[发明专利]基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法

权利要求书

1.一种基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，其特征是，包括如下步骤：

在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条；

采集经基准球面调制的圆弧光条图像，并进行光条提取；

根据线结构光视觉传感器测量模型，计算圆弧光条的三维坐标，进行空间相交截面圆拟合，确定截面圆圆心O_l及其半径R_l；

根据线结构光视觉传感器的标定参数，确定结构光光平面的法向矢量由于空间截面圆平面与结构光光平面本质上为同一平面，则结构光光平面的法向矢量即为截面圆平面的法向矢量该法向矢量表征了基准球球心O₀相对光平面与基准球面相交空间截面圆圆心O_l的偏移方向；

利用给定的基准球半径R₀及已求得的截面圆半径R_l，求得空间截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移量l，结合偏移方向即可计算基准球球心O₀，从而实现基准球的定位测量。

2.如权利要求1所述的基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，其特征是，与基准球面相交形成圆弧状光条具体为：摄像机及线激光投射器交向摆放组成线结构光视觉传感器，测量时，在满足线结构光视觉传感器工作距离及测量景深的前提下，在传感器视场内固定待测基准球，并使结构光光平面投射到基准球面上，与基准球面相交形成圆弧状光条。

3.如权利要求1所述的基于线结构光视觉传感器的基准球定位测量方法，其特征是，进行光条提取后步骤进一步具体为：

建立线结构光视觉传感器的数学模型：假设三维笛卡尔世界坐标系为O_w-x_wy_wz_w，摄像机坐标系为O_c-x_cy_cz_c，其中O_c为摄像机光学中心，x_c、y_c轴分别与摄像机像面中列、行增加方向一致，z_c轴为摄像机光轴，垂直于摄像机光轴，距离O_c为1处建立摄像机归一化像平面π_n，并以π_n与光轴的交点O_n为坐标原点，x_n、y_n轴分别与x_c、y_c轴平行建立归一化像平面坐标系O_n-x_ny_n；将摄像机坐标系作为传感器测量坐标系，则线结构光视觉传感器的数学模型可以用摄像机坐标系下激光投射光平面π_s的方程来表示；

设光平面π_s上任意一点P_s在摄像机坐标系下的坐标为P_c＝(x_c,y_c,z_c)^T，相应的齐次坐标为则在摄像机坐标系下光平面π_s的一般式方程可表示为

B·P~c=0---(1)]]>

其中光平面π_s的方程系数B＝(a,b,c,d)，a、b、c、d为线结构光视觉传感器的结构参数,通过传感器校准精确标定；

设光平面π_s的法向矢量为根据一般式平面方程表示含义，可由光平面π_s的一般式方程系数构建，即

V→s=(a,b,c)---(2)]]>

若P_s在归一化像平面π_n上的理想投影点为P_n，则P_s、O_c和P_n三点共线，设P_n在归一化像平面坐标系下的齐次坐标为该直线方程可表示为

Pc-k·P~n=0---(3)]]>

上式中k为不等于0的任意常数；

因此，若已知光平面方程系数B和光平面上任意一点P_s的归一化图像坐标联立（1）式和（3）式，则可以求出P_s在摄像机坐标系下的三维空间坐标P_c；

O₀为基准球球心，若光平面与基准球的相交截面为π_l，根据线结构光视觉传感器数学模型求得截面圆周上的光条圆弧空间坐标P_ci(x_ci,y_ci,z_ci)：由光条圆弧的空间坐标拟合截面圆周，进而可得光平面与基准球相交空间圆圆心O_l＝(x_l,y_l,z_l)^T及圆半径R_l，设截面圆平面π_l的法向矢量为则法向矢量表征了截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移方向，实际上，截面圆平面π_l与光平面π_s为同一平面，因此光平面π_s的法向矢量即为截面圆平面π_l的法向矢量则有

(xci-xl)2+(yci-yl)2+(zci-zl)2=Rl2---(4)]]>

V→l=(a,b,c)---(5)]]>

过基准球球心O₀存在与π_l平行的最大截面圆π₀，假设π_l、π₀两平面间间距为l，l即为截面圆圆心O_l相对基准球球心O₀的偏移量，则

l=||O0-Ol||=R02-Rl2---(6)]]>

另外，法向矢量与直线O₀O_l的方向矢量一致，因此O₀O_l直线方程可表示为

O0=Ol+V→lT·t---(7)]]>

联立（4）～（7）式，可得

t=l2/a2+b2+c2---(8)]]>

将（8）式代入（7）式，即可得到基准球球心坐标O₀。