[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

摘要

本发明公开了一种用于微小尺寸测量的线结构光视觉传感器标定方法，通过以下步骤进行标定：(1)在一平行线平板靶标的表面上设置中心线和标记线，(2)采集一组图像，(3)确定靶标拓扑关系，(4)利用设计的平行线平板靶标和一个精密移动平台，即可完成传感器参数的标定任务；包括：定义线结构光视觉测量模型，根据直接线性变换模型确定转换关系，并定义畸变修正模型；标定运算；(5)利用该靶标可确定CCD摄像机光轴与光平面的夹角，便捷地实现了世界坐标系和光平面坐标系的坐标转换。本发明标定方法使用一个平行线平板靶标，完成传感器参数的标定，简化了标定过程，结果可靠，适合现场标定，能够满足用于微小尺寸的线结构光视觉高精度检测任务的需要。

主权项

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Ol，所述平行直线的方向定义为OlZl轴，光条方向定义为OlYl轴，光平面坐标系的OlXl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OlYl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，(Xl，Yl，0)为光平面上P点在光平面坐标系下的三维坐标，(u，v)和(ud，vd)分别为理想像点Pu和实际像点Pd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(Xl，Yl，0)与(u，v)的转换关系如下： s u v 1 = m 11 m 12 m 13 m 21 m 22 m 23 m 31 m 32 m 33 · X l Y l 1 = M · X l Y l 1 - - - ( 1 ) 上述公式(1)中，矩阵M为传感器参数矩阵；畸变修正模型定义为： u = k 0 + k 1 v d 2 + k 2 u d + k 3 u d v d + k 4 u d v d 4 + k 5 u d 2 + k 6 u d 2 v d 3 + k 7 u d 3 v d 2 + k 8 u d 4 v d + k 9 u d 5 v = p 0 + p 1 u d 2 + p 2 v d + p 3 v d u d + p 4 v d u d 4 + p 5 v d 2 + p 6 v d 2 u d 3 + p 7 v d 3 u d 2 + p 8 v d 4 u d + p 9 v d 5 - - - ( 2 ) 公式(2)中，ki和pi(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(ui，vi)和(udi，vdi)，其光平面坐标系坐标为(Xli，Yli)；(4-2-2)将(udi，vdi)和(Xli，Yli)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(Xli，Yli)和得到的矩阵M，根据公式(1)计算理想图像坐标(ui，vi)；(4-2-4)将(udi，vdi)和(ui，vi)代入上述公式(2)得到畸变模型的畸变模型参数ki和pi的值；(4-2-5)将(udi，vdi)及得到的ki和pi代入公式(2)，计算修正的图像坐标(ui’，vi’)；(4-2-6)设定迭代求解过程结束条件如下： Σ i = 1 N [ ( u di - u i ′ ) 2 + ( v di - v i ′ ) 2 ] N ( N + 1 ) < 1 × 10 - 6 - - - ( 3 ) 判断是否达到上述条件，若.F.，则：用(ui’，vi’)更新(udi，vdi)，并返回到上述(4-2-1)步骤；若.T.，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(Xl，Yl)： w X l Y l 1 = n 11 n 12 n 13 n 21 n 22 n 23 n 31 n 32 n 33 · u v 1 = N · u v 1 - - - ( 4 ) 上述公式(4)中，n11＝m31m24-m21m34，n12＝m11m34-m14m31，n13＝m21m14-m11m24；n21＝m22m34-m32m24，n22＝m32m14-m12m34，n23＝m12m24-m22m14；n31＝m21m32-m31m22，n32＝m31m12-m11m32，n33＝m11m22-m21m12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Ow-XwYwZw，其中OwXw轴平行于CCD摄像机的光轴OcZc，OwYw轴平行于光平面坐标系的OlYl轴，根据右手定则确定OwZw轴，被测物体表面点P在OwZw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OwXw轴与OlYl轴的夹角，根据下列公式(5)，利用点P的光平面坐标系坐标(Xl，Yl)得到其世界坐标系坐标(Xw，Yw)： X w = X l cos θ Y w = Y l - - - ( 5 ) 该夹角θ的标定过程如下：(5-1)将平板靶标垂直于光轴OcZc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(udi，vdi)，利用上述公式(2)和公式(4)计算得到对应的光平面坐标(Xli，Yli)，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DT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DL；(5-3)根据下列公式(6)计算得到夹角θ的值；cosθ＝DT/DL    (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。