用于線激光位置標(biāo)定的標(biāo)定板及線激光相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于線激光位置標(biāo)定的標(biāo)定板及線激光相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法，該用于線激光位置標(biāo)定的標(biāo)定板包括第一標(biāo)定區(qū)域和第二標(biāo)定區(qū)域，所述第一標(biāo)定區(qū)域的高度大于第二標(biāo)定區(qū)域的高度，該線激光相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法包括以下步驟：S1、通過(guò)相機(jī)獲取所述標(biāo)定板的圖像，在所述第二標(biāo)定區(qū)域選取較準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)校準(zhǔn)點(diǎn)求得相機(jī)的畸變系數(shù)、相機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移矩陣及相機(jī)焦距；S2、打開激光器，激光器在所述第一標(biāo)定區(qū)域和第二標(biāo)定區(qū)域各投影出一條激光線，計(jì)算每條所述激光線上的任意兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)所述坐標(biāo)求得對(duì)應(yīng)激光線的方程；S3、通過(guò)所述激光線的方程計(jì)算激光平面的方程以及激光平面與標(biāo)定板平面的夾角。
【專利說(shuō)明】
用于線激光位置標(biāo)定的標(biāo)定板及線激光相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及三維測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于線激光位置標(biāo)定的標(biāo)定板及線 激光相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維重建是視覺(jué)領(lǐng)域中非常重要的一部分，攝像機(jī)加線激光的表面三維重建就是 三維重建眾多方法中的一種，其結(jié)構(gòu)相對(duì)雙目重建復(fù)雜一點(diǎn)，但是其精度比較高，常用于工 業(yè)產(chǎn)品中各種缺陷檢測(cè)或高精度表面重建環(huán)境。
[0003] 在使用單目相機(jī)加線激光進(jìn)行三維重建過(guò)程中，相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定(畸變系數(shù)、 焦距、旋轉(zhuǎn)平移矩陣等的求?。┖途€激光位置(光平面在相機(jī)坐標(biāo)系或世界坐標(biāo)系中的方 程)的標(biāo)定極其重要，這些參數(shù)直接影響到重建出來(lái)的效果好與否，精度高與低，線激光位 置標(biāo)定的方法主要分為三維標(biāo)定和二維標(biāo)定。在三維祀標(biāo)標(biāo)定中，需要制作高精度的三維 靶標(biāo)，立體靶標(biāo)的大小需要與測(cè)量視場(chǎng)基本相當(dāng)，存在加工難度大、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，未能在 生產(chǎn)實(shí)際中廣泛應(yīng)用。在二維平面標(biāo)定中，二維平面標(biāo)定板的制作雖然簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)在于 需要兩次擺放標(biāo)定板，兩次求取旋轉(zhuǎn)平移矩陣，標(biāo)定過(guò)程過(guò)于繁瑣，計(jì)算量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種線激光相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法，以解決現(xiàn)有夾具功能單 一的問(wèn)題。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于線激光位置標(biāo)定的標(biāo)定板，包括第一 標(biāo)定區(qū)域和第二標(biāo)定區(qū)域，所述第一標(biāo)定區(qū)域的高度大于第二標(biāo)定區(qū)域的高度。
[0006] 提供一種用于線激光位置標(biāo)定的標(biāo)定板，包括第一標(biāo)定區(qū)域和第二標(biāo)定區(qū)域，所 述第一標(biāo)定區(qū)域的高度大于第二標(biāo)定區(qū)域的高度。
[0007] 提供一種采用上述標(biāo)定板的線激光相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法，包括以下步驟：
[0008] Sl、通過(guò)相機(jī)獲取所述標(biāo)定板的圖像；
[0009] S2、在所述第二標(biāo)定區(qū)域選取較準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)校準(zhǔn)點(diǎn)求得相機(jī)的畸變系數(shù)、相機(jī)坐標(biāo) 系到世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移矩陣及相機(jī)焦距；
[0010] S3、打開激光器，激光器在所述第一標(biāo)定區(qū)域和第二標(biāo)定區(qū)域各投影出一條激光 線；
[0011] S4、計(jì)算所述每條激光線上的任意兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0012] S5、通過(guò)所述坐標(biāo)求得對(duì)應(yīng)激光線的方程；
[0013] S6、通過(guò)所述激光線的方程計(jì)算激光平面的方程以及激光平面與標(biāo)定板平面的夾 角。
[0014] 本發(fā)明的有益效果為:綜合了三維和二維標(biāo)定的特點(diǎn)，提出了一種基于梯形標(biāo)定 板的標(biāo)定方法，可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，降低了標(biāo)定過(guò)程和運(yùn)算的復(fù)雜度，提高了速度、穩(wěn)定 性及實(shí)用性。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，在這 些附圖中使用相同的參考標(biāo)號(hào)來(lái)表示相同或相似的部分，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明 用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。在附圖中：
[0016] 圖1示出了本申請(qǐng)標(biāo)定板的示意圖；
[0017]圖2示出了本申請(qǐng)的流程示意圖；
[0018] 圖3示出了本申請(qǐng)相機(jī)模型的透視投影原理圖；
[0019] 圖4示出了本申請(qǐng)世界坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移示意圖；
[0020] 圖5示出了本申請(qǐng)?zhí)崛≥^準(zhǔn)點(diǎn)的示意圖；
[0021 ]圖6示出了本申請(qǐng)線激光標(biāo)定時(shí)的透視原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法、技巧更加清楚明白，以下將結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本 發(fā)明作詳細(xì)的介紹。這里所描述的具體是實(shí)施方案僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0023] 根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例，如圖1所示，該用于線激光位置標(biāo)定的標(biāo)定板包括第一 標(biāo)定區(qū)域7和第二標(biāo)定區(qū)域8,所述第一標(biāo)定區(qū)域7的高度大于第二標(biāo)定區(qū)域8的高度，其高 度差為h;該用于線激光位置標(biāo)定的第一標(biāo)定區(qū)域7和第二標(biāo)定區(qū)域8上均分布有大小相同 的棋盤格，且棋盤格的邊長(zhǎng)已知。
[0024] 根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例，如圖2所示，該線激光相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法，包括以 下步驟：
[0025] 第一步，畸變系數(shù)k的求?。?br>[0026] 將標(biāo)定板放置在相機(jī)視野中，通過(guò)相機(jī)獲取一張清晰的標(biāo)定板圖像，選取標(biāo)定板 上第二標(biāo)定區(qū)域8內(nèi)同一直線上的四點(diǎn)作為較準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)標(biāo)定相機(jī)的畸變系數(shù)k，如圖5所示，選 取了對(duì)角線上的A，B，C，D四點(diǎn)來(lái)標(biāo)定相機(jī)的畸變系數(shù)k。
[0027]如圖3所示的透視投影原理圖，其中0wXwywZw為世界坐標(biāo)系，也就是現(xiàn)實(shí)中的坐標(biāo) 系，在標(biāo)定過(guò)程中，將標(biāo)定板第二標(biāo)定區(qū)域8的一個(gè)頂點(diǎn)作為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，如圖5所 示，Xw軸和yw軸分別與棋盤格邊緣重合，Z w軸垂直與標(biāo)定板面。Oxyz為相機(jī)坐標(biāo)系，其中Oz軸 為相機(jī)光軸。VXY為圖像物理坐標(biāo)系，坐標(biāo)系建立在CCD圖像陣列上，以mm為單位，其中為 光軸與圖像的交點(diǎn)。〇〃uv為圖像像素坐標(biāo)系，也是建立在CCD圖像陣列上的，以像素為單位， 其中〇〃為圖像左上角起始點(diǎn)。相機(jī)坐標(biāo)系、圖像物理坐標(biāo)系以及圖像像素坐標(biāo)系的X軸和Y 軸分別平行。在圖像像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(11〇，仰），00 /的長(zhǎng)度等于相機(jī)的焦距€。設(shè)一點(diǎn) P，其世界坐標(biāo)系為P (Xw，yx，Zw)相機(jī)坐標(biāo)系為P (X，y，z)，P點(diǎn)在圖像上的理想投影點(diǎn)所對(duì)應(yīng) 的物理坐標(biāo)應(yīng)為Pu (Xu，Yu )，但由于鏡頭存在畸變，所以其實(shí)際點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)該為畸變后的一點(diǎn) Pd(Xd，Yd)〇
[0028]圖像像素坐標(biāo)系和圖像物理坐標(biāo)系存在如下關(guān)系：
[0029]
(I)
[0030] 其中，Dx和Dy分別是圖像中每個(gè)像素的實(shí)際長(zhǎng)和寬的尺寸，（UQ，Vo)為圖像中心坐 標(biāo)，即光軸與圖像的交點(diǎn)，也是圖像物理坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)。
[0031] 由于相機(jī)鏡頭存在一定的畸變，設(shè)畸變系數(shù)為k，可得到等式：
[0032]
(2)
[0033] 其中，#二_ + 1|，Χ，Υ為理想條件下的圖像物理坐標(biāo)，即不考慮畸變情況下的坐 標(biāo);Xd，Yd為實(shí)際獲取的圖像物理坐標(biāo)，即畸變后的坐標(biāo)。
[0034]如圖5所示，由于A，B，C，D四點(diǎn)都在標(biāo)定板上，且棋盤格大小邊長(zhǎng)都是已知的，所以 A，B，C，D四點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的點(diǎn)坐標(biāo)是已知的，且其Zw坐標(biāo)都為0。設(shè)A，B，C，D在圖像中的 理想投影點(diǎn)（不考慮畸變彡為六:^^心^^根據(jù)透視投影原理和交比不變性可得到如下等 式：
[0035]
[0036]等式（3)是在理想情況下建立的方程，而A，B，C，D在圖像中的實(shí)際投影點(diǎn)并不是 △1，81，&，01，而是其畸變后的點(diǎn)六<1，8 (1心，0(1。由于4,8，(：，0四點(diǎn)的坐標(biāo)都是已知的，且從等式 (2)可知道A1，B1，C1，圖像物理坐標(biāo)可以用Ad，Bd，Cd，Dd的圖像物理坐標(biāo)以及參數(shù)k的來(lái)表 示，Ad，Bd，Cd，Dd的圖像物理坐標(biāo)可從其圖像像素坐標(biāo)變換中求取出來(lái)，而Ad，Bd，Cd，Dd圖像像 素坐標(biāo)可從圖像中獲得，所以可以綜合等式(3)、等式(2)以及等式(1)求得畸變系數(shù)k。
[0037] 第二步，相機(jī)外部參數(shù)以及相機(jī)焦距f的求?。?br>[0038] 其中相機(jī)外部參數(shù)是世界坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R以及平移矩陣T。
[0039] 如圖3所示，根據(jù)投影變換原理，可得到如下方程：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]其中P為一比例因子，f為相機(jī)焦距，X，Y為圖像物理坐標(biāo)系中點(diǎn)的坐標(biāo)，x，y，z為相 機(jī)坐標(biāo)系中點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0044] 兩個(gè)坐標(biāo)系之間可以通過(guò)一個(gè)坐標(biāo)系平移和旋轉(zhuǎn)達(dá)到和另一個(gè)坐標(biāo)系相重合。如 圖4所示，為世界坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移示意圖。
[0045]
[0046] 等式(6)中R為3X3正交單位矩陣，代表世界坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)角度 關(guān)系，T為3 Xl的平移向量，其中
[0047] T=(tx，ty，tz)T (7)
[0048]
[0049] 在等式(8)中，α為繞Xw軸的旋轉(zhuǎn)角，β為繞yw軸的旋轉(zhuǎn)角，γ為繞Zw軸的旋轉(zhuǎn)角。各 個(gè)角度旋轉(zhuǎn)的正方向定義為從坐標(biāo)系原點(diǎn)沿各坐標(biāo)軸正方向觀察時(shí)的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向。如 圖4所不，將世界坐標(biāo)系沿Xw軸平移t x，沿軸平移ty，沿Zw軸平移tz，然后繞Xw軸旋轉(zhuǎn)α，繞yw 軸旋轉(zhuǎn)隊(duì)繞2|軸旋轉(zhuǎn)γ，即可與相機(jī)坐標(biāo)系重合。
[0050] 八
[0051]
[0052] 將等式(9)和等式(7)代入等式(6)可以得到：
[0053]
[0054] 將等式（10)和（1)代入(5)，可以得到：
[0055；
[0056] 在等式(11)中，ri~r9，tx，ty，t z，f為未知參數(shù)，也就是需要標(biāo)定的部分參數(shù)。
[0057] 根據(jù)等式(10)和等式(4)可以獲得以下等式：
[0058]
[0059] 由于世界坐標(biāo)系是建立在標(biāo)定板上的，而A，B，C，D四個(gè)點(diǎn)都在標(biāo)定板上，所以其~ =0,繼而等式（12)可改為：
[0060]
[0061 ] 任意選取標(biāo)定板上六個(gè)已知較準(zhǔn)點(diǎn)代入等式（13)中可以求出ri，Γ2，Γ4，Γ5，tx，ty， 由于旋轉(zhuǎn)矩陣為正交單位陣，根據(jù)單位正交矩陣的特性，可以通過(guò)ri，Γ2，Γ4，Γ5求得Γ3，Γ6， Π,YSjT^o
[0062] 從等式(10)和等式(4)還可以獲得以下等式：
[0063]
[0064] 結(jié)合等式（14)和等式（l)，f，tz可以很容易的被求解出來(lái)。到此，相機(jī)的參數(shù)標(biāo)定 基本完成。
[0065]第三步，激光線投影方程的計(jì)算：
[0066]標(biāo)定板和相機(jī)保持剛才的相對(duì)位置不動(dòng)，打開激光器，激光器將在標(biāo)定板上投影 出兩條激光線，如圖6所示，圖中標(biāo)注1為相機(jī)平面，2表示激光平面，3為激光平面與標(biāo)定板 第一標(biāo)定區(qū)域7的交線L2,4為標(biāo)定板第一標(biāo)定區(qū)域7,5為激光平面與標(biāo)定板第二標(biāo)定區(qū)域8 的交線L 1,6是標(biāo)定板的第二標(biāo)定區(qū)域8，h為第一標(biāo)定區(qū)域7和第二標(biāo)定區(qū)域8已知的高度 差，Θ為激光平面與標(biāo)定板平面的夾角。激光平面交標(biāo)定板平面于L1，1^兩條直線，其中LHi 于標(biāo)定板第二標(biāo)定區(qū)域8，L2位于標(biāo)定板第一標(biāo)定區(qū)域7,同時(shí)L1,1^均位于相機(jī)的某一個(gè)平 面上。
[0067] SL1上的一點(diǎn)丹，可知道它在圖像像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為P1 (m，V1)，可以通過(guò)等式 (11)求得其在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為P1(PnPpO)，同理，可求得1^上另一點(diǎn)&的世界坐標(biāo)Q1 (Qx，Qy，0 )，通過(guò)P1，Q1的點(diǎn)坐標(biāo)，可求得激光線1^在世界坐標(biāo)系中的方程。同理，可以在激光 線Ud:取不同的兩點(diǎn)P 2，Q2,由于標(biāo)定板高度差為已知h，再結(jié)合等式（11)可求得P2，Q2兩點(diǎn)在 世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)P 2(Px，Py，h)和Q2(Qx，Q y，h)，繼而求得激光線1^2在世界坐標(biāo)系中的方 程。
[0068]第四步，激光平面方程及其與標(biāo)定板平面夾角的計(jì)算：
[0069]由于L1,1^都屬于同一個(gè)激光平面，且L1,1^相互平行，所以可通過(guò)L 1,1^直線的方 程，求得激光平面的方程。由于世界坐標(biāo)系是建立在標(biāo)定板上的，所以標(biāo)定板平面為〇wXwyw 平面，標(biāo)定板平面方程和激光平面方程均已知，通過(guò)數(shù)學(xué)知識(shí)很容易求得兩已知平面的夾 角θ，即激光平面與標(biāo)定板平面之間的夾角θ。
[0070]結(jié)合相機(jī)參數(shù)f，k以及旋轉(zhuǎn)平移矩陣和激光平面的方程，可求得激光平面上任意 一點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，從而可求得激光平面與被測(cè)物體表面交線上點(diǎn)的在世界坐標(biāo) 系中的三維坐標(biāo)，通過(guò)被測(cè)物體和激光線結(jié)構(gòu)光的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)掃描物體輪廓，從而重建出 被測(cè)物體的三維表面輪廓。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于線激光位置標(biāo)定的標(biāo)定板，其特征在于，包括第一標(biāo)定區(qū)域和第二標(biāo)定區(qū) 域，所述第一標(biāo)定區(qū)域的高度大于第二標(biāo)定區(qū)域的高度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于線激光位置標(biāo)定的標(biāo)定板，其特征在于，所述第一標(biāo)定區(qū) 域和第二標(biāo)定區(qū)域上均分布有大小相同的棋盤格。3. -種線激光相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 通過(guò)相機(jī)獲取所述標(biāo)定板的圖像； 52、 在所述第二標(biāo)定區(qū)域選取較準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)校準(zhǔn)點(diǎn)求得相機(jī)的畸變系數(shù)、相機(jī)坐標(biāo)系到 世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移矩陣及相機(jī)焦距； 53、 打開激光器，激光器在所述第一標(biāo)定區(qū)域和第二標(biāo)定區(qū)域各投影出一條激光線； 54、 計(jì)算所述每條激光線上的任意兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)； 55、 通過(guò)所述坐標(biāo)求得對(duì)應(yīng)激光線的方程； 56、 通過(guò)所述激光線的方程計(jì)算激光平面的方程以及激光平面與標(biāo)定板平面的夾角。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的線激光相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法，其特征在于，計(jì)算所述畸變系 數(shù)的公式為：其中，q2 = Xd2+Yd2，X、Y為不考慮畸變情況下的圖像物理坐標(biāo)，Xd、Yd為實(shí)際獲取的圖像物 理坐標(biāo)，即畸變后的坐標(biāo)，k為畸變系數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK106056620SQ201610420487
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日
【發(fā)明人】劉桂華, 張華 , 游斌相, 龍惠民
【申請(qǐng)人】西南科技大學(xué)