一种线结构光视觉传感器的数值标定方法技术

本发明专利技术涉及一种线结构光视觉传感器数值标定方法，步骤为制作等间距排布的圆点阵列标定靶标，初步调整靶标位置及镜头焦距使靶标能够完全置于相机视场之内且靶标点图像清晰；精确调整线结构光激光器激光平面和标定靶标之间的相对位置，使激光平面与靶标平面共面；关掉激光器电源，再次精确调整相机焦距，保证相机拍摄靶标的图像清晰，采用椭圆拟合方法得到每个靶标点中心的像素坐标，将其存储于矩阵Q中；以矩阵Q中的靶标中心坐标对像素平面进行Delaunary三角剖分，将靶标左下角点记作世界坐标系0WXY原点，确定顶点对应的世界坐标；计算每个三角剖分区域对应的线性变换系数，并将其存储于变换系数矩阵D中。本标定方法简单易行，计算效率高，标定精度好。

【技术实现步骤摘要】
一种线结构光视觉传感器的数值标定方法
本专利技术属于计算机视觉测量领域，涉及一种用于线结构光视觉传感器的高精度数值标定方法。
技术介绍
线结构光视觉传感器是一种非接触式测量装置，主要由相机和线激光器组成。具有结构简单、非接触、测量速度快等优点，在轮廓测量、反求工程、在线监测等诸多工业领域中有着广泛的应用。线结构光视觉传感器通过分析由线激光器发射出的激光平面与被测物体相交得到的变形光条条纹，计算被测物体的实际轮廓。为建立激光光条条纹图像与实际轮廓坐标之间的对应关系，需要首先对线结构光视觉传感器进行标定。标定精度将直接影响测量结果的准确性，开发高精度的标定方法是实现线结构光视觉传感器高精度工业测量应用的一个核心问题。线结构光视觉传感器的传统标定方法主要有：拉丝法、锯齿靶标法、双重交比不变法、三点透视法、双重虚拟圆法、共面靶标法和基于标准量块的直接标定法等。拉丝法通过分析激光平面与细丝相交形成亮点的像素坐标及亮点的实际坐标来标定线结构光视觉感器的参数，亮点的个数与所拉的细丝的个数一致。这种方法中光平面与细丝相交的亮点的实际坐标难以准确测量，且拉丝的个数较少，限制了线结构光视觉传感器的标定精度。天津大学段发阶、刘凤梅提出了锯齿靶标法，发表在仪器仪表学报，2000，20(1)108-110的“一种新型线结构光传感器结构参数标定方法”，该方法用一个锯齿形靶标和一维工作台通过计算锯齿棱线与激光平面相交点的像素坐标和实际坐标，计算得到激光平面的方程，实现结构光传感器的标定。这种方法的不足之处为获取的标定点数目较少，标定精度不高。北京航空航天大学魏振忠等人为解决靶标点难恰好与激光平面重合影响标定精度的问题，提出了一种基于双重交比不变的线结构光传感器标定方法，发表在机械工程学报，2005，41(2)：210-214，“一种线结构光视觉传感器标定方法”。其不足之处在于标定所需要的高精度三维靶标加工相对困难，也未深入考虑镜头畸变对测量结果的影响。北京邮电大学的韩建栋等人提出了一种三点透视法来标定线结构光视觉传感器，发表在光学精密工程期刊，2009，17(5)：958-963，“线结构光传感系统的快速标定方法”。此方法基于三点透视模型实现了线结构光传感器的标定，方法简单、快速，采用此方法标定的结构光传感器平均相对测量误差约为0.72％。方法的不足之处在于标定精度不是很高。同济大学的陆敏恂等人等提出了一种线结构光视觉传感器标定的双重虚拟圆法，发表于光学学报，2014，34(10)：1015005，“基于双重虚拟圆靶标的激光扫描测头标定”。此方法通过采用双重虚拟圆来标定激光平面相对于相机的参数方程，完成对传感器的标定。采用的基本原理为交比不变原理，在标定过程中亦需要分别对相机的内参数，镜头畸变系数等进行校正，标定过程复杂。河南工业大学陈天飞等人提出了一种基于共面靶标的线结构光标定方法，发表于光学学报，2015，35(1)：0112004，“基于共面靶标的线结构光传感器标定新方法”。这种方法通过多次移动共面靶标，计算不同方向激光条纹直线的消隐点，并对其拟合直线得到光平面的消隐线，完成光平面法向标定。此方法的不足之处区别在于采用的靶标不一样，求解光平面方法的难易程度不同，需分别标定传感器的内、外参数，畸变参数等，标定方法复杂。上述标定方法的基本思路是首先建立相机标定的内参数、外参数、畸变等数学模型，再通过优化算法求解模型中的待定参数完成标定。随着对测量精度要求的越来越高，模型建立的也越来越复杂。为了避免建立线结构光视觉传感器的数学模型，中国科学院沈阳自动化研究所邹媛媛等人，提出了一种直接标定方法，并申请了专利技术专利“一种线结构光视觉传感器直接标定方法”，专利号：201210559444.X。此种方法采用标准量块制作标定靶标，并结合精密工作台的移动，通过建立查找索引表，实现了线结构光视觉传感器的标定。上述方法的不足之处在于：(1)标定过程中标定量块倒角反光所引起的特征点提取误差及所采用的插值算法误差对标定精度产生重要影响；(2)在标定的时候需要反复调整精密工作台的位置，通过获取许多幅结构光图像，标定过程相对繁琐；(3)由于精密工作台运动范围有限，采用此方法标定的线结构光视觉传感器的测量范围较小。综上所述，传统的标定方法存在标定精度不高，标定模型复杂，标定过程繁琐，测量范围有限等问题中的一种或多种。难以实现线结构光视觉传感器标定精度的进一步提高，制约了其在高精度测量领域的推广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对以上标定方法的不足，提出一种基于三角形区域线性变换的简单、精度高、速度快的线结构光视觉传感器数值标定方法。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种线结构光视觉传感器数值标定方法，其特征在于：该标定方法包括以下步骤：步骤(1)：制作标定靶标，标定靶标为等间距排布的圆点阵列，并初步调整标定靶标的位置及镜头焦距使标定靶标能够完全置于相机的视场之内且靶标点图像清晰；步骤(2)：精确调整线激光器和标定靶标之间的相对位置，使线激光器发射出的激光平面与标定靶标平面共面；步骤(3)：关掉线激光器电源，再次精确调整相机焦距，保证相机拍摄标定靶标的图像清晰，采用椭圆拟合方法得到每个靶标点中心的像素坐标，将其存储于矩阵Q中；步骤(4)：以矩阵Q中的靶标中心坐标对像素平面进行Delaunary三角剖分，将标定靶标左下角点的中心记作世界坐标系OWXYZ的原点，确定三角形顶点对应的世界坐标系中的坐标；步骤(5)：计算每个三角剖分区域所对应的线性变换系数，并将其存储于变换系数矩阵D中，即完成对线结构光传感器的标定。优选地，上述的一种线结构光传感器数值标定方法，其中以每个靶标点的中心为顶点采用Delaunary三角剖分方法，将整个像素平面剖分成许多很小的三角形区域，在每个小的三角区域内采用线性变换方法计算出像素平面内任意像素坐标所对应的世界坐标系中的坐标，完成对被测物体轮廓的测量。优选地，上述的一种线结构光传感器数值标定方法，其中该数值标定时需要将标定靶标平面与激光平面调整至共面。优选地，上述的一种线结构光传感器数值标定方法，其中该线结构光视觉传感器具有能够调整激光平面与靶标平面相对位置的装置，该装置包括线激光器(3)，和激光器固定套(2)，以及连接架(4)，所述线激光器(3)外形为圆柱形，且能够在所述激光器固定套2中旋转特定的角度；所述激光器固定套(2)为一圆形套，其内径略大于所述线激光器(3)的直径，其上带有锁紧螺钉，当将激光器绕自身的旋转角度确定后可由锁紧螺钉锁紧；所述激光器固定套(2)与所述连接架(4)通过螺钉连接，所述激光器固定套(2)上加工有螺纹孔，所述连接架(4)上加工有比所述激光器固定套(2)上的螺纹孔稍大的通孔，使所述激光器固定套(2)相对于连接架(4)能够相对转动角度达到要求时将螺钉拧紧，保证所述激光器固定套(2)与所述连接架(4)之间不再发生相对运动；所述标定靶标(1)能够沿着靶标平面的法向平动。优选地，上述的一种线结构光传感器数值标定方法，其中在步骤(2)中精确调整激光平面与标定靶标平面所采用的方法为：步骤2.1：在OwZ方向上前后平移所述标定靶标(1)使其位于所述线激光器(3)的正下方，观察激光光条与靶标板上棱边(1-1)之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线结构光视觉传感器数值标定方法，其特征在于：该标定方法包括以下步骤：步骤(1)：制作标定靶标，标定靶标为等间距排布的圆点阵列，并初步调整标定靶标的位置及镜头焦距使标定靶标能够完全置于相机的视场之内且靶标点图像清晰；步骤(2)：精确调整线激光器和标定靶标之间的相对位置，使线激光器发射出的激光平面与标定靶标平面共面；步骤(3)：关掉线激光器电源，再次精确调整相机焦距，保证相机拍摄标定靶标的图像清晰，采用椭圆拟合方法得到每个靶标点中心的像素坐标，将其存储于矩阵Q中；步骤(4)：以矩阵Q中的靶标中心坐标对像素平面进行Delaunary三角剖分，将标定靶标左下角点的中心记作世界坐标系OWXYZ的原点，确定三角形顶点对应的世界坐标系中的坐标；步骤(5)：计算每个三角剖分区域所对应的线性变换系数，并将其存储于变换系数矩阵D中，即完成对线结构光传感器的标定。

【技术特征摘要】
1.一种线结构光视觉传感器数值标定方法，其特征在于：该标定方法包括以下步骤：步骤(1)：制作标定靶标，标定靶标为等间距排布的圆点阵列，并初步调整标定靶标的位置及镜头焦距使标定靶标能够完全置于相机的视场之内且靶标点图像清晰；步骤(2)：精确调整线激光器和标定靶标之间的相对位置，使线激光器发射出的激光平面与标定靶标平面共面；步骤(3)：关掉线激光器电源，再次精确调整相机焦距，保证相机拍摄标定靶标的图像清晰，采用椭圆拟合方法得到每个靶标点中心的像素坐标，将其存储于矩阵Q中；步骤(4)：以矩阵Q中的靶标中心坐标对像素平面进行Delaunary三角剖分，将标定靶标左下角点的中心记作世界坐标系OWXYZ的原点，确定三角形顶点对应的世界坐标系中的坐标；步骤(5)：计算每个三角剖分区域所对应的线性变换系数，并将其存储于变换系数矩阵D中，即完成对线结构光传感器的标定；步骤(2)中精确调整激光平面与标定靶标平面所采用的方法为：步骤2.1：在OwZ方向上前后平移所述标定靶标(1)使其位于所述线激光器(3)的正下方，观察激光光条与靶标板上棱边(1-1)之间的相对关系，如果激光光条与此棱边相交，将固定所述线激光器(3)的螺钉松开，旋转所述激光器，直至其发射的激光光条与所述靶标板上棱边(1-1)相平行；步骤2.2：在OwZ方向上前后平移所述标定靶标(1)使激光光条与所述靶标板上棱边(1-1)相重合；步骤2.3：观察所述标定靶标(1)所在平面上激光照亮情况，如果整个靶标平面被均匀照亮，则表明激光平面与靶标平面实现了很好的重合；如果靶标平面未被照亮则需要逆时针旋转所述激光器固定套(2)，然后重复步骤2.1和步骤2.2直至达到步骤2.3所述的效果；如果靶标平面上前方放置标定靶标的底座上出现光条则需要顺时针旋转所述激光器固定套(2)，然后重复步骤2.1、步骤2.2直至达到步骤2.3所述的效果。2.根据权利要求1所述的一种线结构光视觉传感器数值标定方法，其特征在于：以每个靶标点的中心为顶点采用Delaunary三角剖分方法，将整个像素平面剖分成许多很小的三角形区域，在每个小的三角区域内采用线性变换方法计算出像素平...

【专利技术属性】
技术研发人员：周京博，李玥华，黄风山，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：河北;13