專利名稱：：基于量塊的線結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于視覺測量
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種基于量塊的線結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測中傳感器參數(shù)標定方法。
背景技術(shù)：
：目前，線結(jié)構(gòu)光視覺傳感技術(shù)采用的是非接觸測量方式，測量范圍較大，而且測量速度快、系統(tǒng)柔性好、精度適中，在產(chǎn)品在線檢測、三維重建等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。線結(jié)構(gòu)光傳感器是一種基于光學三角測量原理的視覺測量系統(tǒng)。線結(jié)構(gòu)光投射器投射單線或多線結(jié)構(gòu)光到被測物體上，光條被被測物表面形狀調(diào)制，用攝像機拍攝含有調(diào)制光條的被測物表面圖像，根據(jù)攝像機與結(jié)構(gòu)光平面的空間位置關(guān)系可以得到被測物表面的二維坐標。常見的線結(jié)構(gòu)光傳感器參數(shù)標定方法有拉絲法、鋸齒靶法、基于三維耙標的交比不變法，以及基于平面靶標的標定方法等。其中，拉絲法需要人工測量亮點的坐標，操作復雜，測量誤差較大，并且需要輔助設(shè)備。鋸齒靶法中標定靶的加工精度直接影響到標定點坐標的準確性。另外，加工成本高，齒棱有限，獲得的標定點數(shù)目少?；谌S靶標的交比不變法需要的三維靶標加工成本高，兩個垂直平面之間容易出現(xiàn)遮擋，而且獲得的標定點不多?；诙S平面靶標的標定方法采用交比不變原理獲得標定點，靶標上特征點很少。邾繼貴在中國專利CN200510013231.7中提出的一種基于共面參照物的線結(jié)構(gòu)光傳感器快速標定方法，此方法只能用于線結(jié)構(gòu)光或多線結(jié)構(gòu)光的標定。張廣軍在中國專利CN200810081873.4中提出的一種基于二維交比不變的結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標定方法，該方法提出了通過獲取線結(jié)構(gòu)光多次投射在棋盤格型靶標平面上的光條點的標定方法。雖然可以獲得較多的標定點，但棋盤格的制作是采用打印的方式，則其精度將比機械加工更低。孫長庫在中國專利CN200410019980.6中公開了關(guān)于結(jié)構(gòu)光參數(shù)的標定所采用的靶標是一系列直線。同樣可以保證標定點的數(shù)量，但制作方式的精度很低。此外，在中國專利CN200710115833.2、CN02156599.6、CN03142658.1中分別提出了使用標準球、圓孔、十字叉絲、矩形塊等靶標特征進行線結(jié)構(gòu)光參數(shù)標定。但這些特征的機械加工精度和成本都是不能很好的滿足要求的。綜上所述，目前線結(jié)構(gòu)光標定還存在著提取特征點數(shù)量少，加工成本高，標定點坐標精度低等缺點。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了克服上述的缺陷，提出一種基于量塊的線結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器標定方法，它采用高精度、低成本的靶標對線結(jié)構(gòu)光參數(shù)進行標定。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于量塊的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標定方法，其特征在于依次包括下列步驟1、根據(jù)所需標定的圖像區(qū)域，選擇標稱厚度小于攝像機視場范圍的至少一種規(guī)格的量塊進行間隔且交錯排布，其中相鄰的量塊的被測面不能位于同一平面上，相間隔的量塊的被測物位于同一平面上；2、將量塊靶標固定于一個移動導軌上，調(diào)整量塊被測面，使其垂直于導軌移動方向，并且調(diào)整導軌，使量塊被測面垂直于投射光平面；3、定義靶標在第一個位置，即距離傳感器最近位置時光條和中心量塊的光條端點，為空間測量坐標系的原點，然后沿不連續(xù)光條定義0Y軸，沿導軌移動方向定義OX軸，建立空間坐標系；4、通過移動靶標，使在導軌上處于不同位置，光投射器投射出橫截面為矩形的光束，在量塊被測面上產(chǎn)生一條不連續(xù)光條，調(diào)整光條，確保光條垂直于量塊；5、由攝像機拍攝量塊靶標圖像，通過測量光條像素點與圖像左下角間橫向和豎向距離，獲取這些不連續(xù)光條的像素坐標；6、通過圖像處理，從步驟5所獲得光條像素坐標中尋找光條像素點中灰度值由白色跳變?yōu)楹谏南袼?，將其定義為光條端點，并提取各個光條兩端端點的像素坐標(^;y)，根據(jù)量塊排布確定量塊端點的坐標A，根據(jù)靶標移動的步長來確定坐標/,，將他們組合即為靶標上各不連續(xù)光條端點在空間坐標系下的坐標(A，》，二)，其中^是光條所在平面的位置坐標，一般情況下默認為零，代入如式(1)的線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學模型進行計算，可以得到攝像機的傳感器參數(shù)i、f,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中，w表示一比例常數(shù)，/表示CCD攝像機的有效焦距，i為3x3的旋轉(zhuǎn)矩陣，/為3x1的平移矢量。所說的標稱厚度小于視場范圍，是指帶有鏡頭的攝像機所能拍攝到的范圍，這個范圍一般用視場角來表征，而視場角的大小不僅與攝像機CCD的尺寸也有關(guān)，更與鏡頭焦距有關(guān)，焦距越短，視場角越大。因此這個標定方法是對已經(jīng)形成的視場范圍進行的標定，至于視場范圍則沒有任何要求，量塊的取值范圍只要不大于視場范圍即可。本發(fā)明基于量塊的結(jié)構(gòu)光傳感器標定方法，在移動量塊靶標的情況下，可以獲取不同位置下的多個光條點，光條點的數(shù)量由量塊的尺寸決定，即固定視場范圍內(nèi)量塊尺寸越小，光條點數(shù)越多。通過圖像處理獲得所有位置下光條端點的坐標數(shù)據(jù)，再根據(jù)相關(guān)數(shù)學模型進行計算得到傳感器參數(shù)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點量塊是常見的標準量具，精度遠高于一般的機加工件，但成本相對要低得多，可以作為標定過程的高精度標準源；以量塊間隔排布的方式建立靶標，激光投射器投射到量塊被測面上的光條，由于量塊的排布方式會出現(xiàn)不連續(xù)的情況，而其中每段光條的長度就是量塊的標稱厚度。這樣，與現(xiàn)有的其他標定方式相比，靶標的精度有了極大的提高，同時降低了成本，實現(xiàn)了比較好的性價比。附圖l是本發(fā)明的三種量塊組合方式圖。附圖2是本發(fā)明的量塊靶標結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3是本發(fā)明的標定實驗示意圖。附圖4是本發(fā)明的攝像機采集的一種量塊排布方式的靶標圖像。具體實施例方式實施例本發(fā)明基于量塊的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標定方法，在移動量塊靶標的情況下，可以獲取不同位置下的多個光條點，光條點的數(shù)量由量塊的尺寸決定，即固定視場范圍內(nèi)量塊尺寸越小，光條點數(shù)越多。通過圖像處理獲得所有位置下光條端點的坐標數(shù)據(jù)，再根據(jù)相關(guān)數(shù)學模型進行計算得到傳感器參數(shù)。下面通過具體實施例和附圖對本發(fā)明基于量塊的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標定方法作進一步詳細說明。本發(fā)明標定系統(tǒng)由不同規(guī)格的量塊、靶標、激光器和攝像機組成，以標稱厚度為3、7、10mm的量塊2為例，其中，量塊的長度為35mm,寬度為9mm,這兩個尺寸均不分量塊規(guī)格，是固定不變的，以間隔且交錯形式排列，如圖1所示，固裝于靶標夾板1之間，形成靶標4，如圖2所示，將靶標通過底座3固定于移動導軌6上，激光器5投射激光到靶標4上，形成光條，安裝在調(diào)整支架8上的攝像機7拍攝含有光條的靶標圖像，如圖3所示；基于量塊的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標定方法，依次包括下列步驟1、調(diào)整量塊被測面，使其垂直于導軌移動方向，并且調(diào)整導軌，使量塊被測面垂直于激光器的投射激光平面；相鄰的量塊的被測面不位于同一平面上，相間隔的量塊的^L測物位于同一平面上；2、每間隔10mm在導軌上移動靶標，激光器投射出橫截面為矩形的光束，在量塊被測面上產(chǎn)生一條不連續(xù)光條，調(diào)整光條，確保光條垂直于量塊；3、定義靶標在第一個位置，即距離激光器500mm時光條和中心量塊的光條端點，為空間測量坐標系的原點，然后沿不連續(xù)光條定義OY軸，沿導軌移動方向定義OX軸，建立空間坐標系；4、攝像機分別拍攝移動的量塊靶標圖像，如圖4所示，通過測量光條像素點與圖像左下角間橫向和豎向距離，獲取這些不連續(xù)光條的像素坐標；5、通過圖像處理，從步驟4所獲得光條像素坐標中尋找光條像素點中灰度值由白色跳變?yōu)楹谏南袼?，將其定義為光條端點，并提取各個光條兩端端點的像素坐標U;n，根據(jù)圖1的量塊排布確定量塊端點的坐標A,并根據(jù)靶標移動的步長來確定坐標^，將他們組合即為靶標上各不連續(xù)光條端點在空間坐標系下的坐標Ov,》，&)，其中，^是激光條所在平面的位置坐標，一般為定值，本例中^為0,如表1所示，將其代入如式(1)的線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學模型進行計算，可以得到攝像機的傳感器參數(shù)i、門<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中，w表示一比例常數(shù)，/表示CCD攝像機的有效焦距，i為3x3的旋轉(zhuǎn)矩陣，f為3xl的平移矢量。表l標定數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表1數(shù)據(jù)可得以下參數(shù)結(jié)果<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。權(quán)利要求1、一種基于量塊的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標定方法，其特征在于依次包括下列步驟(1)根據(jù)所需標定的圖像區(qū)域，選擇標稱厚度小于攝像機視場范圍的至少一種規(guī)格的量塊進行間隔且交錯排布，其中相鄰的量塊的被測面不能位于同一平面上，相間隔的量塊的被測物位于同一平面上；(2)將量塊靶標固定于一個移動導軌上，調(diào)整量塊被測面，使其垂直于導軌移動方向，并且調(diào)整導軌，使量塊被測面垂直于投射光平面；(3)通過移動靶標，使在導軌上處于不同位置，光投射器投射出橫截面為矩形的光束，在量塊被測面上產(chǎn)生一條不連續(xù)光條，調(diào)整光條，確保光條垂直于量塊；(4)定義靶標在第一個位置，即距離傳感器最近位置時光條和中心量塊的光條端點，為空間測量坐標系的原點，然后沿不連續(xù)光條定義OY軸，沿導軌移動方向定義OX軸，建立空間坐標系；(5)由攝像機拍攝量塊靶標圖像，通過測量光條像素點與圖像左下角間橫向和豎向距離，獲取這些不連續(xù)光條的像素坐標；(6)通過圖像處理，從步驟(5)所獲得光條像素坐標中尋找光條像素點中灰度值由白色跳變?yōu)楹谏南袼兀瑢⑵涠x為光條端點，并提取各個光條兩端端點的像素坐標(X，Y)，根據(jù)量塊排布確定量塊端點的坐標xw，根據(jù)靶標移動的步長來確定坐標yw，將他們組合即為靶標上各不連續(xù)光條端點在空間坐標系下的坐標(xw，yw，zw)，其中zw是光條所在平面的位置坐標，一般情況下為定值，默認為零，代入如式(1)的線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學模型進行計算，可以得到攝像機的傳感器參數(shù)R、t，<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>ω</mi><mo>·</mo><mi>X</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>ω</mi><mo>·</mo><mi>Y</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>ω</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>f</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mi>f</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>R</mi></mtd><mtd><mi>t</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>·</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>w</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>w</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>w</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>式中，ω表示一比例常數(shù)，f表示CCD攝像機的有效焦距，R為3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣，t為3×1的平移矢量。全文摘要一種基于量塊的線結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器標定方法，它是將不同規(guī)格的量塊間隔排布，再將量塊靶標固定在移動導軌上，確保量塊靶標被測面垂直于導軌移動方向，移動導軌獲得量塊靶標與光條交點在空間坐標系下的軸線坐標，代入線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學模型進行計算，得到傳感器參數(shù)等步驟。本發(fā)明具有以下優(yōu)點量塊是標準量具，精度高，成本低，以量塊間隔排布的方式建立靶標，激光投射器投射到量塊被測面上的光條，由于量塊的排布方式會出現(xiàn)不連續(xù)的情況，而其中每段光條的長度就是量塊的標稱厚度。靶標的精度極大的提高，同時降低了成本，實現(xiàn)了比較好的性價比。文檔編號G01B11/00GK101526336SQ20091006853公開日2009年9月9日申請日期2009年4月20日優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日發(fā)明者劉寶瑛,濤周,戴清華,陳炳生申請人:陳炳生