一種基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定方法技術

本發明專利技術公開了一種基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定方法，包括：采用自由移動的平行雙圓柱靶標，將靶標在合適位置擺放至少1次，線結構光視覺傳感器拍攝靶標上的激光光條圖像；提取光條圖像中心點，擬合圖像中光條的橢圓圖像；基于透視投影變換建立兩個空間橢圓與其圖像之間對應方程；以橢圓短軸與圓柱直徑相同為約束條件，求解光平面方程；通過非線性優化方法得到光平面方程的最優解；本發明專利技術適合在現場復雜光線環境，甚至在攝像機帶有濾光片的情況下完成線結構視覺傳感器標定；尤其適合在狹窄空間，或不同角度多個線結構光視覺傳感器的現場快速高精度標定。

【技術實現步驟摘要】
一種基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定方法
本專利技術涉及傳感器標定技術，具體涉及一種基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定方法。
技術介紹
結構光三維視覺測量以其大量程、非接觸、快速、較高精度等特點，近年來在工業環境中得到了廣泛的應用。線結構光法和光柵結構光法采用激光器和攝像機結合構建三維視覺傳感器，適合復雜環境的物體三維形貌測量。線結構光視覺傳感器標定過程都包括攝像機內部參數標定和光平面參數標定兩個方面。關于攝像機內部參數標定的文獻很多，因此重點討論光平面參數標定過程。關于光平面參數的標定方法有許多方法。如Dewar的“拉絲法”，配合雙經緯測量在細絲上光點的三維坐標，在通過擬合多個光點確定光平面方程。現在標定方法多采用自由移動的三維、二維、一維或球靶標完成光平面標定。其中，采用三維靶標的標定方法，通過靶標上已知精確坐標的至少三個共線點，利用交比不變性獲得結構光光條與該已知三點所在直線的交點的坐標，從而獲得較高精度的光平面標定點；采用平面靶標的標定方法，可以通過交比不變性獲得平面靶標上的光平面標定點，經過多次移動平面靶標獲得大量光平面標定點，通過擬合光平面標定點獲得光平面方程；采用一維靶標的標定方法，通過一維靶標特征點之間的距離約束求解出光平面與一維靶標交點的三維坐標，經過擬合多個交點的三維坐標求解光平面方程；還有基于球靶標的標定方法，通過球輪廓信息和光條輪廓信息求解出光平面方程。但是，現有主要的線結構光視覺傳感器標定方法都需要結合靶標上特征點與光條圖像信息來計算光平面方程。由于激光器功率比較強，很難同時將靶標上特征點和光條圖像信息拍攝清晰，尤其在現場光線強弱不均等復雜光線環境下更難同時獲得清晰圖像。尤其是攝像機配有濾光片時，甚至無法拍攝到靶標的特征點圖像。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的主要目的在于提供一種基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定方法，能夠在現場復雜光線環境的情況下實現快速高精度標定。為達到上述目的，本專利技術的技術方案是這樣實現的：一種基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定方法，該方法包括：a、對線結構光視覺傳感器中的攝像機進行標定，將平行雙圓柱靶標在合適位置擺放1次，拍攝靶標上的激光光條圖像；提取光條圖像中心點，擬合圖像中光條的橢圓圖像；b、基于透視投影變換建立兩個空間橢圓與其圖像之間對應方程；以橢圓短軸與雙圓柱靶標直徑相同為約束條件，求解光平面方程；c、將靶標在合適位置擺放多次，通過非線性優化方法得到光平面方程的最優解。步驟a中提取光條圖像中心點，擬合光條圖像中光條的橢圓圖像的實現步驟如下：(1)提取拍攝光條圖像中所有光條中心的圖像坐標，通過圖像畸變校正方法，得到圖像中所有光條中心的無畸變圖像坐標；(2)利用兩條光條的無畸變圖像坐標，擬合光條的橢圓圖像。步驟b中基于透視投影變換建立兩個空間橢圓與兩個橢圓圖像之間對應方程具體如下：(1)由擬合橢圓圖像可以求得兩個橢圓圖像的參數矩陣；(2)由雙圓柱靶標的幾何參數設定空間橢圓的參數矩陣；(3)根據攝像機透視投影變換建立兩個橢圓圖像的參數矩陣和空間橢圓的參數矩陣的關系。步驟b中以橢圓短軸與直徑相同為約束條件，求解光平面方程過程為：(1)把橢圓短軸與直徑相同為約束條件代入步驟b中建立的兩個空間橢圓與圖像橢圓之間的對應方程；(2)結合透視投影變換中旋轉矩陣的性質求解出空間橢圓坐標系與圖像橢圓坐標系之間的旋轉矩陣及平移矢量；(3)根據旋轉矩陣及平移矢量求解光平面方程。步驟c中通過非線性優化方法得到光平面方程的最優解，采用Levenberg-Marquardt非線性優化方法求解旋轉矩陣和平移向量在最大似然準則下的最優解。本專利技術與現有技術相比的優點在于：本專利技術提出一種采用可以自由移動雙平行圓柱靶標實現線結構視覺傳感器標定的新方法，僅需將雙平行圓柱靶標擺放一次，通過光條圖像信息實現線結構視覺傳感器標定。該方法只需把靶標自由擺放一次，在不需要輔助設備的條件下，僅依靠照射在靶標上的光條圖像信息，就可以實現線結構視覺傳感器標定，適合在現場復雜光線環境，甚至在攝像機帶有濾光片的情況下完成線結構視覺傳感器標定。由于圓柱靶標易于加工且可以達到高精度，同時因圓柱靶標的形狀特性，所以本專利技術尤其適合在狹窄空間，或不同角度多個線結構光視覺傳感器的現場快速高精度標定。附圖說明圖1為本專利技術基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定方法流程圖；圖2為線結構光視覺傳感標定示意圖；圖3為實施例中線結構光視覺傳感標定實物圖；圖4為線結構光視覺傳感器的攝像機拍攝的靶標圖像。具體實施方式本專利技術的基本思想是：基于透視投影變換建立兩個空間橢圓與其圖像之間對應方程，以橢圓短軸與圓柱直徑相同為約束條件，求解出光平面方程，即實現線結構光視覺傳感器的標定。下面結合具體實施例及由一個攝像機和一個線激光器組成的線結構光視覺傳感器為例，對本專利技術作進一步詳細說明。如圖1所示，本專利技術基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定方法主要包括以下步驟：步驟11：對線結構光視覺傳感器中的攝像機進行標定。這里，對視覺傳感器的攝像機進行標定即求解攝像機的內部參數，具體求解方法在張正友的文章“Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[R].MicrosoftCorporation，NSR-TR-98-71，1998”中有詳細描述。步驟12：將可以自由移動的平行雙圓柱靶標在線結構光視覺傳感器前擺放至少1次，使得線激光器投射的光平面和兩個圓柱相切，且攝像機能拍攝到兩個圖像光條。線結構光視覺傳感器拍攝靶標上的光條圖像。這里，線結構光視覺傳感器由一個攝像機和一個線激光器組成，圖2為實施例中線結構光視覺傳感器示意圖。其中，Q1和Q2表示光平面和靶標相切確定的兩個空間橢圓；C1和C2表示兩個空間橢圓Q1和Q2在圖像平面上的像；Ow1xw1yw1zw1為以Q1的長軸為y軸，短軸為的x軸，圓心為空間橢圓中心建立的Q1坐標系，Ow2xw2yw2zw2為以Q2的長軸為y軸，短軸為的x軸，圓心為空間橢圓中心建立的Q2坐標系；Ocxcyczc表示攝像機坐標系。步驟13：提取光條圖像中心點，擬合圖像中光條的橢圓圖像。這里，具體包括以下步驟：步驟131：提取拍攝光條圖像中所有光條中心的圖像坐標，通過圖像畸變校正方法，得到圖像中所有光條中心的無畸變圖像坐標。具體提取光條中心方法采用Steger所述的“Anunbiaseddetectorofcurvilinearstructures”方法，校正方法在張廣軍編著的“張廣軍.機器視覺:科學出版社”中有詳細描述。以下所述光條中心的圖像坐標均為經過畸變校正后的無畸變圖像坐標。步驟132：對提取的兩條光條圖像中心點，通過橢圓擬合確定C1和C2，具體橢圓擬合方法可采用A.W.Fitzgibbon所述的“DirectLeastSquaresFittingofEllipses”方法。步驟14：基于透視投影變換建立兩個空間橢圓與其圖像之間的對應方程。這里，將Q1的長軸定為Ow1xw1yw1zw1的y軸，短軸定為的x軸，圓心定為空間橢圓中心，類似方法可以獲得Q2的坐標系Ow2xw2yw2zw2。通過分析光平面與雙平行圓柱相切的空間幾何關系可以得：兩個空間本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定方法，其特征在于實現步驟如下：a、對線結構光視覺傳感器中的攝像機進行標定，將平行雙圓柱靶標在合適位置擺放1次，使得線激光器投射的光平面和兩個圓柱相切，且攝像機能拍攝到兩個圖像光條；拍攝所述平行雙圓柱靶標上的激光光條圖像，提取光條圖像中心點，擬合光條圖像中光條的橢圓圖像；b、基于透視投影變換建立兩個空間橢圓與兩個橢圓圖像之間對應方程；以橢圓短軸與平行雙圓柱靶標直徑相同為約束條件，求解光平面方程；c、將靶標在線結構光視覺傳感器前擺放多次，通過非線性優化方法得到光平面方程的最優解。

【技術特征摘要】
1.一種基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定方法，其特征在于實現步驟如下：a、對線結構光視覺傳感器中的攝像機進行標定，將平行雙圓柱靶標在合適位置擺放1次，使得線激光器投射的光平面和兩個圓柱相切，且攝像機能拍攝到兩個圖像光條；拍攝所述平行雙圓柱靶標上的激光光條圖像，提取光條圖像中心點，擬合光條圖像中光條的橢圓圖像；b、基于透視投影變換建立兩個空間橢圓與兩個橢圓圖像之間對應方程；以橢圓短軸與平行雙圓柱靶標直徑相同為約束條件，求解光平面方程；c、將靶標在線結構光視覺傳感器前擺放多次，通過非線性優化方法得到光平面方程的最優解。2.根據權利要求1所述的基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定方法，其特征在于：步驟a中提取光條圖像中心點，擬合光條圖像中光條的橢圓圖像的實現步驟如下：(1)提取拍攝光條圖像中所有光條中心的圖像坐標，通過圖像畸變校正方法，得到圖像中所有光條中心的無畸變圖像坐標；(2)利用兩條光條的無畸變圖像坐標，擬合光條的橢圓圖像。3.根據權利要求1所述的基于平行雙圓柱靶標的線結構光視覺傳感器標定...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉震，張廣軍，李小菁，尹揚，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11