一种线结构光测量系统的标定方法、标定装置、以及系统制造方法及图纸

本申请公开了一种线结构光测量系统的标定方法，该方法包括，基于线结构光测量系统所采集的线结构光投射用作标靶的标定板而产生的图像，提取激光中心线的图像位置信息；根据标定板中第一特征点在世界坐标系下的空间位置信息，获取所述中心线图像中第二特征点在世界坐标系下的空间位置信息，得到第二特征点的图像位置信息与第二特征点的空间位置信息之间的第一映射关系；至少基于两条以上中心线中第二特征点的所述第一映射关系，通过插值构建该两中心线图像之间所有图像位置信息与对应的空间位置信息之间的第二映射关系。本发明专利技术避免了拟合参数和拟合模型选择造成的误差，并有利于简化测量时的计算，提高了标定的准确性。提高了标定的准确性。提高了标定的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种线结构光测量系统的标定方法、标定装置、以及系统


[0001]本专利技术涉及结构光测量领域，特别地，涉及一种线结构光测量系统的标定方法。

技术介绍

[0002]线结构光测量系统主要基于光学三角测量原理，由激光器和图像采集装置共同作为结构光图像传感器组成视觉测量系统。激光器发射的带状光束投射到被测物体表面上被调制成包含特定信息的激光光带，从图像采集装置获取调制后的激光光带图像，从激光光带图像提取激光中心线，从而根据激光中心线计算出被测物体轮廓的三维信息。
[0003]线结构光测量系统的标定是为了获取图像像素点与激光平面空间三维点的对应关系。标定方法主要包括：基于图像像素点所提取特征点的映射关系建立和映射关系计算，其中，
[0004]特征点的映射关系刻画了特征点的三维坐标和图像坐标的一一对应关系，通常利用已经标定好的相机内参结合靶标尺寸计算特征点三维坐标，其中，靶标可以为具有精确尺寸的标准件；
[0005]进行映射关系计算时，例如公开号CN102132125B利用特征点映射关系求解单应矩阵，同时采用与相机标定相同的畸变模型解决非线性的问题，公开号CN108844489A利用8个参数来拟合特征点之间区域的映射规律。
[0006]现有的标定方法均需要预先对相机进行标定，获得的标定参数既用于特征点计算，也用于后续的物体轮廓测量，然而线结构光测量系统采用的沙姆成像模型与常用的相机模型不完全相同，且相机模型本身也存在一定的误差；参与映射关系计算的特征点仅是图像中的部分点，没有充分利用特征点的映射，导致仅适合局部区域的标定，对于全幅图像仅利用一套畸变参数和模型导致标定结果误差较大。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种线结构光测量系统的标定方法，以提高激光平面标定结果的准确性。
[0008]本专利技术提供的一种线结构光测量系统的标定方法是这样实现的：
[0009]基于线结构光测量系统所采集的线结构光投射用作标靶的标定板而产生的图像，提取激光中心线的图像位置信息；
[0010]根据标定板中第一特征点在世界坐标系下的空间位置信息，获取所述中心线图像中第二特征点在世界坐标系下的空间位置信息，得到第二特征点的图像位置信息与第二特征点的空间信息空间位置信息之间的第一映射关系，
[0011]至少基于两条以上中心线中第二特征点的所述第一映射关系，通过插值构建该两中心线图像之间所有图像位置信息与对应的空间位置信息之间的第二映射关系；
[0012]其中，所述两条以上中心线所在的激光平面重合，且相对于线结构光测量系统具有不同的距离，所述激光平面为线结构光投射标定板时光路所确定的平面。
[0013]较佳地，所述线结构光测量系统所采集的线结构光投射标定板产生的图像按照如下方式采集：
[0014]采集标定板相对于线结构光测量系统位于至少两个以上不同距离的测量位置处、且线结构光投射所产生的激光线激光光带位于标定板中间区域时的图像，并记录标定板的线结构光测量系统与标定板之间相对的测量位置信息；
[0015]所述标定板为用于机器视觉的标定板；
[0016]所述提取激光中心线的图像位置信息包括，采用灰度重心法粗提中心线位置，再对提取的中心线位置利用Steger法进行优化，得到中心线的亚像素坐标。
[0017]较佳地，所述线结构光测量系统的位置固定，并且线结构光测量系统的激光投射被调整，使得激光光带位于标定板中间区域；所述采集标定板位于至少两个以上不同测量位置处、且线结构光投射所产生的激光线位于标定板中间区域时的图像，并记录测量位置信息，包括，
[0018]将所述标定板被安装于可测得测量位置信息的升降台，调整线结构光测量系统的激光投射，使得激光线位于标定板中间区域；
[0019]按照设定间距提升或沉降升降台的高度，采集各个高度位置处线结构光在标定板所投射的图像，并记录、以及各个高度位置处的测量位置信息被采集，其中，各个高度位置为设定的间距位置；
[0020]所述激光光带包括光条纹，
[0021]所述采用灰度重心法粗提中心线位置，再对提取的中心线位置利用Steger法进行优化，得到中心线的亚像素坐标，包括，
[0022]提取图像中光条纹的每列像素的能量中心，作为该光条纹截面区域的中心点亚像素坐标，
[0023]利用高斯模板与中心点附近图像进行卷积，计算光条纹中像素的行坐标和列坐标的一阶导数和二阶导数，得到海森矩阵；
[0024]对海森矩阵计算特征值和特征向量，选择特征值中绝对值大于设定阈值的特征值所对应特征向量，该特征向量包括行特征分量和列特征分量；
[0025]根据所选择的特征向量、一阶导数、和二阶导数，计算优化步长，
[0026]基于优化步长，分别根据行特征分量和列特征分量，计算优化后的中心点行坐标和列坐标，得到中心线的亚像素坐标；
[0027]所述提取激光中心线的图像位置信息进一步包括，
[0028]将优化后的中心点作为中心线中的第二特征点。
[0029]较佳地，所述标定板包括形成标定板中第一特征点的黑白棋盘格图案或者圆点阵列式图案；
[0030]所述根据标定板中第一特征点在世界坐标系下的空间位置信息，获取所述中心线图像中第二特征点在世界坐标系下的空间信息空间位置信息，得到第二特征点的图像位置信息与第二特征点的空间信息空间位置信息之间的第一映射关系，包括，
[0031]根据标定板中第一特征点的空间位置信息与第一特征点在图像中的像素位置信息，通过最小二乘法，求解第一特征点的空间位置信息与第一特征点在图像中的像素位置信息的映射关系，根据该映射关系，计算所述中心线图像中各第二特征点在世界坐标系下
的空间信息空间位置信息，得到第二特征点的图像位置信息与第二特征点的空间信息空间位置信息之间的第一映射关系。
[0032]较佳地，所述根据标定板中第一特征点的空间位置信息与第一特征点在图像中的像素位置信息，通过最小二乘法，求解第一特征点的空间位置信息与第一特征点在图像中的像素位置信息的映射关系，包括：
[0033]根据测量位置信息，得到标定板中第一特征点在世界坐标系下的z坐标；其中，测量位置信息为线结构光测量系统与标定板之间的相对距离的位置信息，
[0034]根据标定板中第一特征点质心的相对位置尺寸，得到第一特征点质心的在世界坐标系下的x坐标和y坐标；
[0035]根据第一特征点质心的在世界坐标系下的x坐标和y坐标与第一特征点在图像中的像素位置信息的映射关系，分别构建表征x坐标映射关系的第一拟合函数、和表征y坐标映射关系的第二拟合函数，
[0036]构建一目标函数，该目标函数用于累计：所有第一特征点质心在世界坐标系下的x坐标，与，所有第一特征点在图像中的像素位置信息基于第一拟合函数所得到的世界坐标系下的x坐标的误差，；以及，所有第一特征点质心在世界坐标系下的y坐标，与，所有第一特征点在图像中的像素位置信息基于第二拟合函数所得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种线结构光测量系统的标定方法，其特征在于，该方法包括,基于线结构光测量系统所采集的线结构光投射标定板产生的中心线图像，提取激光中心线的图像位置信息；根据标定板中第一特征点在世界坐标系下的空间位置信息，获取中心线图像中第二特征点在世界坐标系下的空间位置信息，得到第二特征点的图像位置信息与第二特征点的空间位置信息之间的第一映射关系，至少基于两条以上中心线中第二特征点的所述第一映射关系，通过插值构建该两中心线图像之间图像位置信息与对应的空间位置信息之间的第二映射关系；其中，所述两条以上中心线所在的激光平面重合，且相对于线结构光测量系统具有不同的距离，所述激光平面为线结构光投射标定板时光路所确定的平面。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线结构光测量系统所采集的线结构光投射标定板产生的图像按照如下方式采集：采集标定板相对于线结构光测量系统位于至少两个以上不同距离的测量位置处、且线结构光投射所产生的激光光带位于标定板区域时的图像，并记录线结构光测量系统与标定板之间相对的测量位置信息；所述提取激光中心线的图像位置信息包括，采用灰度重心法粗提中心线位置，再对提取的中心线位置利用Steger法进行优化，得到中心线的亚像素坐标。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述线结构光测量系统的位置固定，并且线结构光测量系统的激光投射被调整，使得激光光带位于标定板中间区域；所述标定板被安装于可测得测量位置信息的升降台，各个高度位置处线结构光在标定板所投射的图像、以及各个高度位置处的测量位置信息被采集，其中，各个高度之间的距离为设定的间距距离；所述激光光带包括光条纹，所述采用灰度重心法粗提中心线位置，再对提取的中心线位置利用Steger法进行优化，得到中心线的亚像素坐标，包括，提取图像中光条纹的每列像素的能量中心，作为该光条纹截面区域的中心点亚像素坐标，利用高斯模板与中心点附近图像进行卷积，计算光条纹中像素的行坐标和列坐标的一阶导数和二阶导数，得到海森矩阵；对海森矩阵计算特征值和特征向量，选择特征值中绝对值大于设定阈值的特征值所对应特征向量，该特征向量包括行特征分量和列特征分量；根据所选择的特征向量、一阶导数、和二阶导数，计算优化步长，基于优化步长，分别根据行特征分量和列特征分量，计算优化后的中心点行坐标和列坐标，得到中心线的亚像素坐标；所述提取激光中心线的图像位置信息进一步包括，将优化后的中心点作为中心线中的第二特征点。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标定板包括形成标定板中第一特征点的黑白棋盘格图案或者圆点阵列式图案；所述根据标定板中第一特征点在世界坐标系下的空间位置信息，获取所述中心线图像
中第二特征点在世界坐标系下的空间位置信息，得到第二特征点的图像位置信息与第二特征点的空间位置信息之间的第一映射关系，包括，根据标定板中第一特征点的空间位置信息与第一特征点在图像中的像素位置信息，通过最小二乘法，求解第一特征点的空间位置信息与第一特征点在图像中的像素位置信息的映射关系，根据该映射关系，计算所述中心线图像中各第二特征点在世界坐标系下的空间位置信息，得到第二特征点的图像位置信息与第二特征点的空间位置信息之间的第一映射关系。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据标定板中第一特征点的空间位置信息与第一特征点在图像中的像素位置信息，通过最小二乘法，求解第一特征点的空间位置信息与第一特征点在图像中的像素位置信息的映射关系，包括：根据测量位置信息，得到标定板中第一特征点在世界坐标系下的z坐标；其中，测量位置信息为线结构光测量系统与标定板之间的相对距离的位置信息，根据标定板中第一特征点质心的相对位置尺寸，得到第一特征点质心的在世界坐标系下的x坐标和y坐标；根据第一特征点质心的在世界坐标系下的x坐标和y坐标与第一特征点...

【专利技术属性】
技术研发人员：常旭，龙学雄，唐恒博，孙元栋，
申请(专利权)人：杭州海康机器人技术有限公司，
类型：发明
国别省市：