所述标定型材的两端。
[0018]本发明同时提供了结构光三角测量自动标定系统的标定方法，包括以下步骤:
[0019]设一根长度覆盖相机横向量程的标定型材作为被测物，结构光光源发出的线结构光照射在所述标定型材表面;通过电动升降机构使所述标定型材垂直缓慢移动;每隔一定时间间隔，相机拍摄所述标定型材表面，获取所述线结构光上某光点的像方坐标，同时通过测距机测量所述标定型材上该光点的物方坐标；建立所述像方坐标与物方坐标的映射关系，即建立相机靶面上的某个像素点的标定;依此原理，对相机靶面上的全部像素点进行标定。
[0020]优选的，所述相机每隔一定时间间隔是指，所述标定型材用该时间间隔垂直移动一定步长，该一定步长在相机靶面上的对应位移小于或等于一个相机像素点高度。
[0021]优选的，所述相机与激光测距机同时连接控制器，所述控制器产生同步触发信号，同步触发信号分成两路，其中一路连接所述相机，触发相机拍摄标定型材上的光点；另外一路连接工控机中的数据采集卡，触发数据采集卡读取当前时间的测距机实时测量的标定型材上该光点的高程，即该光点的物方坐标；
[0022]有益效果:本发明结构光三角测量自动标定方法，在标定精度上，一方面采用测距机实时测量被测物高程，确保被测物高程值的准确性;另一方面采用全像素点标定的模式，避免了计算误差的影响。同时，由于采用电动升降机构来实现被测物的高程变化，变化分辨率可达0.02mm，确保被测物高程值的准确性，也有助于提高标定精度。
[0023]在人工误差上，采用电动升降机构实现被测物高程变化，无需人工干预，有效避免了人工误差造成的精度影响。
[0024]在标定效率上，采用电动升降机构升降以及测距机测量，全自动完成运动及测量过程，标定效率显著提尚。
[0025]所以本发明在节省人力资源的前提下，提升了标定效率，提高了标定精度。
【附图说明】
[0026]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步具体说明。
[0027]图1为激光三角测量原理图。
[0028]图2为本发明的结构光三角测量装置的组成原理框图。
[0029]图3为本发明一种【具体实施方式】的测量安装示意图。
[0030]图4为本发明的结构光三角测量标定的工作逻辑图。
[0031]图5为本发明的结构光三角测量标定的具体工作流程图。
【具体实施方式】
[0032]本发明处理器单元、控制系统、测量系统、运动系统以及供电系统，其中，处理器单元，主要用于为数据的存储、计算;控制系统，用于控制测量系统和运动系统工作;测量系统主要包括相机、结构光光源、测距机、数据采集卡以及标定型材，标定型材的长度覆盖所述相机的横向量程，相机、结构光光源成三角测量位置关系，数据采集卡用于读取测距机的值;运动系统为电动升降机构，电动升降机构固定连接所述标定型材，用于带动所述标定型材相对所述结构光光源的光束方向升降，所述测距机用于测量所述标定型材的高程；
[0033]供电系统为外接电源，为处理器单元、控制系统、测量系统、运动系统提供电源。
[0034]结合图2所示，工控机主要为系统提供操作平台及存储计算设备;控制系统主要由控制器组成，控制测量系统和运动系统工作；测量系统主要分为采集软件、相机、结构光光源以及测距机。
[0035]图3为本发明【具体实施方式】的测量安装示意图，具体为:1.工控机一台；2.控制器一台；3.测距机三台；4.相机一台；5.结构光光源一台；6.电动升降机构两个;7.标定型材(即被测物)一个。其中工控机集成了处理器单元和数据采集卡。
[0036]被测物为一根长度覆盖相机4横向量程的铝合金标定型材7，通过控制器2控制电动升降机构6使标定型材7垂直缓慢上升，标定型材7高程值通过测距机3实时测量，相机4每隔固定步长(如0.1mm，对应一个像素点高度)拍摄标定型材7光滑表面获取结构光光源5结构光线所处位置物方坐标，工控机I利用控制器2的同步信号对相机4和测距机3同步，将获取到的物方坐标对应到相机4靶面上的像素点即完成该像素点标定，如此反复直至将相机4靶面所有像素点标定完成。
[0037]图4为本发明工作逻辑图，其中供电部分未显示。工控机I通过软件给控制器2发控制命令，然后控制器2控制升降机构6运动，连带标定型材7也随之运动。同时控制器2还产生同步触发信号，同步触发信号分成两路，其中一路连接相机4，触发相机4拍摄标定型材7;另外一路连接工控机I中的数据采集卡，触发数据采集卡读取当前时间的测距机3值。相机4拍摄的图片通过数据线传输回工控机1，测距机3和相机4直接测量电动升降机构6上的标定型材7表面获取数据。
[0038]本发明结构光三角测量自动标定方法流程如图5流程图所示。
[0039](I)准备工作
[0040]将两个电动升降机构6安放平稳，并调节各自水平，确保电动升降机构6在竖直面升降。将一根长度覆盖相机横向量程的标定型材7固定在两个电动升降机构6上，将相机4固定并确保其能拍摄到标定型材7表面，结构光光源发出的线结构光照射在所述标定型材表面。
[0041 ] (2)确定测距机3位置
[0042]将测距机3固定在标定型材7旁边，使测距机3测量自身到标定型材7表面距离。调节测距机3高度，使标定型材7在标定高程范围内不超过测距机3测量量程。
[0043](3)确定测距机3的物方坐标
[0044]实际标定时通过读取的测距机3值可以直接得到当前标定型材7表面所有点的物方坐标。
[0045](4)开始采集
[0046]两个电动升降机构6同步缓慢上升，测距机3高频率测量，相机4以一定频率拍摄。相机4通过控制器2发出的触发信号来拍摄，同时该信号分出一路给测距机3的数据采集卡，使数据采集卡提取此刻的测距机3值。
[0047](5)匹配数据
[0048]每隔一定时间间隔，相机拍摄标定型材表面，获取线结构光上某光点的像方坐标，同时通过测距机测量标定型材上该光点的物方坐标;实时匹配标定型材7物方坐标和相机4拍摄到的断面信息，即可把标定型材7物方坐标赋值到相机4像素表对应的像素点上，被赋值的像素点即完成取值过程。每隔一定时间间隔是指，标定型材用该时间间隔垂直移动一定步长，该一定步长在相机靶面上的对应位移小于或等于一个相机像素点高度。因次，相机4每个像素点的对应的结构光点采集数据至少有一个或者多个。
[0049](6)改变采集频率
[0050]通过设置控制器2参数让电动升降机构6上升一定行程后下降，下降速度同上升速度一致，同时相机4和测距机3同步取值。下降完成后再往复上升下降，此时两个电动升降机构6以不同速度升降，其各自速度都无序变化，并且相机拍摄频率也随之改变，以此来保证尽可能多的结构光点被拍摄到。
[0051](7)结束采集
[0052]当某个像素点取值完成后，该像素点不再取值;当发现有不符合规律的异常值时，便认为该标定值不可靠，该像素点需要重新取值标定；当所有像素点取值完成后系统停止采集、电动升降机构6也停止运行。
[0053](8)数据处理
[0054]结束采集后，将每个像素点的多组值取平均值后作为该点标定值，最终即可得到相机4每个像素点对应的物方坐标，测量系统标定完成。
[0055]可以看到，本发明的突出特点在于:
[0056]标定方法:全自动标定方法。利用电动升降机构6实现被测物高程连续不间断自动变化，利用测距机3实时测量被测物表面准确高程值，相机4以一定频率拍摄被测物并匹配测距机高程值，利用测距机3高程值可以计算被测物物方坐标，最终将被测物物方坐标与拍摄到的相机4的像方坐标对应赋值，达到像素点标定。
[0057]标定模式:全像素标定。利用电动升降机构6实现被测物高程变化，相机4以一定频率拍摄被测物，电动升降机构6升降速度和相机4拍摄频率可确保相机4拍摄被测物的高程分辨率小于相机4 一个像素点对应的高程值，进而可以确保相机4靶面所有像素点都可以直接被赋值标定，即达到全像素标定，避免像素点通过插值计算得出标定值从而带来标定误差。
[0058]最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种结构光三角测量自动标定系统，其特征在于，包括处理器单元、控制系统、测量系统、运动系统以及供电系统，其中， 所述处理器单元，主要用于为数据的存储、计算； 所述控制系统，用于控制测量系统和运动系统工作； 所述测量系统主要包括相机、结构光光源、测距机、数据采集卡以及标定型材，所述标定型材的长度覆盖所述相机的横向量程，所述相机、结构光光源成三角测量位置关系，所述数据采集卡用于读取测距机的值； 所述运动系统为电动升降机构，所述电动升降机构固定连接所述标定型材，用于带动所述标定型材相对所述结构光光源的光束方向升降，所述测距机用于测量所述标定型材的高程； 所述供电系统，为所述处理器单元、控制系统、测量系统、运动系统提供电源。2.根据权利要求1所述的结构光三角测量自动标定系统，其特征在于，所述电动升降机构的数量为两个，分别安装在所述标定型材的两端。3.—种权利要求1所述的结构光三角测量自动标定系统的标定方法，其特征在于，包括以下步骤: 设一根长度覆盖相机横向量程的标定型材作为被测物，结构光光源发出的线结构光照射在所述标定型材表面； 通过电动升降机构使所述标定型材垂直以设定的速度移动； 相机以一定频率拍摄所述标定型材表面，获取所述线结构光上某光点的像方坐标，同时通过测距机测量所述标定型材上该光点的物方坐标； 建立所述像方坐标与物方坐标的映射关系，即建立相机靶面上的某个像素点的标定； 依此原理，对相机靶面上的全部像素点进行标定。4.根据权利要求3所述的结构光三角测量自动标定系统的标定方法，其特征在于，所述相机每隔一定时间间隔是指，所述标定型材用该时间间隔垂直移动一定步长，该一定步长在相机靶面上的对应位移小于或等于一个相机像素点高度。5.根据权利要求4所述的结构光三角测量自动标定系统的标定方法，其特征在于， 所述相机与激光测距机同时连接控制器，所述控制器产生同步触发信号，同步触发信号分成两路，其中一路连接所述相机，触发相机拍摄标定型材上的光点；另外一路连接工控机中的数据采集卡，触发数据采集卡读取当前时间的测距机实时测量的标定型材上该光点的高程，即该光点的物方坐标。
【文档编号】G01B11/00GK106017312SQ201610164443
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】李清泉, 张德津, 曹民, 王新林, 孙小进
【申请人】武汉武大卓越科技有限责任公司