基于标定算法的精确测量定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于标定算法的精确测量定位方法，包括用确定焦距的相机对平面对棋盘格标定板变换任意位置、姿态进行多张图像获取，把图像转化为灰度图并进行二值化处理，对图像上棋盘格标定板角点的获取，获得图像棋盘格标定板角点的精确亚像素坐标，计算拍摄图片的相机设备内参数，通过多点定位方法得到拍摄的相机设备的旋转、平移矩阵等外参数，计算得到图片上期望定位点与之相对应的世界坐标点的精确位置。本发明专利技术可以获取相机任意位姿状态下拍摄的图像上任意像素点对应的真实空间的相对位置，而精确的目标位置定位是精密仪器加工和日常测量计算中非常重要的环节，提高定位和测量的精度与速度是工业界一直努力的目标和方向。

【技术实现步骤摘要】
基于标定算法的精确测量定位方法
本专利技术涉及激光精密加工领域，尤其涉及一种基于标定算法的精确测量定位方法。
技术介绍
在传统图像处理领域中，通过图像还原事物本身的精确位置是很重要的一环。例如，在工业测量定位领域，要获得物体的长宽高等实际参数需要人工进行准确测量，这种在线测量方法实施过程较为繁琐，对于一些大型或小型的难以测量或要求精度很高的设备，往往很难通过直接测量的方法获取物体精确的参数。目前常用的离线测量方法很多，如显微镜共焦扫描等测量精密物体的方法，虽然此方法精度高，但是在进行物体的精密加工时，大多要求同轴测量，而加工平台与显微镜很难进行同轴同时测量和加工，并且同轴测量的方法对硬件设备和外界条件的要求较高，需要对加工平台和待加工物体进行精确校准和匹配，且每次移动加工平台或待加工物体后需要重新进行两者的校准和匹配，因此同轴方法不适合加工时同时进行准确测量。虽然旁轴测量加工也有使用，目前通常是使用图像变换或投影变换等方法，这种图像变换方法测量精度不高且对外界因素要求很高，需要严格控制摄像头畸变并要求摄像机和加工平台以及物体的位置比较精确来拍摄理想图片进行后续测量操作，过程繁琐且成本较高。而在精确定位领域，目前可以通过激光雷达快速可靠获取被测物体的相对位置，但是其需要相关的设备和对应的外界条件。虽然图像能反映实际物体的相对位置和相对参数，但因为拍摄条件和外界因素的影响，通过图像并不能准确获得实际物体的实际参数，也较难获得空间位置信息。因此，解决这一类的问题显得尤为重要。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种基于标定算法的精确测量定位方法，通过相机成像获得相机与待测物体的世界三维坐标系的一一对应关系得到图像和世界坐标下的转换矩阵，利用世界坐标与像素坐标的转换关系，通过上述转换矩阵得到待加工物体相对于激光加工平面的相对位置关系，以此跳过每次移动物体后繁琐的重新匹配加工平面与加工物体的步骤，使用本专利技术所描述的方法可直接在加工平面上对任意移动后的物体进行精密加工。为了实现上述技术方案，本专利技术提供了一种基于标定算法的精确测量定位方法，包括以下步骤：步骤一：对拍摄图片角点亚像素坐标的获取，用焦距固定的相机对已知尺寸参数的棋盘格标定板进行变换任意位置、姿态的多张拍摄以获取图像，把图像转化为灰度图，将上述处理后的灰度图二值化后通过角点检测算法判断是否存在角点，若存在角点，则获得角点的精确亚像素坐标；步骤二：对相机设备内参数的获取，定义对应图像角点的相应世界坐标，获得角点的世界坐标和图像坐标的一一对应关系，选取若干组图像上角点和对应的世界坐标系上的点，通过标定算法获得拍摄该组图片相机设备的内参数和畸变系数；步骤三：对拍摄该组图片的相机设备外参数的获取，保持上述拍摄相机的焦距等内参数不变，在激光加工平面上选择待加工物体周围三个不共线的点用激光器打出，相机在任意位置、姿态下拍摄待加工物体获得图像，通过多点定位算法得到拍摄的相机设备的外参数；步骤四：固定已得到内外参数的相机位置，在保持待加工物体成像在相机取景范围内可任意移动待加工物体，相机重新获取移动后的图像，逐像素获得拍摄图像上的像素点，通过内外参数计算的转换矩阵得到激光加工平面与图像的可视化关系，即可在激光加工平面上对图像上任意位置进行精密加工操作。进一步改进在于，在所述步骤一中，图像的灰度图是把图像的灰度值设置为0至255，255代表全白，0代表全黑；把白色与黑色之间按对数关系分为若干等阶，灰度分为256阶。进一步改进在于，在所述步骤一中，所述角点检测算法包括以下步骤，对拍摄的且经过灰度化处理后的一组图片，连续取出每一张图片，对每一张图片，执行以下操作：步骤一：对图像进行预处理，对图像进行二值化，把灰度图转化为二值图；步骤二：寻找每个方格的相邻方格，并记相邻方格的个数，对所有相邻方格分类，分类的原则是类内所有的方格是相邻的；步骤三：根据已知角点个数，判别每个类中方格是否为所求的棋盘方格，确认方格位置和个数是否正确，若正确则提取所求棋盘方格所有任意两个方格的连接点，即为所求角点，获得所有角点精确亚像素坐标；若不正确，则棋盘角点检测失败。进一步改进在于，在所述步骤二中，所述标定算法包括以下步骤，对每张成功获取亚像素坐标角点的图像，执行以下操作：步骤一：定义该张图像上棋盘格标定板角点坐标对应的世界坐标点，世界坐标点需与理论情况相同，即两个角点间的坐标差值应为拍摄所用的棋盘格标定板格子间的真实间距；步骤二：将定义好对应的角点的世界坐标与像素坐标以矩阵形式输入函数计算得到相机的内参数和畸变系数。进一步改进在于，所述像素坐标与世界坐标的关系如下：其中，u、v表示像素坐标系中的坐标，s表示尺度因子，fx、fy、u0、v0、γ表示5个相机内参数，R，t表示相机外参数，Xw、Yw、Zw(假设标定棋盘位于世界坐标系中Zw＝0的平面)表示世界坐标系中的坐标，即输入若干组世界坐标和对应的像素坐标点，得出需要的相机内参数。进一步改进在于，所述畸变系数的关系为：u1＝u+(u-u0)[k1(x2+y2)+k2(x2+y2)2]v1＝v+(v-v0)[k1(x2+y2)+k2(x2+y2)2]其中，(u,v)代表理想无畸变的像素坐标，(u1,v1)代表实际径像畸变的情况下的像素坐标，(u0,v0)代表主点，与是否存在畸变无关，直接在已求得的内参阵中得到。进一步改进在于，相机设备外参数获取包括以下步骤，对上述已获得内参数的相机模型，执行以下操作：保持相机焦距等内参数不变，将待加工物体放在激光加工操作台上，在激光加工平面上选择待加工物体周围不共线三点，用激光器打出，相机在激光器加工平台旁轴任意位置、姿态下拍摄包含待加工物体和上述用激光器打出的不共线三点的图像，通过多点定位算法获得拍摄相机此时的外参数。进一步改进在于：所述多点定位算法包括以下步骤，对上述已获得的相机拍摄图像，执行以下操作：步骤一：输入激光加工平面上选择的待加工物体周围三点的激光加工平面坐标；步骤二：输入上述激光器打出的激光加工平面上三点的对应世界坐标；步骤三：通过余弦定理，再利用点云配准方法可以得到此时拍摄的相机系统图像坐标系相对于世界坐标系的平移和旋转矩阵。本专利技术的有益效果是：本专利技术基于旁轴离线测量，提出了一种激光精密加工方法，通过相机成像获得相机与待测物体的世界三维坐标系的一一对应关系得到图像和世界坐标下的转换矩阵，利用世界坐标与像素坐标的转换关系，通过上述转换矩阵得到待加工物体相对于激光加工平面的相对位置关系，以此跳过每次移动物体后繁琐的重新匹配加工平面与加工物体的步骤，使用本专利技术所描述的方法可直接在加工平面上对任意移动后的物体进行精密加工。同时本专利技术可以实现相机与待加工物体在任意位姿的旁轴摆放，有效避免了同轴加工的繁琐过程和精度不高等问题，此方法加工精度较高，过程简单，为激光精密加工领域提供了一种低成本、高效率、较准确的新方法。...

【技术保护点】
1.一种基于标定算法的精确测量定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：对拍摄图片角点亚像素坐标的获取，用焦距固定的相机对已知尺寸参数的棋盘格标定板进行变换任意位置、姿态的多张拍摄以获取图像，把图像转化为灰度图，将上述处理后的灰度图二值化后通过角点检测算法判断是否存在角点，若存在角点，则获得角点的精确亚像素坐标；/n步骤二：对相机设备内参数的获取，定义对应图像角点的相应世界坐标，获得角点的世界坐标和图像坐标的一一对应关系，选取若干组图像上角点和对应的世界坐标系上的点，通过标定算法获得拍摄该组图片相机设备的内参数和畸变系数；/n步骤三：对拍摄该组图片的相机设备外参数的获取，保持上述拍摄相机的焦距等内参数不变，在激光加工平面上选择待加工物体周围三个不共线的点用激光器打出，相机在任意位置、姿态下拍摄待加工物体获得图像，通过多点定位算法得到拍摄的相机设备的外参数；/n步骤四：固定已得到内外参数的相机位置，在保持待加工物体成像在相机取景范围内可任意移动待加工物体，相机重新获取移动后的图像，逐像素获得拍摄图像上的像素点，通过内外参数计算的转换矩阵得到激光加工平面与图像的可视化关系，即可在激光加工平面上对图像上任意位置进行精密加工操作。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于标定算法的精确测量定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对拍摄图片角点亚像素坐标的获取，用焦距固定的相机对已知尺寸参数的棋盘格标定板进行变换任意位置、姿态的多张拍摄以获取图像，把图像转化为灰度图，将上述处理后的灰度图二值化后通过角点检测算法判断是否存在角点，若存在角点，则获得角点的精确亚像素坐标；
步骤二：对相机设备内参数的获取，定义对应图像角点的相应世界坐标，获得角点的世界坐标和图像坐标的一一对应关系，选取若干组图像上角点和对应的世界坐标系上的点，通过标定算法获得拍摄该组图片相机设备的内参数和畸变系数；
步骤三：对拍摄该组图片的相机设备外参数的获取，保持上述拍摄相机的焦距等内参数不变，在激光加工平面上选择待加工物体周围三个不共线的点用激光器打出，相机在任意位置、姿态下拍摄待加工物体获得图像，通过多点定位算法得到拍摄的相机设备的外参数；
步骤四：固定已得到内外参数的相机位置，在保持待加工物体成像在相机取景范围内可任意移动待加工物体，相机重新获取移动后的图像，逐像素获得拍摄图像上的像素点，通过内外参数计算的转换矩阵得到激光加工平面与图像的可视化关系，即可在激光加工平面上对图像上任意位置进行精密加工操作。


2.根据权利要求1所述的基于标定算法的精确测量定位方法，其特征在于，在所述步骤一中，图像的灰度图是把图像的灰度值设置为0至255，255代表全白，0代表全黑；把白色与黑色之间按对数关系分为若干等阶，灰度分为256阶。


3.根据权利要求1所述的基于标定算法的精确测量定位方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述角点检测算法包括以下步骤：
步骤一：对图像进行预处理，对图像进行二值化，把灰度图转化为二值图；
步骤二：寻找每个方格的相邻方格，并记相邻方格的个数，对所有相邻方格分类，分类的原则是类内所有的方格是相邻的；
步骤三：根据已知角点个数，判别每个类中方格是否为所求的棋盘方格，确认方格位置和个数是否正确，若正确则提取所求棋盘方格所有任意两个方格的连接点，即为所求角点，获得所有角点精确亚像素坐标；若不正确，则棋盘角点检测失败。


4.根据权利要求1所述的基于标定算法的精确测量定...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟顺诚，伦宝利，龙潜，张晓世，李捷，李逵，
申请(专利权)人：中国科学院云南天文台，中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：云南;53