[发明专利]一种自旋转线结构光扫描系统时空标定方法

说明书

本发明公开了一种自旋转线结构光扫描系统时空标定方法，包括将若干块标定板放置在自旋转线结构光扫描系统测量范围内，要求不同标定板之间不共面，使自旋转线结构光扫描系统旋转平台静止在不同的位置采集相机图像信息和记录对应的电机位置等步骤，本发明借助于多约束方法完成标定，不依赖于机械结构的安装精度，极大降低了设备的安装要求，本发明在一个标定过程中利用了多种类型的约束条件，从而能够避免由于单一的约束条件带来的标定误差，同时标定了结构光系统和旋转平台的相对位姿关系和时间偏移，对于一些低成本的不能进行硬件同步的硬件设施，适用范围广。

技术领域

本申请涉及三维测量技术领域，具体涉及一种自旋转线结构光扫描系统时空标定方法。

背景技术

近些年来，基于光学三角法测量原理的线结构光三维视觉测量技术，因其低功耗、低成本的特性和潜力，在科学研究和工业生产中得到了越来越广泛的应用。将该技术结合旋转装置构成的自旋转结构光扫描系统可搭载于机器人或自动化设备上，用于一些需要获得场景的三维感知信息却对传感器功耗限制较大的场景，如大型管道内部探索、地底矿井勘探和外星探索等。

对于自旋转线结构光扫描系统，获得的全局三维测量结果坐标系建立在高精度旋转平台的旋转轴心上，而线结构光测量装置的测量结果建立在相机的坐标系上，因此为了获得旋转后的测量结果，需要得这两个坐标系之间的空间位置关系，从而可以将结构光测量装置单次的测量结果通过旋转平台反馈的当前位置拼接成全局三维测量结果。但是，该空间位置关系难以通过机械安装精确确定。

同时，对于没有经过硬件时间同步的自旋转结构光扫描系统，旋转平台反馈的角度值与相机采集的图像的时间存在偏差，会影响全局三维测量结果精度。

因此，自旋转线结构光扫描系统的时空标定，包括相机坐标系和旋转轴中心的空间位置标定以及相机图片采集时间和旋转平台反馈角度时间信息之间的时间差标定，成为获得高精度测量结果的关键问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种利用多种约束的两阶段自旋转线结构光扫描系统的时空标定方法。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：本发明公开了利用多种约束的两阶段自旋转线结构光扫描系统的时空标定方法，包括以下步骤：

步骤一、将若干块标定板放置在自旋转线结构光扫描系统测量范围内，要求不同标定板之间不共面；

步骤二、使自旋转线结构光扫描系统旋转平台静止在不同的位置采集相机图像信息和记录对应的电机位置；

步骤三、提取采集图像中的视觉特征点、激光条纹和检测AprilTag标定板的角点；

步骤四、经过粗糙的外参和电机位置得到对应的相机全局坐标系下的位置；计算特征点的重投影误差、带真实世界尺度信息的角点重投影误差和激光点到标定板平面的误差，用非线性优化的方法最小化上述三种误差的平方和从而得到外参标定结果。

步骤五、通过电机连续旋转从而得到电机位姿和时间的函数关系式，将图像采集的时间和前面优化得到的外参带入，同时考虑时间偏移得到对应相机的位姿，提取图像中的特征点，结合前面得到的相机位姿，利用非线性优化最小化特征点重投影误差，从而得到对应的时间偏移标定结果。

作为进一步地改进，本发明所述第一阶段的外参标定相机图像采集过程中，要求相机不同的位置至少可以观测到一块相同的标定板，且至少静止采集三个不同角度值的图片。

作为进一步地改进，本发明所述的标定版为AprilTag或棋盘格，即可以恢复真实尺度信息等标定板。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤四中，所述的外参为通过安装板的三维参数和手动量取获得结构光中相机到旋转轴中心的旋转平移。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：