一种基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法技术

本发明专利技术公开一种基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法，该方法包括：建立摄像机坐标系、图像平面坐标系；建立靶标坐标系，获取用于标定传感器结构参数的平面靶标图像，并获取结构光投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标；获取结构光多次投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标，再根据获得的所有光条点坐标拟合结构光方程。本发明专利技术采用二维交比不变的方法，使得在平面靶标的每个位置上可以获取任意数量的标定点，且标定的结构光可以为任意模式。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及视觉测量技术，具体涉及一种基于二维交比不变的结构光传感 器结构参数标定方法。
技术介绍
结构光视觉传感技术釆用的是非接触测量方式，测量范围较大。而且测量 速度快、系统柔性好、精度适中，在三维重建、产品在线检测、逆向工程等领 域有着广泛的应用。结构光传感器是一种基于光学三角测量原理的视觉测量系统。结构光投射 器投射一定模式的结构光到被测物体上，被被测物体表面调制形成调制光条， 用摄像机拍摄含有调制光条的被测物体表面图像，根据摄像机成像模型及摄像 机同结构光的空间位置关系可以得到被测物体表面三维坐标。结构光传感器所投射的结构光可以分为点结构光、线结构光、单线结构光、 多线结构光、圆结构光、锥形结构光等不同模式的结构光。如何确定不同模式 的结构光同摄像机的空间位置关系，即结构光传感器结构参数的标定，是首先 需要解决的问题。常用的结构光传感器结构参数标定方法有拉丝法、锯齿靶法、基于三维靶 标的交比不变法以及基于平面靶标的标定方法等。其中，拉丝法是让结构光投射到在空间分布的几根不共面的细丝上，由于细丝散 射而形成亮点，釆用电子经錄仪测出亮点在空间中的坐标值，根据图像上亮点 坐标及空间中亮点实测得的坐标值，来求解结构光与摄像机间的位置参数。这 种标定方法需要人工测量亮点的坐标，操作复杂，测量误差较大，并且需要辅 助设备。锯齿靶法是段发阶等人在仪器仪表学报，2000， 21 (1): 108-110发表的 文章"一种新型结构光传感器结构参数标定方法"中提出的，该方法釆用一个 简单的标定靶和一个一维工作台实现线结构光传感器的高精度标定，不需要其 它仪器辅助测量光平面上点的坐标。但该方法需要调整一维工作台或结构光传 感器的姿态，使得光平面与棱线相垂直，因此操作复杂。另外，加工齿形靶成 本髙，齿棱有限，获得的标定点数目少。基于三维靶标的交比不变法是徐光佑等人在计算机学报，1995, Vo1.18， No.6发表的文章"一种新的基于结构光的三维视觉系统标定方法"中提出的， 该方法釆用一个高精度的具有两个相互垂直平面的立体靶标，每个平面获取至 少三个共线的特征点，利用交比不变原理获得结构光光条与该已知三点所在直 线的交点。该方法需要的三维耙标加工成本高，两个垂直平面之间容易出现遮 挡，而且获得的标定点也不多。目前，常用的简单有效的标定方法是基于二维平面靶标的标定方法，其中 基于平面乾标的交比不变法，是周富强在Image and Vision Computing, Volume 23, Issue 1， January 2005, Pages59-67发表的文章 "Complete calibration of a structured light stripe vision sensor through planar target of unknown orientations"中提出的一种结构光视觉传感器结构参数的标定方法，该方法 釆用交比不变原理获得标定点，靶标上特征点行数很少， 一般为3 10行，而一 行特征点(至少三个)只能获得一个标定点，因此，该方法只适合标定线结构 光，若标定非线结构光会产生较大拟合误差。邾继贵在专利号为CN200510013231.7的专利技术专利中提出 一种基于共面参 照物的线结构光传感器快速标定方法，该方法提出了利用摄像机光心和直线光 条图像所决定的平面与共面参照物的交线来标定线结构光。这种方法无需辅助 设备，不存在遮挡问题，操作简单，但此方法只能用于线结构光或多线结构光 的标定。综上所述，目前结构光标定还存在着提取特征点数量少，只能标定特定模 式线结构光的缺点。
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二维交比不变的结构光传 感器结构参数标定方法，可获取的标定点较多，且可标定任意模式的结构光。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的 ，该方法包括a、 建立摄像机坐标系、图像平面坐标系；b、 建立靶标坐标系，获取用于标定传感器结构参数的平面靶标图像，并获 取结构光投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标；c、 获取结构光多次投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系 下的坐标，根据获得的所有光条点坐标拟合结构光方程。所述步骤b之前包含在结构光视觉传感器测量区域无约東地放置带有特 征点的平面靶标，通过结构光的投射在平面靶标上形成亮光条。步骤b中所述获取用于标定传感器结构参数的平面靶标图像包括用摄像 机拍摄平面靶标图像，并对拍摄的平面靶标图像进行畸变校正。所拍摄的平面靶标图像包含光条和至少九个非共线的特征点，所述特征点 呈至少三行三列矩形排列。步骤b中所述获取结构光投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机 坐标系下的坐标包括bl、在图像平面中构造三个共线的虛拟靶标特征点，获取通过所述三个共 线虛拟靶标特征点的直线与图像上结构光光条的交点即光条点的坐标；b2、分别计算步骤bl中获取的每个光条点与三个共线虛拟靶标特征点的交比；b3、获取靶标图像中光条点对应的实际光条点在靶标坐标系下的坐标，并转换到摄像机坐标系下；b4、重复执行步骤bl b3,获取靶标在同一位置下对应光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标。步骤bl之前进一步包括获取光条坐标，步骤bl所述获取光条点的坐标为 根据光条坐标和三个共线虛拟靶标特征点确定的直线方程计算得到。步骤bl之前进一步包括获取靶标坐标系到摄像机坐标系的变换关系，即平移矢量和旋转矩阵，步骤b3所述将光条点在靶标坐标系下的坐标转换到摄像机 坐标系下为根据获取的平移矢量和旋转矩阵进行转换。 步骤bl所述构造三个共线的虛拟靶标特征点包括bll、选取三个共线特征点，在过所述三个共线特征点的直线上任取一点作 为虛拟靶标特征点，并计算该点与所述三个共线特征点的交比；b12、选取另外两组同行/列的特征点，每组选取的三个特征点与步骤bll 所述三个共线特征点分别同列/行，分别在过每组三个共线特征点的直线上找到 一点即虛拟靶标特征点，使该点与本组三个共线特征点的交比等于步骤bll计 算得到的交比；步骤c所述获取多次投射在靶标平面上的光条的坐标为无约束地多次移 动平面靶标，每移动一次平面靶标，重复执行步骤b。 步骤c所述结构光为任意模式的结构光。步骤b3所述获取乾标图像中光条点对应的实际光条点在耙标坐标系下的 坐标为先根据虛拟靶标特征点和与其共线的三个特征点之间的交比在透视变 换中保持不变的原理，分别获取靶标图像中三个虛拟靶标特征点在靶标上的对 应点在耙标坐标系下的坐标；然后再根据耙标图像中光条点和与其共线的三个 虛拟靶标特征点之间的交比在透视变换中保持不变的原理，获取靶标图像中光 条点对应的实际光条点在靶标坐标系下的坐标。本专利技术基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法，在选取不同 交比的情况下，可以获取平面靶标在同一位置的多个光条点，通过变换平面靶 标的位置，又可以获得平面靶标在不同位置的多个光条点，拟合所有获得的光 条点便可得到结构光方程，由于选取的交比不同，在平面靶标每个位置上可以 获得任意数量的标定点，且标定的结构光可以为任意模式。附图说明图l为本专利技术标定系统结构图2为本专利技术基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维交比不变的结构光传感器结构参数标定方法，其特征在于，该方法包括：　ａ、建立摄像机坐标系、图像平面坐标系；　ｂ、建立靶标坐标系，获取用于标定传感器结构参数的平面靶标图像，并获取结构光投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标；　ｃ、获取结构光多次投射在靶标平面上的光条的多个光条点在摄像机坐标系下的坐标，根据获得的所有光条点坐标拟合结构光方程。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广军，孙军华，刘谦哲，魏振忠，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]