[发明专利]一种激光测距优化标定的视觉系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器视觉系统，尤其是涉及利用激光传感器测量图像传感器与被测物之间距离来达到优化标定过程，并根据计算情况及时调整图像传感器位置的一种激光测距优化标定的视觉系统。

背景技术

多目立体成像的基本原理是同一时间用多个不同角度的摄像头拍摄同一物体，在得到的多张图像中进行像素匹配，依照摄像机标定所得出的坐标关系，最后通过诸如三角测距原理来获得各像素的深度信息(即，三维坐标)，由此得到三维立体图像。也因此立体重建最重要的一步是进行摄像机的标定确定图像传感器的内部参数和外部参数，标定结果越精度越高，最后立体还原的结果便会越准确(王建强，张海花.基于Matlab工具箱的摄像机标定.浙江师范大学，2013.7)。

首先介绍四个坐标系：

1、图像坐标系：数字图像在计算机中的保存形式二维数组的坐标形式。

2、成像平面坐标系：摄像机镜头的成像平面上建立的坐标系，一般是位于感光器件上所建立的以镜头光轴与成像平面交点为原点的二维坐标系。二者关系如下图1，其中P为图像中任意假设一点，其在计算机坐标系中的坐标为(u,v)，在成像平面坐标系中的坐标为(x,y)，并设像素单元在x,y方向的尺寸分别为a,b。成像平面坐标系的坐标原点在计算机坐标系的坐标为(u₀,v₀)，则由图1可得如下等式成立：

整理成齐次矩阵如下：

3、摄像机坐标系：一个以摄像机镜头的光心为原点而建立的空间三维坐标系。成像平面坐标系可以看成摄像机坐标系在其Z_c轴上投影而成的(其x和y轴与成像平面坐标系方向一致)，其与成像平面坐标系的关系如图2，设景物点M(X_c，Y_c，Z_c)，成像平面上一投影点的坐标为(x,y,z),其中f为摄像机的焦距,根据三角形相似对应边比值相等，得到以下等式：

式中：f为摄像机的焦距，f＝z。

由式(2)可得：

将式(3)代入式(1)整理成齐次矩阵如下：

当Z_c＝1时，称点(x_c1 y_c1 1)为图像点在焦距归一化成像平面上的成像点坐标。则利用摄像机的内参数公式(4)可以求出图像点在焦距归一化成像平面上的成像点坐标：

此公式在标定后，还原点的三维坐标时会用到。

4、世界坐标系：区别于摄像机坐标系的一个空间坐标系，其依附于标定时要使用的物点而存在。可认为所观察的点相对世界坐标系是固定的。也因此世界坐标系可看做是摄像机坐标系的旋转平移得到。所以摄像机坐标系上的每个点经过此旋转平移变换都能在世界坐标系中找到对应点。假设变换矩阵为则两者存在以下关系：

式中R为正交旋转矩阵，T为平移向量，为摄像机^cM_w外参数矩阵，联立式(4)和式(6)得：

M为摄像机参数矩阵。

传统的摄像机标定特征点的距离获取，都是在图像传感器位置固定的前提下进行的，位置在标定前已经知道，因此这种标定方法对于相机要求也是固定的。本实施例采用超高精度激光位移传感器，测量数据输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出，精度级别高，目前还未见到有位移传感器测距确定特征点坐标的实施例。

发明内容

本发明的目的是提供可以实时测量图像传感器与被测物距离来获取标定板特征点在摄像机坐标系中的坐标的装置，同时在测距的过程中结合摄像机坐标转换来一定程度上反映图像采集质量，达到优化标定过程、优化图像目的的一种激光测距优化标定的视觉系统。

本发明设有底座、球形铰链、系统支架、圆弧架、滑块、摄像机和激光位移传感器；所述激光位移传感器、摄像机和滑块固定圆弧架上，系统支架的上端固定在圆弧架上，系统支架的底端固定在底座上，系统支架的底端通过球形铰链与固定螺栓连接，固定螺栓固定在底座上；所述摄像机固定在滑块上，摄像机在圆弧形架上可进行角度调节。

圆弧架加滑块的设计可以实现摄像机拍摄角度的调节，同时激光位移传感器测得的数据与摄像机数据可进行换算。

本发明的工作原理和有益效果如下：