一种自动化三维激光扫描仪的校准方法技术

一种自动化三维激光扫描仪的校准方法，属于校准方法技术领域。解决了现有技术中自动化三维扫描仪通常安装在固定的环境中，校准的空间和操作都受到限制，不便于校准的问题。本发明专利技术的校准方法，预先设定多个目标位姿；然后操作者通过改变手中校准板的位姿，使计算机屏幕中表示校准板当前位姿的透视投影四边形与表示校准板目标位姿的透视投影四边形重合，保存当前位姿下采集到的校准板的图像以及激光线投射在校准板上的图像；重复执行，直到遍历所有目标位姿为止，利用保存的所有图像实现对视觉激光探测器的校准。本发明专利技术在校准的空间和操作受限的情况下，无需将扫描仪从安装工位上取下，使用同一个校准板实现视觉激光探测器与运动轨迹的快速校准。动轨迹的快速校准。动轨迹的快速校准。

【技术实现步骤摘要】
一种自动化三维激光扫描仪的校准方法


[0001]本专利技术属于校准方法
，具体涉及一种自动化三维激光扫描仪的校准方法。

技术介绍

[0002]长久以来，对真实物体几何尺寸的精确测量主要依赖于游标卡尺、千分尺、角度尺等测量工具的接触式人工测量方式，这种测量方式无法测量形状不规则的物体表面且对于文物古迹等要求非接触的测量对象也存在技术瓶颈。随着相关学科的发展以及新技术新需求的驱动，三维扫描技术应运而生，该技术能够在不接触被测物体的情况下，根据采集到的物体表面信息计算出点云的空间分布，通过一系列的曲面重构方法在计算机中将点云数据整合成被测物体的三角网格模型，该项技术被广泛应用于工业设计领域的辅助制造与检验、医疗领域的手术定位与康复、游戏娱乐领域的实景建模与仿真以及考古领域的遗址保护与复原等。
[0003]随着工业自动化和智能化的推进，自动化三维检测需求越来越多，被测物体的尺寸与形状多种多样，这就要求自动化三维检测设备能够尽可能的适应不同物体的检测需求，目前，应用于测量领域的三维扫描设备主要包括基于光栅投影的拍照式三维扫描仪和基于多线激光的手持式三维扫描仪，其中，拍照式三维扫描仪用投影仪向被测物体表面连续投射多幅具有光学编码特性的明暗条纹，并用双目相机同步采集每幅明暗条纹在物体表面的反射光线，对所有采集图像进行统一的光学解码得到三维点云数据，该类设备在扫描时要求扫描仪与被测物体的位置相对固定，而且每次只能扫描固定区域大小的物体，当被测物体尺寸超出测量范围时，只能重新定制三维扫描仪；采用激光作为光源的手持式三维扫描仪需要在被测物体表面粘贴标志点，扫描步骤中，操作者手持扫描仪遍历被测物体表面获得完整的点云数据，由于该类设备需要在扫描之前粘贴标志点、扫描步骤需要人工参与，因此，只适用于扫描大型物体或者抽样检测，无法实现自动化。
[0004]视觉激光探测器结合导轨的自动化三维激光扫描仪能够满足自动化检测产业对检测设备兼容性的需求，对于不同尺寸的被测物体只需要改变导轨的运动行程即可。其中，检测精度是三维扫描仪最重要的指标，三维扫描仪的校准精度直接决定了检测精度，但自动化三维扫描仪通常安装在固定的环境中，校准的空间和操作都受到很大限制，不便于校准。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种自动化三维激光扫描仪的校准方法，在校准的空间和操作受限的情况下，无需将三维激光扫描仪从安装工位上取下，使用同一个校准板即实现了三维激光扫描仪校准，包括视觉激光探测器与运动轨迹的快速校准，实现了同一个校准板的多功能复用，降低了校准方法的复杂程度。
[0006]本专利技术实现上述目的采取的技术方案如下。
[0007]本专利技术的自动化三维激光扫描仪的校准方法，步骤如下：
[0008]步骤一、预先设定校准板在视觉激光探测器坐标系中的多个目标位姿；
[0009]步骤二、选择一个目标位姿，视觉激光探测器处于静止状态，操作者手持校准板向目标位姿移动，计算机屏幕上实时显示校准板在当前位姿的透视投影四边形，以及当校准板到达目标位姿的透视投影四边形，操作者利用计算机屏幕上的两个透视投影四边形作为提示信息，通过改变手中校准板的位姿，使计算机屏幕中表示校准板当前位姿的透视投影四边形与表示校准板目标位姿的透视投影四边形重合，重合后，计算机保存当前位姿下视觉激光探测器采集到的校准板的图像以及视觉激光探测器发射的激光线投射在校准板上的图像；
[0010]步骤三、重复执行步骤二，直到遍历步骤一中预先设定的所有目标位姿为止，利用保存的所有图像实现对视觉激光探测器的校准；
[0011]所述视觉激光探测器坐标系以视觉激光探测器的双目相机中心连线作为Y轴，以视觉激光探测器的双目相机中心连线的中点作为原点，Y轴与双目相机的入射光轴构成YOZ坐标平面，Z轴与双目相机的入射光同向，X轴垂直于YOZ坐标平面，X轴、Y轴和Z轴的方向符合右手定则；
[0012]所述校准板为表面附有多个特征点的平板，特征点为能够被视觉激光探测器识别的点，校准板上的所有特征点在校准板坐标系中的坐标已知。
[0013]进一步的，所述校准板在当前位姿的透视投影四边形的获取方法，包括如下步骤：
[0014]1)识别并提取校准板上的特征点
[0015]视觉激光探测器的双目相机同步采集当前位姿校准板上的图像并传输到计算机中，计算机分别识别左、右视点图像中的所有特征点，并根据极线约束和三角测量原理，计算每个特征点在视觉激光探测器坐标系中的坐标；
[0016]2)计算当前位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵
[0017]利用同一组特征点在视觉激光探测器坐标系中的坐标以及在当前位姿校准板坐标系中的坐标，采用最小二乘法计算出当前位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵；
[0018]3)计算校准板的四个角的透视投影点
[0019]利用当前位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵，计算当前位姿校准板的四个角在视觉激光探测器坐标系中的坐标，在视觉激光探测器坐标系中建立透视投影模型，投影面为XOY平面，投射中心与校准板位于投影面的两侧，根据构建的透视投影模型，将当前位姿校准板的四个角在视觉激光探测器坐标系中的坐标投影到投影面上，得到四个投影点的二维坐标值，将该四个投影点依次相连即得到校准板在当前位姿的透视投影四边形。
[0020]更进一步的，所述步骤3)中，投射中心到投影面的距离设定为双目相机镜头焦距。
[0021]进一步的，所述校准板在目标位姿的透视投影四边形的获取方法，包括如下步骤：
[0022]1)计算目标位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵
[0023]利用同一组特征点在视觉激光探测器坐标系中的坐标以及在目标位姿校准板坐
标系中的坐标，采用最小二乘法计算出目标位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵；
[0024]2)计算校准板的四个角的透视投影点
[0025]利用目标位姿校准板坐标系与视觉激光探测器坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵，计算目标位姿校准板的四个角在视觉激光探测器坐标系中的坐标，在视觉激光探测器坐标系中建立透视投影模型，投影面为XOY平面，投射中心与校准板位于投影面的两侧，根据构建的透视投影模型，将目标位姿校准板的四个角在视觉激光探测器坐标系中的坐标投影到投影面上，得到四个投影点的二维坐标值，将该四个投影点依次相连即得到校准板在目标位姿的透视投影四边形。
[0026]更进一步的，所述步骤2)中，投射中心到投影面的距离设定为双目相机镜头焦距。
[0027]进一步的，所述步骤二中，计算机按预设的顺序显示目标位姿，当上一个目标位姿的图像保存完成后，计算机屏幕将自动显示下一个目标位姿的透视投影四边形。
[0028]进一步的，所述步骤三中，利用保存的所有图像实现对视觉激光探测器的校准，包括如下步骤：
[0029]1)将保存的所有图像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.自动化三维激光扫描仪的校准方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、预先设定校准板(6)在视觉激光探测器(1)坐标系中的多个目标位姿；步骤二、选择一个目标位姿，视觉激光探测器(1)处于静止状态，操作者手持校准板(6)向目标位姿移动，计算机(5)屏幕上实时显示校准板(6)在当前位姿的透视投影四边形(8)，以及当校准板(6)到达目标位姿的透视投影四边形(9)，操作者利用计算机(5)屏幕上的两个透视投影四边形作为提示信息，通过改变手中校准板(6)的位姿，使计算机(5)屏幕中表示校准板(6)当前位姿的透视投影四边形(8)与表示校准板(6)目标位姿的透视投影四边形(9)重合，重合后，计算机(5)保存当前位姿下视觉激光探测器(1)采集到的校准板(6)的图像以及视觉激光探测器(1)发射的激光线投射在校准板(6)上的图像；步骤三、重复执行步骤二，直到遍历步骤一中预先设定的所有目标位姿为止，利用保存的所有图像实现对视觉激光探测器(1)的校准；所述视觉激光探测器(1)坐标系以视觉激光探测器(1)的双目相机(1
‑
1)中心连线作为Y轴，以视觉激光探测器(1)的双目相机(1
‑
1)中心连线的中点作为原点，Y轴与双目相机(1
‑
1)的入射光轴构成YOZ坐标平面，Z轴与双目相机(1
‑
1)的入射光同向，X轴垂直于YOZ坐标平面，X轴、Y轴和Z轴的方向符合右手定则；所述校准板(6)为表面附有多个特征点的平板，特征点为能够被视觉激光探测器(1)识别的点，校准板(6)上的所有特征点在校准板(6)坐标系中的坐标已知。2.根据权利要求1所述的自动化三维激光扫描仪的校准方法，其特征在于，所述校准板(6)在当前位姿的透视投影四边形(8)的获取方法，包括如下步骤：1)识别并提取校准板(6)上的特征点视觉激光探测器(1)的双目相机(1
‑
1)同步采集当前位姿校准板(6)上的图像并传输到计算机(5)中，计算机(5)分别识别左、右视点图像中的所有特征点，并根据极线约束和三角测量原理，计算每个特征点在视觉激光探测器(1)坐标系中的坐标；2)计算当前位姿校准板(6)坐标系与视觉激光探测器(1)坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵利用同一组特征点在视觉激光探测器(1)坐标系中的坐标以及在当前位姿校准板(6)坐标系中的坐标，采用最小二乘法计算出当前位姿校准板(6)坐标系与视觉激光探测器(1)坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵；3)计算校准板的四个角的透视投影点利用当前位姿校准板(6)坐标系与视觉激光探测器(1)坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵，计算当前位姿校准板(6)的四个角在视觉激光探测器(1)坐标系中的坐标，在视觉激光探测器(1)坐标系中建立透视投影模型，投影面为XOY平面，投射中心与校准板(6)位于投影面的两侧，根据构建的透视投影模型，将当前位姿校准板(6)的四个角在视觉激光探测器(1)坐标系中的坐标投影到投影面上，得到四个投影点的二维坐标值，将该四个投影点依次相连即得到校准板(6)在当前位姿的透视投影四边形(8)。3.根据权利要求2所述的自动化三维激光扫描仪的校准方法，其特征在于，所述步骤3)中，投射中心到投影面的距离设定为双目相机(1
‑
1)镜头焦距。4.根据权利要求1所述的自动化三维激光扫描仪的校准方法，其特征在于，所述校准板(6)在目标位姿的透视投影四边形(9)的获取方法，包括如下步骤：
1)计算目标位姿校准板(6)坐标系与视觉激光探测器(1)坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵利用同一组特征点在视觉激光探测器(1)坐标系中的坐标以及在目标位姿校准板(6)坐标系中的坐标，采用最小二乘法计算出目标位姿校准板(6)坐标系与视觉激光探测器(1)坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵；2)计算校准板的四个角的透视投影点利用目标位姿校准板(6)坐标系与视觉激光探测器(1)坐标系间的旋转矩阵和平移矩阵，计算目标位姿校准板(6)的四个角在视觉激光探测器(1)坐标系中的坐标，在视觉激光探测器(1)坐标系中建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕源治，吕宝林，张洪宇，沙欧，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：