一种基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定方法，包括：采用自由移动的平行双圆柱靶标，将靶标在合适位置摆放至少1次，线结构光视觉传感器拍摄靶标上的激光光条图像；提取光条图像中心点，拟合图像中光条的椭圆图像；基于透视投影变换建立两个空间椭圆与其图像之间对应方程；以椭圆短轴与圆柱直径相同为约束条件，求解光平面方程；通过非线性优化方法得到光平面方程的最优解；本发明专利技术适合在现场复杂光线环境，甚至在摄像机带有滤光片的情况下完成线结构视觉传感器标定；尤其适合在狭窄空间，或不同角度多个线结构光视觉传感器的现场快速高精度标定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定方法
本专利技术涉及传感器标定技术，具体涉及一种基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定方法。
技术介绍
结构光三维视觉测量以其大量程、非接触、快速、较高精度等特点，近年来在工业环境中得到了广泛的应用。线结构光法和光栅结构光法采用激光器和摄像机结合构建三维视觉传感器，适合复杂环境的物体三维形貌测量。线结构光视觉传感器标定过程都包括摄像机内部参数标定和光平面参数标定两个方面。关于摄像机内部参数标定的文献很多，因此重点讨论光平面参数标定过程。关于光平面参数的标定方法有许多方法。如Dewar的“拉丝法”，配合双经纬测量在细丝上光点的三维坐标，在通过拟合多个光点确定光平面方程。现在标定方法多采用自由移动的三维、二维、一维或球靶标完成光平面标定。其中，采用三维靶标的标定方法，通过靶标上已知精确坐标的至少三个共线点，利用交比不变性获得结构光光条与该已知三点所在直线的交点的坐标，从而获得较高精度的光平面标定点；采用平面靶标的标定方法，可以通过交比不变性获得平面靶标上的光平面标定点，经过多次移动平面靶标获得大量光平面标定点，通过拟合光平面标定点获得光平面方程；采用一维靶标的标定方法，通过一维靶标特征点之间的距离约束求解出光平面与一维靶标交点的三维坐标，经过拟合多个交点的三维坐标求解光平面方程；还有基于球靶标的标定方法，通过球轮廓信息和光条轮廓信息求解出光平面方程。但是，现有主要的线结构光视觉传感器标定方法都需要结合靶标上特征点与光条图像信息来计算光平面方程。由于激光器功率比较强，很难同时将靶标上特征点和光条图像信息拍摄清晰，尤其在现场光线强弱不均等复杂光线环境下更难同时获得清晰图像。尤其是摄像机配有滤光片时，甚至无法拍摄到靶标的特征点图像。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定方法，能够在现场复杂光线环境的情况下实现快速高精度标定。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定方法，该方法包括：a、对线结构光视觉传感器中的摄像机进行标定，将平行双圆柱靶标在合适位置摆放1次，拍摄靶标上的激光光条图像；提取光条图像中心点，拟合图像中光条的椭圆图像；b、基于透视投影变换建立两个空间椭圆与其图像之间对应方程；以椭圆短轴与双圆柱靶标直径相同为约束条件，求解光平面方程；c、将靶标在合适位置摆放多次，通过非线性优化方法得到光平面方程的最优解。步骤a中提取光条图像中心点，拟合光条图像中光条的椭圆图像的实现步骤如下：(1)提取拍摄光条图像中所有光条中心的图像坐标，通过图像畸变校正方法，得到图像中所有光条中心的无畸变图像坐标；(2)利用两条光条的无畸变图像坐标，拟合光条的椭圆图像。步骤b中基于透视投影变换建立两个空间椭圆与两个椭圆图像之间对应方程具体如下：(1)由拟合椭圆图像可以求得两个椭圆图像的参数矩阵；(2)由双圆柱靶标的几何参数设定空间椭圆的参数矩阵；(3)根据摄像机透视投影变换建立两个椭圆图像的参数矩阵和空间椭圆的参数矩阵的关系。步骤b中以椭圆短轴与直径相同为约束条件，求解光平面方程过程为：(1)把椭圆短轴与直径相同为约束条件代入步骤b中建立的两个空间椭圆与图像椭圆之间的对应方程；(2)结合透视投影变换中旋转矩阵的性质求解出空间椭圆坐标系与图像椭圆坐标系之间的旋转矩阵及平移矢量；(3)根据旋转矩阵及平移矢量求解光平面方程。步骤c中通过非线性优化方法得到光平面方程的最优解，采用Levenberg-Marquardt非线性优化方法求解旋转矩阵和平移向量在最大似然准则下的最优解。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术提出一种采用可以自由移动双平行圆柱靶标实现线结构视觉传感器标定的新方法，仅需将双平行圆柱靶标摆放一次，通过光条图像信息实现线结构视觉传感器标定。该方法只需把靶标自由摆放一次，在不需要辅助设备的条件下，仅依靠照射在靶标上的光条图像信息，就可以实现线结构视觉传感器标定，适合在现场复杂光线环境，甚至在摄像机带有滤光片的情况下完成线结构视觉传感器标定。由于圆柱靶标易于加工且可以达到高精度，同时因圆柱靶标的形状特性，所以本专利技术尤其适合在狭窄空间，或不同角度多个线结构光视觉传感器的现场快速高精度标定。附图说明图1为本专利技术基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定方法流程图；图2为线结构光视觉传感标定示意图；图3为实施例中线结构光视觉传感标定实物图；图4为线结构光视觉传感器的摄像机拍摄的靶标图像。具体实施方式本专利技术的基本思想是：基于透视投影变换建立两个空间椭圆与其图像之间对应方程，以椭圆短轴与圆柱直径相同为约束条件，求解出光平面方程，即实现线结构光视觉传感器的标定。下面结合具体实施例及由一个摄像机和一个线激光器组成的线结构光视觉传感器为例，对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，本专利技术基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定方法主要包括以下步骤：步骤11：对线结构光视觉传感器中的摄像机进行标定。这里，对视觉传感器的摄像机进行标定即求解摄像机的内部参数，具体求解方法在张正友的文章“Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[R].MicrosoftCorporation，NSR-TR-98-71，1998”中有详细描述。步骤12：将可以自由移动的平行双圆柱靶标在线结构光视觉传感器前摆放至少1次，使得线激光器投射的光平面和两个圆柱相切，且摄像机能拍摄到两个图像光条。线结构光视觉传感器拍摄靶标上的光条图像。这里，线结构光视觉传感器由一个摄像机和一个线激光器组成，图2为实施例中线结构光视觉传感器示意图。其中，Q1和Q2表示光平面和靶标相切确定的两个空间椭圆；C1和C2表示两个空间椭圆Q1和Q2在图像平面上的像；Ow1xw1yw1zw1为以Q1的长轴为y轴，短轴为的x轴，圆心为空间椭圆中心建立的Q1坐标系，Ow2xw2yw2zw2为以Q2的长轴为y轴，短轴为的x轴，圆心为空间椭圆中心建立的Q2坐标系；Ocxcyczc表示摄像机坐标系。步骤13：提取光条图像中心点，拟合图像中光条的椭圆图像。这里，具体包括以下步骤：步骤131：提取拍摄光条图像中所有光条中心的图像坐标，通过图像畸变校正方法，得到图像中所有光条中心的无畸变图像坐标。具体提取光条中心方法采用Steger所述的“Anunbiaseddetectorofcurvilinearstructures”方法，校正方法在张广军编著的“张广军.机器视觉:科学出版社”中有详细描述。以下所述光条中心的图像坐标均为经过畸变校正后的无畸变图像坐标。步骤132：对提取的两条光条图像中心点，通过椭圆拟合确定C1和C2，具体椭圆拟合方法可采用A.W.Fitzgibbon所述的“DirectLeastSquaresFittingofEllipses”方法。步骤14：基于透视投影变换建立两个空间椭圆与其图像之间的对应方程。这里，将Q1的长轴定为Ow1xw1yw1zw1的y轴，短轴定为的x轴，圆心定为空间椭圆中心，类似方法可以获得Q2的坐标系Ow2xw2yw2zw2。通过分析光平面与双平行圆柱相切的空间几何关系可以得：两个空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定方法，其特征在于实现步骤如下：a、对线结构光视觉传感器中的摄像机进行标定，将平行双圆柱靶标在合适位置摆放1次，使得线激光器投射的光平面和两个圆柱相切，且摄像机能拍摄到两个图像光条；拍摄所述平行双圆柱靶标上的激光光条图像，提取光条图像中心点，拟合光条图像中光条的椭圆图像；b、基于透视投影变换建立两个空间椭圆与两个椭圆图像之间对应方程；以椭圆短轴与平行双圆柱靶标直径相同为约束条件，求解光平面方程；c、将靶标在线结构光视觉传感器前摆放多次，通过非线性优化方法得到光平面方程的最优解。

【技术特征摘要】
1.一种基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定方法，其特征在于实现步骤如下：a、对线结构光视觉传感器中的摄像机进行标定，将平行双圆柱靶标在合适位置摆放1次，使得线激光器投射的光平面和两个圆柱相切，且摄像机能拍摄到两个图像光条；拍摄所述平行双圆柱靶标上的激光光条图像，提取光条图像中心点，拟合光条图像中光条的椭圆图像；b、基于透视投影变换建立两个空间椭圆与两个椭圆图像之间对应方程；以椭圆短轴与平行双圆柱靶标直径相同为约束条件，求解光平面方程；c、将靶标在线结构光视觉传感器前摆放多次，通过非线性优化方法得到光平面方程的最优解。2.根据权利要求1所述的基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定方法，其特征在于：步骤a中提取光条图像中心点，拟合光条图像中光条的椭圆图像的实现步骤如下：(1)提取拍摄光条图像中所有光条中心的图像坐标，通过图像畸变校正方法，得到图像中所有光条中心的无畸变图像坐标；(2)利用两条光条的无畸变图像坐标，拟合光条的椭圆图像。3.根据权利要求1所述的基于平行双圆柱靶标的线结构光视觉传感器标定...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘震，张广军，李小菁，尹扬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11