[发明专利]用于微小尺寸测量的线结构光视觉传感器标定方法

权利要求书

1.一种用于微小尺寸测量的线结构光视觉传感器标定方法，其特征在于：该标定方法 包括以下步骤：

步骤一、在一平行线平板靶标的表面上设置中心线和标记线，

在一平行线平板靶标的表面刻画出一组具有N条的水平阵列直线，其中，N不少于7， N的上限值根据传感器的CCD摄像机的视场范围大小确定，将位于中间的一条直线定义为 中心线，其上下两侧邻近的两条平行直线定义为标记线，每条标记线与中心线的距离为ds； 以这两条标记线为基准，向上和向下的相邻平行线的间距均为dy，且dy＞ds，所述ds及 dy的取值范围根据传感器的CCD摄像机视场范围大小确定，上述所有的水平阵列直线与 平行线平板靶标的矩形平板的下边沿平行；

步骤二、采集一组图像，

将上述靶标固定在一个精密移动平台上，固定靶标并使其垂直于该平台的移动方向， 然后，调整平台位置确保靶标平面垂直于光平面；激光平面投射到靶标面上产生一条光条； 调整传感器的激光器保证光条重合于靶标面的上下对齐标记，使光条垂直于靶标上的直线 阵列；此时，光条与平行直线阵列相交形成一组交点，并以间距为dx移动靶标到不同位 置并采集一组图像，将采集到的图像保存到计算机；

步骤三、确定靶标拓扑关系，包括：

(3-1)当线结构光光条投射于平行线平板靶标时，光条与所述各平行直线相交，将 交点定义为标定特征点；光条与所述中心线的交点定义为光平面坐标系的原点O_l，所述 平行直线的方向定义为O_lZ_l轴，光条方向定义为O_lY_l轴，光平面坐标系的O_lX_l轴垂直于 靶标平面；

(3-2)将靶标在CCD摄像机景深之内距离CCD摄像机最近位置定为零位，此位置 光条和中心直线的交点定义为世界坐标系原点，其坐标为(0，0，0)，确定各标定特征点 在世界坐标系下的O_lY_l轴线坐标；至此获得各标定特征点的世界坐标系坐标，并将其保 存到计算机；

步骤四、传感器参数标定，包括：

(4-1)定义线结构光视觉测量模型，(X_l，Y_l，0)为光平面上P点在光平面坐标系下 的三维坐标，(u，v)和(u_d，v_d)分别为理想像点P_u和实际像点P_d在计算机图像坐标系下的 像素坐标，根据直接线性变换模型DLT，P(X_l，Y_l，0)与(u，v)的转换关系如下：

suv1=m11m12m13m21m22m23m31m32m33·XlYl1=M·XlYl1---(1)]]>

上述公式(1)中，矩阵M为传感器参数矩阵；s是比例系数，s＝m₃₁·X_l+m₃₂·Y_l+m₃₃； 畸变修正模型定义为：

u=k0+k1vd2+k2ud+k3udvd+k4udvd4+k5ud2+k6ud2vd3+k7ud3vd2+k8ud4vd+k9ud5v=p0+p1ud2+p2vd+p3vdud+p4vdud4+p5vd2+p6vd2ud3+p7vd3ud2+p8vd4ud+p9vd5---(2)]]>

公式(2)中，k_i和p_i，i＝0，1，2...，9，为畸变模型参数；

(4-2)传感器标定运算具体过程是：

(4-2-1)所述各特征点的理想图像坐标和实际图像坐标分别为(u_i，v_i)和(u_di，v_di)，其 光平面坐标系坐标为(X_li，Y_li)；

(4-2-2)将(u_di，v_di)和(X_li，Y_li)代入上述公式(1)得到模型转换的参数矩阵M中的各 元素的值；

(4-2-3)利用(X_li，Y_li)和得到的矩阵M，根据公式(1)计算理想图像坐标(u_i，v_i)；

(4-2-4)将(u_di，v_di)和(u_i，v_i)代入上述公式(2)得到畸变模型的畸变模型参数k_i和p_i的值；

(4-2-5)将(u_di，v_di)及得到的k_i和p_i代入公式(2)，计算修正的图像坐标(u_i’，v_i’)；

(4-2-6)设定迭代求解过程结束条件如下：

Σi=1N[(udi-ui′)2+(vdi-vi′)2]N(N+1)<1×10-6---(3)]]>

判断是否达到上述条件，若假，则：用(u_i’，v_i’)更新(u_di，v_di)，并返回到上述(4-2-1) 步骤；若真，则结束计算过程，至此完成了传感器参数标定，将参数保存到计算机，并输 出结果；

步骤五、CCD摄像机光轴与光平面夹角的确定

根据公式(3)将图像处理得到的点P对应的光条点进行畸变修正得到其理想图像坐标 (u，v)，进而可根据下式求得该点的光平面坐标系坐标(X_l，Y_l)：

wXlYl1=n11n12n13n21n22n23n31n32n33·uv1=N·uv1---(4)]]>

上述公式(4)中，

n₁₁＝m₂₂m₃₃-m₃₂m₂₃，n₁₂＝m₃₂m₁₃-m₁₂m₃₃，n₁₃＝m₁₂m₂₃-m₂₂m₁₃；

n₂₁＝m₃₁m₂₃-m₂₁m₃₃，n₂₂＝m₁₁m₃₃-m₁₃m₃₁，n₂₃＝m₂₁m₁₃-m₁₁m₂₃；

n₃₁＝m₂₁m₃₂-m₃₁m₂₂，n₃₂＝m₃₁m₁₂-m₁₁m₃₂，n₃₃＝m₁₁m₂₂-m₂₁m₁₂

w是比例系数，w＝n₃₁·u+n₃₂·v+n₃₃

设：传感器的CCD摄像机垂直于被测物体表面，传感器的激光器以θ角投射线结构 光到被测物体表面；测量世界坐标系为O_w-X_wY_wZ_w，其中O_wX_w轴平行于CCD摄像机的光 轴O_cZ_c，O_wY_w轴平行于光平面坐标系的O_lY_l轴，根据右手定则确定O_wZ_w轴，被测物体 表面点P在O_wZ_w轴方向上的坐标由平移台带动物体移动的距离决定；

根据公式(5)确定CCD摄像机光轴与光平面的夹角θ，即O_wX_w轴与O_lX_l轴的夹角， 根据下列公式(5)，利用点P的光平面坐标系坐标(X_l，Y_l)得到其世界坐标系坐标(X_w，Y_w)：

Xw=XlcosθYw=Yl---(5)]]>

该夹角θ的标定过程如下：

(5-1)将平板靶标垂直于光轴O_cZ_c放置于CCD摄像机视场范围之内，在CCD摄像机 景深范围内任何一处采集光条图像处理获得其各点的图像坐标(u_di，v_di)，利用上述公式(2) 和公式(4)计算得到对应的光平面坐标(X_li，Y_li)，对其进行直线拟合，得到该处的空间 直线；

(5-2)将平面靶标平移距离D_T至CCD摄像机景深范围另一位置处采集光条图像，采 用如上述步骤(5-1)同样的方式得到该处空间直线，计算两条空间直线的距离D_L；

(5-3)根据下列公式(6)计算得到夹角θ的值；

cosθ＝D_T/D_L                                      (6)

至此，完成了CCD摄像机光轴与光平面夹角的确定，并将其结果保存到计算机。