[发明专利]一种基于结构约束的多线结构光系统条纹中心线提取方法

权利要求书

1.一种基于结构约束的多线结构光系统条纹中心线提取方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、相机标定，得到相机的内外参数；

步骤2、对CCD工业相机采集到的图片进行滤波处理，并进行边缘提取，得到条纹的像素宽度，并且粗提取条纹的像素中心线；

步骤3、对于步骤1中获得的相机内外参数和步骤2中得到的条纹像素宽度，计算出条纹的世界坐标宽度和激光器照射到物体上的光斑中心的世界坐标，然后计算激光器发射的光平面交点的世界坐标；

步骤4、对于步骤2中得到的条纹像素宽度和步骤3中得到的激光器发射的光平面交点的世界坐标、激光器照射到物体上的光斑中心的世界坐标，加上高斯分布特性，得到系统空间结构约束中的中心线偏移量e，并求得偏移系数k；

步骤5、对于步骤2中得到的条纹像素宽度和步骤4中获取的偏移系数k，当激光线照射到物体上时，求得物体表面线结构光中心线的位置；

所述步骤2具体为：

步骤2.1，通过图像采集设备采集到多条激光条纹的原始图像；设图片中最中间条纹的编号为mid，以此为基准，往左的编号依次为L₁，L₂，L₃…，往右的编号依次为R₁，R₂，R₃…；

步骤2.2，对于步骤2.1中获取的多条激光条纹的原始图像，进行图像灰度化、滤波处理消除图像的噪声；

步骤2.3，对于步骤2.2中获取的消除噪声的图像，使用Canny算法进行边缘提取；

步骤2.4，对于步骤2.3中获取的边缘提取的图像，进行感兴趣区域ROI提取，得到ROI图片；

步骤2.5，对于步骤2.4中获取的ROI图片，设置灰度值为R，遍历此图片所有的点，灰度值大于R时输出此点的像素坐标，灰度值小于R则舍去；如下：

If Gray(x，y)＞R，Out_X＝x，Out_y＝y；

else Out_X＝0，Out_y＝0；

其中x，y表示图像的像素坐标，out是一个结构体，里面保存输出的x，y坐标，Gray(x，y)表示像素(x，y)点的灰度值；

步骤2.6，对于步骤2.5中获取的像素坐标，计算条纹像素宽度，如下：

其中d为条纹像素宽度，n表示每根条纹垂直方向上的左右两根边缘上像素对的编号，x_2n，x_2n-1表示条纹左右边缘像素对的横坐标，s表示每根条纹边缘垂直方向上左右像素对的总数；

步骤2.7，对于步骤2.6获取的条纹像素宽度d，取其中间值t，再根据步骤2.3使用Canny算法获取的条纹左边缘的像素值，即为粗略条纹中心线的像素值p(u，v)，公式如下：

p(u，v)＝(u_左，v_左)+(t，0)

u＝u_左+t，v＝V_左

其中，(u，v)中心线像素坐标，(u_左，v_左)表示条纹左边缘像素坐标；

所述步骤3具体为：

步骤3.1，在多线结构光条纹上设置感兴趣区域，采用Steger算法提取任意两条激光条纹中心线像素坐标；

步骤3.2，对于步骤3.1中所获取的任意两条激光条纹中心线像素坐标，结合相机的内外参数，将中心线的二维像素坐标转换为相机坐标系下的三维坐标；

步骤3.3，对于步骤3.2中所得到的任意两条激光条纹中心线三维坐标，进行光平面拟合，得到这两条光条纹所在的光平面方程；

步骤3.4，对于步骤3.3中得到的两条光条纹所在的光平面方程，将这两平面相交，得到空间点向式直线方程；空间点向式直线方程如下：

其中P(x₀，y₀，z₀)是激光器发射中心三维坐标值，位于直线上，a，b，c为直线的方向向量值，x_α，y_β，z_γ分别表示世界坐标系下的三个轴；

步骤3.5，对于步骤2.3中获取的边缘提取的图像，使用ROI提取图像光斑的像素坐标，对这些像素坐标进行均值提取，求得光斑中心点的像素坐标，并利用步骤3.2的方法转化为光斑中心的三维坐标M(x_c，y_c，z_c)；

步骤3.6，对于步骤3.5中所得到的光斑中心的世界坐标(x_c，y_c，z_c)，光斑中心点与激光器发射中心的世界坐标为(x₀，y₀，z₀)的连线的方程为：

由系统空间结构可知，此方程与步骤3.4中的点向式方程相交且垂直，垂足即为激光器发射中心点，联立两个方程，求得垂足的世界坐标(x₀，y₀，z₀)；

步骤3.7，对于步骤2获取的编号为mid的条纹的像素宽度，利用步骤1获取的相机内外参数，转换为三维坐标，即得到编号为mid的条纹世界坐标的宽度D；

所述步骤4具体为：

步骤4.1，对于步骤2中得到的所有条纹像素宽度，仅提取出编号为mid的条纹像素宽；

步骤4.2，对于步骤4.1中所提取的编号为mid的条纹像素宽，步骤3获取的激光器发射的光平面交点的世界坐标和激光器照射到物体上的光斑中心的世界坐标，和步骤1得到的相机内外参数，画出系统空间结构约束；

步骤4.3，对于步骤4.2所获得的系统空间结构约束，求得偏移量e，进而求得偏移系数k；具体原理如下：

(1)由激光器特性知，多线激光器中间条纹即编号为mid的条纹的强度分布为高斯分布且为标准的正态分布；

(2)在世界坐标系下绘制出mid条纹光平面对应的法线N，mid条纹光平面与法线N的交点为法点A，依据系统空间结构可知，法点A所处的条纹在法线面上服从正态分布，正态分布函数如下：

其中，x_b为光斑的x坐标，p为此正态分布对称轴的位置，q为条纹的宽度；

(3)对于步骤3获取的激光器发射中心世界坐标和光斑中心世界坐标，本模型使用前可以通过结构调整使相机的世界坐标中的y值与激光器发射中心的y值相同，因此，可用x，z坐标求得夹角β，β为光斑中心点坐标到相机坐标的连线与光斑中心点坐标到激光器发射中心点坐标的连线的夹角，公式如下：

其中x_p，z_p为激光器发射中心点的位置坐标；

(4)求得编号为mid的条纹光平面与法线N的交点的坐标(x_A，y_A)，公式如下：

(5)编号为mid条纹的中心线偏移量e计算如下：

e＝f₀sinβ，

求得此根条纹偏移系数k₀，公式如下：

其中，D为条纹的世界坐标宽度，偏移量e是粗提取计算的条纹中心线x坐标与精确得到的中心线x坐标之间的差值，偏移系数是偏移量与同一条纹宽度的比值；

步骤4.4，对于步骤4.2所获得的系统空间结构约束，可知同一光条纹上各个位置的条纹偏移系数相同；证明如下：

(1)以光斑中心点为原点建立坐标系，设法点A的纵坐标为h，则法点A与原点的直线方程为：

y＝cotβ·x

将y＝h代入上式，可知法点A的坐标为(htanβ，h)；

(2)设在激光器坐标系下标准正态分布的高度为w₀，可知，在以光斑中心为原点的坐标系下，高度转换为w₁，转换计算如下：

w₁＝w₀·cosβ

则以光斑中心为原点的坐标系下，法点A上的高斯分布的最高点A’的y坐标为：

y′＝w₁·cosβ+h

因为A’也在法点A与原点的直线上，故将y＝y’代入步骤4.4(1)中的方程，求得法点A上的高斯分布的最高点A’的x坐标为：

x′＝w₁·sinβ+htanβ

则A’的坐标为(w₁·sinβ+htanβ，w₁·coSβ+h)；

(3)由步骤4.4(1)与(2)可得，此根条纹的中心线偏移系数k为：

可知，偏移系数k与法点A的纵坐标无关，即证明同一光条纹上各个位置的条纹偏移系数相同；

步骤4.5，对于步骤4.3所获得的编号为mid的条纹中心线L_m的偏移系数，求得其他条纹L_n的系数，n不为mid；具体方法如下：

(1)根据发散型激光器自身的特性，已知25根条纹中每两根条纹的夹角为定值α＝1.11°，与条纹mid右侧相邻α角度的直线与条纹的mid的法线相交于B点，求得B点的坐标(x₁，y₁)，公式如下：

(2)编号为r₁条纹的中心线偏移量e₁计算如下

e₁＝f₀cosβsinα，

求得此根条纹的偏移系数k₁，公式如下：

其中D₁为R₁条纹的条纹宽度；

(3)以此类推，可求得其他所有条纹的偏移系数k，公式如下：

其中n为从中间mid条纹到两边L₁₂或R₁₂条纹的编号数，D_n为编号n的条纹宽度，以光斑中点坐标为基准，分别向左向右依次搜索并编号，当向左搜索时，偏移系数依次为k_-1，k_-2…，条纹宽度为D_-1，D_-2…，当向右搜索时，偏移系数依次为k₁，k₂…，条纹宽度为D₁，D₂…。