一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，包括以下步驟：建立通過標(biāo)準(zhǔn)量塊和利用三維精密平移臺形成的靶標(biāo)；通過線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器投射結(jié)構(gòu)光光平面至靶標(biāo)上形成靶標(biāo)上的特征點；在靶標(biāo)上建立空間坐標(biāo)系；采集靶標(biāo)圖像并提取特征點；建立查找索引表包括建立特征點圖像坐標(biāo)同其空間坐標(biāo)系坐標(biāo)的直接映射關(guān)系；對線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器進(jìn)行標(biāo)定：依據(jù)待標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)，在查找索引表中搜索直接得到或者采用最小二乘法擬合算法得到該點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)，實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的直接標(biāo)定；本發(fā)明針對小視場高精度測量應(yīng)用領(lǐng)域的線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，該標(biāo)定方法簡單直接，易于實現(xiàn)，且精度高，能夠滿足測量需要。
【專利說明】一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)，尤其涉及一種小視場高精度測量應(yīng)用領(lǐng)域的線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]線結(jié)構(gòu)光視覺測量技術(shù)具有測量精度高、獲得信息量大、靈敏度高、實時性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點，在工業(yè)測量、三維重建、逆向工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前，線結(jié)構(gòu)光傳感器的傳統(tǒng)標(biāo)定方法主要采用有模型標(biāo)定方法，主要有靶標(biāo)標(biāo)定法、微分法、消隱點法、機(jī)械調(diào)整法、細(xì)絲散射法、交比不變法等。
[0004]靶標(biāo)標(biāo)定法是采用經(jīng)特殊設(shè)計的靶標(biāo)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光傳感器的標(biāo)定，天津大學(xué)段發(fā)階、劉鳳梅等人提出一種鋸齒靶標(biāo)法，發(fā)表在儀器儀表學(xué)報，2000，21(1):108-110的“一種新型結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定方法”，該方法的實驗裝置包括鋸齒靶標(biāo)和一個一維工作臺，首先標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)，然后移動固定在一維工作臺上的齒形標(biāo)定靶，通過求解迭代方程來獲取光平面與攝像機(jī)之間的相互位置關(guān)系。此種方法的不足之處是標(biāo)定點數(shù)目少。
[0005]王春和等人發(fā)表在儀器儀表學(xué)報，1994，15 (002): 119-123的“三維視覺檢測與結(jié)構(gòu)光傳感器的標(biāo)定”將標(biāo)定塊置于二維工作臺上，采用微分法，通過移動標(biāo)準(zhǔn)塊位置求解微分方程來進(jìn)行標(biāo)定。
[0006]天津大學(xué)肖海等人發(fā)表在光電工程，1996，23(003):53-58的“用‘消隱點’法標(biāo)定線結(jié)構(gòu)光三維視覺傳感器”提出了消隱點法來進(jìn)行結(jié)構(gòu)光傳感器的標(biāo)定。在成像幾何中，不與像平面平行的一個平面經(jīng)過成像系統(tǒng)后，在像平面上要匯于一條直線，這條直線稱為這個平面所形成的消隱線。另外，這個平面上的任意兩條平行直線在像平面上的投影會相交于一點，這個點稱之為消隱點。這個消隱點實際上為無窮遠(yuǎn)處的物點所成的像。選用方形量塊作為標(biāo)定靶標(biāo)，標(biāo)定出結(jié)構(gòu)光傳感器中激光器同攝像機(jī)的夾角以及基線距離。
[0007]機(jī)械調(diào)整法是先用調(diào)整機(jī)構(gòu)或經(jīng)驗，把光平面調(diào)到相對攝像機(jī)的一個特定位置，再利用理想透視模型求得光平面相對攝像機(jī)的位置。由于人為調(diào)整環(huán)節(jié)多，攝像機(jī)簡化為理想模型，因此該方法精度不高，只適合一些小測量范圍場合。
[0008]細(xì)絲散射法是讓光平面投射到幾根相互平行且完全不共面的細(xì)絲上，由于細(xì)絲散射，從而在細(xì)絲上形成亮點，幾個亮點在像面上成像，將這些亮點作為標(biāo)定點，采用外部三坐標(biāo)測量設(shè)備可以獲取亮點在空間中的三維坐標(biāo)值，同時可以提取亮點在圖像中的二維圖像坐標(biāo)，再用這兩種坐標(biāo)值來求解光平面與攝像機(jī)間的位置參數(shù)。這種方法要求投射器投射出的光束是可見光束，否則標(biāo)定過程無法進(jìn)行，并且由于拉絲有限，獲取的標(biāo)定點少。
[0009]徐光祐提出了利用交比不變性原理進(jìn)行標(biāo)定，該方法發(fā)表在計算機(jī)學(xué)報，1995, Vol.18, N0.6的“一種新的基于結(jié)構(gòu)光的三維視覺系統(tǒng)標(biāo)定方法”。通過標(biāo)定祀標(biāo)上已知精確坐標(biāo)的至少三個共線點，利用一次交比不變性來獲得結(jié)構(gòu)光光紋與該已知三點所在直線的交點的坐標(biāo)，從而獲得光平面上的標(biāo)定點，為了克服一次交比不變法標(biāo)定點數(shù)量較少的缺點，魏振忠提出了雙重交比不變法，可以有效地提高精度。[0010]綜上所述，傳統(tǒng)的有模型標(biāo)定方法為了提高標(biāo)定的精度，相應(yīng)的模型也會越復(fù)雜，計算量也很大，還存在著提取特征點數(shù)量少，靶標(biāo)精度不高，在小視場應(yīng)用領(lǐng)域受制約等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 針對上述傳感器標(biāo)定方法復(fù)雜和精度不高的問題，本發(fā)明的目的是提出一種不需要標(biāo)定模型，簡單快速的線結(jié)構(gòu)光傳感器直接標(biāo)定方法，該標(biāo)定方法簡單直接，易于實現(xiàn)，且精度高，能夠滿足小視場高精度測量需要。
[0012]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0013]一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，該標(biāo)定方法包括以下步驟:
[0014]步驟(I)建立通過標(biāo)準(zhǔn)量塊和利用三維精密平移臺形成的靶標(biāo)；
[0015]步驟(2)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中激光器投射結(jié)構(gòu)光光平面至靶標(biāo)上產(chǎn)生一條結(jié)構(gòu)光光紋與靶標(biāo)上的量塊相交，形成靶標(biāo)上的特征點；
[0016]步驟(3)在靶標(biāo)上建立空間坐標(biāo)系0ΧΥΖ，通過移動三自由度精密平移臺，可獲取靶標(biāo)上特征點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(x，y，z)；
[0017]步驟(4)由線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中攝像機(jī)采集靶標(biāo)上的結(jié)構(gòu)光光紋圖像，對靶標(biāo)圖像經(jīng)數(shù)字圖象處理后提取特征點，進(jìn)而得到特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)；
[0018]步驟(5)建立查找索引表為特征點編號，記錄每一個采集的特征點的索引號、特征點的圖像坐標(biāo)(u，v)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)，圖像坐標(biāo)(u，v)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)之間形成直接映射關(guān)系；
[0019]步驟(6)對線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器進(jìn)行標(biāo)定，依據(jù)傳感器對實物測量到的待標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)(U，V)，對查找索引表進(jìn)行搜索，判斷待標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)與查找索引表中的特征點的圖像坐標(biāo)是否相同，如相同，該特征點的空間三維坐標(biāo)為傳感器待標(biāo)定點的空間三維坐標(biāo)，實現(xiàn)對線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的直接標(biāo)定。
[0020]如不相同，搜索與傳感器待標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)最接近的且包圍該待標(biāo)定點的四個點，依據(jù)該四點的空間三維坐標(biāo)，采用最小二乘法擬合算法，得到該傳感器待標(biāo)定點的空間三維坐標(biāo)，實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的直接標(biāo)定。
[0021]步驟(I)中建立通過標(biāo)準(zhǔn)量塊和利用三維精密平移臺形成的靶標(biāo)，其靶標(biāo)形成過程包括:
[0022]選擇相同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)量塊，量塊的數(shù)量由攝像機(jī)視場大小和量塊的標(biāo)稱厚度決定，將量塊的標(biāo)稱厚度所在面作為被測面，每兩個量塊為一組橫豎交錯排布，并每兩組橫擺放的量塊之間形成間隔段，保證所有橫擺放量塊的厚度的所在面位于同一平面上；
[0023]將布置好的量塊組安裝在三自由度精密平移臺上，調(diào)整量塊組使量塊被測面所在平面垂直于三自由度精密平移臺的豎直移動方向，使量塊被測面的長度方向平行于三自由度精密平移臺的一個水平移動方向，最后固定安裝組成標(biāo)定靶標(biāo)。
[0024]步驟2中線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的激光器投射結(jié)構(gòu)光光平面到靶標(biāo)上產(chǎn)生一條結(jié)構(gòu)光光紋與祀標(biāo)上的量塊相交，形成祀標(biāo)上的特征點，其特征點具體形成過程包括:
[0025]將線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的激光器發(fā)射的結(jié)構(gòu)光光平面投射在靶標(biāo)每個橫擺放量塊的被測面上，結(jié)構(gòu)光光紋與靶標(biāo)上的量塊相交，形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)光光紋，這些不連續(xù)結(jié)構(gòu)光光紋中，每段光紋兩端的端點，即結(jié)構(gòu)光光紋和靶標(biāo)中每個量塊的棱邊的交點，即為靶標(biāo)上的特征點。
[0026]步驟3中在靶標(biāo)上建立空間坐標(biāo)系0ΧΥΖ，其包括如下過程:
[0027]調(diào)整線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的激光器發(fā)射的結(jié)構(gòu)光光平面確保其垂直于靶標(biāo)的被測面、結(jié)構(gòu)光光紋垂直于靶標(biāo)中每個量塊的棱邊；
[0028]定義光平面有效區(qū)間內(nèi)的最遠(yuǎn)端，即距離傳感器最遠(yuǎn)位置處，該位置的結(jié)構(gòu)光光紋與祀標(biāo)邊緣的量塊相交的端點為坐標(biāo)原點O ;
[0029]定義空間坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸:垂直于被測面且平行于三自由度精密平移臺的豎直移動方向定義為Z軸方向；被測面上量塊的長度方向定義為X軸方向，與X軸在同一平面且垂直于X軸方向定義為Y軸方向。
[0030]步驟4中由線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的攝像機(jī)采集靶標(biāo)上的結(jié)構(gòu)光光紋圖像，對結(jié)構(gòu)光光紋圖像通過數(shù)字圖象處理并提取特征點，進(jìn)而得到特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)，其包括如下采集處理過程:
[0031](4-1)在光平面同一 Z軸位置和同一 Y軸位置，即保持Z軸和Y軸不動，沿X軸方向微調(diào)三自由度精密平移臺微調(diào)η次，獲取η幅圖像；對獲取η幅圖像經(jīng)數(shù)字圖象處理后提取η組特征點,得到η組特征點的圖像坐標(biāo)(u, V)；
[0032]再求η組特征點圖像坐標(biāo)均值，得到該被測面上結(jié)構(gòu)光光上的所有特征點的圖像坐標(biāo)(U，V);依據(jù)三自由度精密平移臺的讀數(shù)值和空間坐標(biāo)系的原點位置，得到靶標(biāo)上特征點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(x，y，z)，其中X是結(jié)構(gòu)光光平面的位置坐標(biāo)，一般為定值可以不予考慮，即得到靶標(biāo)上特征點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z);記錄該被測面上結(jié)構(gòu)光光紋上的所有特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)；
[0033](4-2)沿Y軸方向微調(diào)三自由度精密平移臺，判斷是否調(diào)節(jié)結(jié)束，如結(jié)束，并微調(diào)m次，則得到光平面上同一 Z軸位置和不同Y軸位置的m組特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)；
[0034](4-3)沿Z軸方向微調(diào)三自由度精密平移臺，判斷是否調(diào)節(jié)結(jié)束，如結(jié)束，并微調(diào)I次，則得到光平面上mXl組特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)中的坐標(biāo)(y，z),然后接續(xù)執(zhí)行下一步步驟。
[0035]當(dāng)沿Y軸方向微調(diào)三自由度精密平移臺，如判斷調(diào)節(jié)不結(jié)束時，重復(fù)步驟(4-1)；
[0036]或當(dāng)沿Z軸方向微調(diào)三自由度精密平移臺，如判斷調(diào)節(jié)不結(jié)束，重復(fù)步驟4-1)和(4-2)。
[0037]步驟(4)中對結(jié)構(gòu)光光紋圖像進(jìn)行數(shù)字圖象處理，其包括以下具體過程:
[0038]對采集獲取的靶標(biāo)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括提取感興趣區(qū)域和中值濾波得到濾除干擾信息的結(jié)構(gòu)光光紋圖像；
[0039]對處理后的結(jié)構(gòu)光光紋圖像采用亞像素邊緣提取方法提取結(jié)構(gòu)光光紋邊緣；
[0040]依據(jù)提取出的結(jié)構(gòu)光光紋邊緣提取其光紋中心線；
[0041]對結(jié)構(gòu)光光紋中心線圖像中的多段中心線擬合直線，得到多段擬合中心線，提取每段擬合中心線的兩端點，得到一組特征點；
[0042]依據(jù)每個特征點在圖像中距離左下角間橫向和豎向的距離，獲取每個特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)。[0043]步驟(5)中建立的查找索引表為二維數(shù)組L，該二維數(shù)組L為行列為MXN，按照三自由度精密平移臺移動的次序，每列特征點信息為索引號、特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)中坐標(biāo)(y，z)，按Z軸移動的順序存放，而每一行中為三自由度精密平移臺
(2)Z軸為某一值時，按Y方向移動順序存放。
[0044]步驟中特征點圖像坐標(biāo)(U，V)同其空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)直接映射關(guān)系包括:
[0045]通過獲取結(jié)構(gòu)光光平面上特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)，根據(jù)該特征點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)，直接形成特征點的圖像坐標(biāo)同空間坐標(biāo)系坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系(u，v)-(y，z)，其中，圖像坐標(biāo)u對應(yīng)空間坐標(biāo)y，圖像坐標(biāo)V對應(yīng)空間坐標(biāo)z。
[0046]本發(fā)明的工作原理是采用標(biāo)準(zhǔn)量塊和利用三維精密平移臺形成高精度靶標(biāo)，通過獲取工作空間內(nèi)已知三維空間坐標(biāo)的特征點的圖像坐標(biāo)，根據(jù)圖像坐標(biāo)和空間三維坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，建立整個像面的查找表，特征點的數(shù)量由三維精密平移臺每次移動的步距和量程決定，之后可采用最小二乘法擬合算法，實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光傳感器的標(biāo)定。
[0047]本發(fā)明具有的有益效果及優(yōu)點:
[0048]1.本發(fā)明方法由標(biāo)準(zhǔn)量塊和利用三維精密平移臺構(gòu)成的靶標(biāo)精度高且成本較低。
[0049]2.本發(fā)明方法由于提取特征點的數(shù)量由三維精密平移臺每次移動的步距和量程決定，因此特征點數(shù)量大。
[0050]3.本發(fā)明方法采用建立特征點圖像坐標(biāo)同其空間三維坐標(biāo)的直接映射關(guān)系的方式解決傳統(tǒng)模型標(biāo)定方法中，相應(yīng)模型復(fù)雜、計算量大，提取特征點數(shù)量少的問題，本發(fā)明方法簡單直接，易于實現(xiàn)，能夠滿足小視場高精度測量應(yīng)用需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]圖1為線結(jié)構(gòu)光傳感器直接標(biāo)定方法原理圖；
[0052]圖2為線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標(biāo)定方法流程圖；
[0053]圖3為靶標(biāo)實物照片；
[0054]圖4為采用靶標(biāo)對線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標(biāo)定的示意圖；
[0055]圖5為采集靶標(biāo)圖像并提取特征點的流程圖；
[0056]圖6靶標(biāo)圖像處理流程圖；
[0057]圖7為圖6靶標(biāo)圖像處理結(jié)果圖片。
【具體實施方式】
[0058]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0059]如圖1、2所示，為線結(jié)構(gòu)光傳感器直接標(biāo)定方法原理圖及線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標(biāo)定方法流程圖。是一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，其特征在于:該標(biāo)定方法包括以下步驟:
[0060]步驟(I)建立通過標(biāo)準(zhǔn)量塊和利用三維精密平移臺形成的靶標(biāo)；
[0061]步驟(2)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中激光器投射結(jié)構(gòu)光光平面至靶標(biāo)上產(chǎn)生一條結(jié)構(gòu)光光紋與靶標(biāo)上的量塊相交，形成靶標(biāo)上的特征點；
[0062]步驟(3)在靶標(biāo)上建立空間坐標(biāo)系0ΧΥΖ，通過移動三自由度精密平移臺，可獲取靶標(biāo)上特征點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(x，y，z)；[0063]步驟(4)由線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中攝像機(jī)采集靶標(biāo)上的結(jié)構(gòu)光光紋圖像，對靶標(biāo)圖像經(jīng)數(shù)字圖象處理后提取特征點，進(jìn)而得到特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)；
[0064]步驟(5)建立查找索引表為特征點編號，記錄每一個采集的特征點的索引號、特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)，圖像坐標(biāo)(U，V)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)之間形成直接映射關(guān)系；
[0065]步驟(6)對線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器10進(jìn)行標(biāo)定，依據(jù)傳感器對實物測量到的待標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)(U，V)，對查找索引表進(jìn)行搜索，判斷待標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)與查找索引表中的特征點的圖像坐標(biāo)是否相同，如相同，該特征點的空間三維坐標(biāo)為傳感器待標(biāo)定點的空間三維坐標(biāo)，實現(xiàn)對線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的直接標(biāo)定。
[0066]如不相同，搜索與傳感器待標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)最接近的且包圍該待標(biāo)定點的四個點，依據(jù)該四點的空間三維坐標(biāo)，采用最小二乘法擬合算法，得到該傳感器待標(biāo)定點的空間三維坐標(biāo)，實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的直接標(biāo)定。
[0067]結(jié)合附圖詳細(xì)描述:步驟(6)中對線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器10進(jìn)行標(biāo)定，包括如下標(biāo)定過程:
[0068]搜索查找索引表，判斷傳感器待標(biāo)定點圖像坐標(biāo)與索引表中的特征點的圖像坐標(biāo)是否相同。
[0069]當(dāng)搜索出傳感器待標(biāo)定點圖像坐標(biāo)與索引表中的特征點的圖像坐標(biāo)相同時，取出該特征點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)為傳感器待標(biāo)定點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)，實現(xiàn)對線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的直接標(biāo)定。
[0070]當(dāng)傳感器待標(biāo)定點圖像坐標(biāo)與索引表中的特征點的圖像坐標(biāo)不相同時，包括如下過程:
[0071]找到與傳感器待標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)最接近的且包圍該待標(biāo)定點的四個點；
[0072]利用找到的四個點，采用最小二乘法擬合算法，算出傳感器待標(biāo)定點的空間三維坐標(biāo)，設(shè)找到的四個點為T1, T2, T3, T4，設(shè)平面方程為Y = A*u+B*v+C，根據(jù)最小二乘法擬合，平面公式(2)如下:
【權(quán)利要求】
1.一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，其特征在于:該標(biāo)定方法包括以下步驟: 步驟(1)建立通過標(biāo)準(zhǔn)量塊和利用三維精密平移臺形成的靶標(biāo)； 步驟(2)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中激光器投射結(jié)構(gòu)光光平面至靶標(biāo)上產(chǎn)生一條結(jié)構(gòu)光光紋與祀標(biāo)上的量塊相交，形成祀標(biāo)上的特征點； 步驟(3)在靶標(biāo)上建立空間坐標(biāo)系OXYZ，通過移動三自由度精密平移臺，可獲取靶標(biāo)上特征點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(x，y，z)； 步驟(4)由線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中攝像機(jī)采集靶標(biāo)上的結(jié)構(gòu)光光紋圖像，對靶標(biāo)圖像經(jīng)數(shù)字圖象處理后提取特征點，進(jìn)而得到特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)； 步驟(5)建立查找索引表為特征點編號，記錄每一個采集的特征點的索引號、特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)，圖像坐標(biāo)(u，v)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)之間形成直接映射關(guān)系； 步驟(6)對線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器(10)進(jìn)行標(biāo)定，依據(jù)傳感器對實物測量到的待標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)(U，V)，對查找索引表進(jìn)行搜索，判斷待標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)與查找索引表中的特征點的圖像坐標(biāo)是否相同，如相同，該特征點的空間三維坐標(biāo)為傳感器待標(biāo)定點的空間三維坐標(biāo)，實現(xiàn)對線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的直接標(biāo)定。
2.按權(quán)利要求1所述一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，其特征在于:如不相同，搜索與傳感器待標(biāo)定點的圖像坐標(biāo)最接近的且包圍該待標(biāo)定點的四個點，依據(jù)該四點的空間三維坐標(biāo)，采用最小二乘法擬合算法，得到該傳感器待標(biāo)定點的空間三維坐標(biāo)，實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的直接標(biāo)定。
3.按權(quán)利要求1所述一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，其特征在于:步驟(1)中建立通過標(biāo)準(zhǔn)量塊和利用三維精密平移臺形成的靶標(biāo)，其靶標(biāo)形成過程包括: 選擇相同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)量塊(I)，量塊的數(shù)量由攝像機(jī)(9 )視場大小和量塊的標(biāo)稱厚度決定，將量塊的標(biāo)稱厚度所在面作為被測面，每兩個量塊為一組橫豎交錯排布，并每兩組橫擺放的量塊之間形成間隔段，保證所有橫擺放量塊的厚度的所在面位于同一平面上； 將布置好的量塊組安裝在三自由度精密平移臺(2)上，調(diào)整量塊組使量塊被測面(5)所在平面垂直于三自由度精密平移臺的豎直移動方向，使量塊被測面(5)的長度方向平行于三自由度精密平移臺的一個水平移動方向，最后固定安裝組成標(biāo)定靶標(biāo)。
4.按權(quán)利要求1所述一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，其特征在于:步驟(2)中線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的激光器投射結(jié)構(gòu)光光平面到靶標(biāo)上產(chǎn)生一條結(jié)構(gòu)光光紋與靶標(biāo)上的量塊相交，形成祀標(biāo)上的特征點，其特征點具體形成過程包括: 將線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的激光器(11)發(fā)射的結(jié)構(gòu)光光平面(12)投射在祀標(biāo)每個橫擺放量塊的被測面(5)上，結(jié)構(gòu)光光紋與靶標(biāo)上的量塊相交，形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)光光紋，這些不連續(xù)結(jié)構(gòu)光光紋中，每段光紋兩端的端點，即結(jié)構(gòu)光光紋和靶標(biāo)中每個量塊的棱邊的交點，即為祀標(biāo)上的特征點。
5.按權(quán)利要求1所述一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，其特征在于:步驟(3)中在靶標(biāo)上建立空間坐標(biāo)系OXYZ，其包括如下過程: 調(diào)整線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的激光器(11)發(fā)射的結(jié)構(gòu)光光平面(12)確保其垂直于靶標(biāo)的被測面(5)、結(jié)構(gòu)光光紋垂直于靶標(biāo)中每個量塊的棱邊(4)； 定義光平面(12)有效區(qū)間內(nèi)的最 遠(yuǎn)端，即距離傳感器最遠(yuǎn)位置處，該位置的結(jié)構(gòu)光光紋(7)與祀標(biāo)邊緣(4)的量塊相交的端點為坐標(biāo)原點O ; 定義空間坐標(biāo)系的三個坐標(biāo)軸:垂直于被測面(5)且平行于三自由度精密平移臺(2)的豎直移動方向定義為Z軸方向；被測面上量塊的長度方向定義為X軸方向，與X軸在同一平面且垂直于X軸方向定義為Y軸方向。
6.按權(quán)利要求1所述一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，其特征在于:步驟(4)中由線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的攝像機(jī)采集靶標(biāo)上的結(jié)構(gòu)光光紋圖像，對結(jié)構(gòu)光光紋圖像通過數(shù)字圖象處理并提取特征點，進(jìn)而得到特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)，其包括如下采集處理過程: (4-1)在光平面(12)同一 Z軸位置和同一 Y軸位置，即保持Z軸和Y軸不動，沿X軸方向微調(diào)三自由度精密平移臺(2)微調(diào)η次，獲取η幅圖像；對獲取η幅圖像經(jīng)數(shù)字圖象處理后提取η組特征點,得到η組特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)； 再求η組特征點圖像坐標(biāo)均值，得到該被測面(5)上結(jié)構(gòu)光光紋(7)上的所有特征點(6)的圖像坐標(biāo)(U，V);依據(jù)三自由度精密平移臺的讀數(shù)值和空間坐標(biāo)系的原點位置，得到靶標(biāo)上特征點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(x，y，z)，其空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)為所求靶標(biāo)上特征點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)；記錄該被測面(5)上結(jié)構(gòu)光光紋(7)上的所有特征點(6)的圖像坐標(biāo)(U，V)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)； (4-2)沿Y軸方向微調(diào)三自由度精密平移臺(2)，判斷是否調(diào)節(jié)結(jié)束，如結(jié)束，并微調(diào)m次，則得到光平面上(12)同一 Z軸位置和不同Y軸位置的m組特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)； (4-3)沿Z軸方向微調(diào)三自由度精密平移臺(2)，判斷是否調(diào)節(jié)結(jié)束，如結(jié)束，并微調(diào)I次，則得到光平面上(12)上mXl組特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)，然后接續(xù)執(zhí)行下一步步驟。
7.按權(quán)利要求6所述一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，其特征在于:當(dāng)沿Y軸方向微調(diào)三自由度精密平移臺(2)，如判斷調(diào)節(jié)不結(jié)束時，重復(fù)步驟(4-1)； 或當(dāng)沿Z軸方向微調(diào)三自由度精密平移臺(2)，如判斷調(diào)節(jié)不結(jié)束，重復(fù)步驟4-1)和(4-2)。
8.按權(quán)利要求1或7所述的一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，其特征在于:步驟(4)中對結(jié)構(gòu)光光紋圖像進(jìn)行數(shù)字圖象處理，其包括以下具體過程: 對采集獲取的靶標(biāo)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括提取感興趣區(qū)域和中值濾波得到濾除干擾信息的結(jié)構(gòu)光光紋圖像； 對處理后的結(jié)構(gòu)光光紋圖像采用亞像素邊緣提取方法提取結(jié)構(gòu)光光紋邊緣； 依據(jù)提取出的結(jié)構(gòu)光光紋邊緣提取其光紋中心線； 對結(jié)構(gòu)光光紋中心線圖像中的多段中心線擬合直線，得到多段擬合中心線，提取每段擬合中心線的兩端點，得到一組特征點； 依據(jù)每個特征點在圖像中距離左下角間橫向和豎向的距離，獲取每個特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)。
9.按權(quán)利要求1所述的一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，其特征在于:步驟(5)中建立的查找索引表為二維數(shù)組L，該二維數(shù)組L為行列為MXN，按照三自由度精密平移臺(2)移動的次序，每列特征點信息為索引號、特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)和空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)，按Z軸移動的順序存放，而每一行中為三自由度精密平移臺(2) Z軸為某一值時，按Y方向移動順序存放。
10.按權(quán)利要求1或9所述一種線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器直接標(biāo)定方法，其特征在于:步驟(5)中特征點圖像坐標(biāo)(U，V)同其空間坐標(biāo)系坐標(biāo)中坐標(biāo)(y，z)直接映射關(guān)系包括: 通過獲取結(jié)構(gòu)光光平面(12)上特征點的圖像坐標(biāo)(U，V)，根據(jù)該特征點的空間坐標(biāo)系坐標(biāo)(y，z)，直接形成特征點的圖像坐標(biāo)同空間坐標(biāo)系坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系(u，v)-(y，z)，其中，圖像坐標(biāo)u對 應(yīng)空間坐標(biāo)y，圖像坐標(biāo)V對應(yīng)空間坐標(biāo)z。
【文檔編號】G01B11/00GK103884271SQ201210559444
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月20日
【發(fā)明者】鄒媛媛, 趙明揚, 高英美, 朱思俊, 池世春 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所