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專利名稱：：基于量塊的線結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于視覺(jué)測(cè)量
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種基于量塊的線結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)檢測(cè)中傳感器參數(shù)標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
：目前，線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感技術(shù)采用的是非接觸測(cè)量方式，測(cè)量范圍較大，而且測(cè)量速度快、系統(tǒng)柔性好、精度適中，在產(chǎn)品在線檢測(cè)、三維重建等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。線結(jié)構(gòu)光傳感器是一種基于光學(xué)三角測(cè)量原理的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)。線結(jié)構(gòu)光投射器投射單線或多線結(jié)構(gòu)光到被測(cè)物體上，光條被被測(cè)物表面形狀調(diào)制，用攝像機(jī)拍攝含有調(diào)制光條的被測(cè)物表面圖像，根據(jù)攝像機(jī)與結(jié)構(gòu)光平面的空間位置關(guān)系可以得到被測(cè)物表面的二維坐標(biāo)。常見(jiàn)的線結(jié)構(gòu)光傳感器參數(shù)標(biāo)定方法有拉絲法、鋸齒靶法、基于三維耙標(biāo)的交比不變法，以及基于平面靶標(biāo)的標(biāo)定方法等。其中，拉絲法需要人工測(cè)量亮點(diǎn)的坐標(biāo)，操作復(fù)雜，測(cè)量誤差較大，并且需要輔助設(shè)備。鋸齒靶法中標(biāo)定靶的加工精度直接影響到標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)的準(zhǔn)確性。另外，加工成本高，齒棱有限，獲得的標(biāo)定點(diǎn)數(shù)目少。基于三維靶標(biāo)的交比不變法需要的三維靶標(biāo)加工成本高，兩個(gè)垂直平面之間容易出現(xiàn)遮擋，而且獲得的標(biāo)定點(diǎn)不多。基于二維平面靶標(biāo)的標(biāo)定方法采用交比不變?cè)慝@得標(biāo)定點(diǎn)，靶標(biāo)上特征點(diǎn)很少。邾繼貴在中國(guó)專利CN200510013231.7中提出的一種基于共面參照物的線結(jié)構(gòu)光傳感器快速標(biāo)定方法，此方法只能用于線結(jié)構(gòu)光或多線結(jié)構(gòu)光的標(biāo)定。張廣軍在中國(guó)專利CN200810081873.4中提出的一種基于二維交比不變的結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定方法，該方法提出了通過(guò)獲取線結(jié)構(gòu)光多次投射在棋盤格型靶標(biāo)平面上的光條點(diǎn)的標(biāo)定方法。雖然可以獲得較多的標(biāo)定點(diǎn)，但棋盤格的制作是采用打印的方式，則其精度將比機(jī)械加工更低。孫長(zhǎng)庫(kù)在中國(guó)專利CN200410019980.6中公開(kāi)了關(guān)于結(jié)構(gòu)光參數(shù)的標(biāo)定所采用的靶標(biāo)是一系列直線。同樣可以保證標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)量，但制作方式的精度很低。此外，在中國(guó)專利CN200710115833.2、CN02156599.6、CN03142658.1中分別提出了使用標(biāo)準(zhǔn)球、圓孔、十字叉絲、矩形塊等靶標(biāo)特征進(jìn)行線結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定。但這些特征的機(jī)械加工精度和成本都是不能很好的滿足要求的。綜上所述，目前線結(jié)構(gòu)光標(biāo)定還存在著提取特征點(diǎn)數(shù)量少，加工成本高，標(biāo)定點(diǎn)坐標(biāo)精度低等缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了克服上述的缺陷，提出一種基于量塊的線結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法，它采用高精度、低成本的靶標(biāo)對(duì)線結(jié)構(gòu)光參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于量塊的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法，其特征在于依次包括下列步驟1、根據(jù)所需標(biāo)定的圖像區(qū)域，選擇標(biāo)稱厚度小于攝像機(jī)視場(chǎng)范圍的至少一種規(guī)格的量塊進(jìn)行間隔且交錯(cuò)排布，其中相鄰的量塊的被測(cè)面不能位于同一平面上，相間隔的量塊的被測(cè)物位于同一平面上；2、將量塊靶標(biāo)固定于一個(gè)移動(dòng)導(dǎo)軌上，調(diào)整量塊被測(cè)面，使其垂直于導(dǎo)軌移動(dòng)方向，并且調(diào)整導(dǎo)軌，使量塊被測(cè)面垂直于投射光平面；3、定義靶標(biāo)在第一個(gè)位置，即距離傳感器最近位置時(shí)光條和中心量塊的光條端點(diǎn)，為空間測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)，然后沿不連續(xù)光條定義0Y軸，沿導(dǎo)軌移動(dòng)方向定義OX軸，建立空間坐標(biāo)系；4、通過(guò)移動(dòng)靶標(biāo)，使在導(dǎo)軌上處于不同位置，光投射器投射出橫截面為矩形的光束，在量塊被測(cè)面上產(chǎn)生一條不連續(xù)光條，調(diào)整光條，確保光條垂直于量塊；5、由攝像機(jī)拍攝量塊靶標(biāo)圖像，通過(guò)測(cè)量光條像素點(diǎn)與圖像左下角間橫向和豎向距離，獲取這些不連續(xù)光條的像素坐標(biāo)；6、通過(guò)圖像處理，從步驟5所獲得光條像素坐標(biāo)中尋找光條像素點(diǎn)中灰度值由白色跳變?yōu)楹谏南袼兀瑢⑵涠x為光條端點(diǎn)，并提取各個(gè)光條兩端端點(diǎn)的像素坐標(biāo)(^;y)，根據(jù)量塊排布確定量塊端點(diǎn)的坐標(biāo)A，根據(jù)靶標(biāo)移動(dòng)的步長(zhǎng)來(lái)確定坐標(biāo)/,，將他們組合即為靶標(biāo)上各不連續(xù)光條端點(diǎn)在空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(A，》，二)，其中^是光條所在平面的位置坐標(biāo)，一般情況下默認(rèn)為零，代入如式(1)的線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，可以得到攝像機(jī)的傳感器參數(shù)i、f,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中，w表示一比例常數(shù)，/表示CCD攝像機(jī)的有效焦距，i為3x3的旋轉(zhuǎn)矩陣，/為3x1的平移矢量。所說(shuō)的標(biāo)稱厚度小于視場(chǎng)范圍，是指帶有鏡頭的攝像機(jī)所能拍攝到的范圍，這個(gè)范圍一般用視場(chǎng)角來(lái)表征，而視場(chǎng)角的大小不僅與攝像機(jī)CCD的尺寸也有關(guān)，更與鏡頭焦距有關(guān)，焦距越短，視場(chǎng)角越大。因此這個(gè)標(biāo)定方法是對(duì)已經(jīng)形成的視場(chǎng)范圍進(jìn)行的標(biāo)定，至于視場(chǎng)范圍則沒(méi)有任何要求，量塊的取值范圍只要不大于視場(chǎng)范圍即可。本發(fā)明基于量塊的結(jié)構(gòu)光傳感器標(biāo)定方法，在移動(dòng)量塊靶標(biāo)的情況下，可以獲取不同位置下的多個(gè)光條點(diǎn)，光條點(diǎn)的數(shù)量由量塊的尺寸決定，即固定視場(chǎng)范圍內(nèi)量塊尺寸越小，光條點(diǎn)數(shù)越多。通過(guò)圖像處理獲得所有位置下光條端點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算得到傳感器參數(shù)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)量塊是常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)量具，精度遠(yuǎn)高于一般的機(jī)加工件，但成本相對(duì)要低得多，可以作為標(biāo)定過(guò)程的高精度標(biāo)準(zhǔn)源；以量塊間隔排布的方式建立靶標(biāo)，激光投射器投射到量塊被測(cè)面上的光條，由于量塊的排布方式會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的情況，而其中每段光條的長(zhǎng)度就是量塊的標(biāo)稱厚度。這樣，與現(xiàn)有的其他標(biāo)定方式相比，靶標(biāo)的精度有了極大的提高，同時(shí)降低了成本，實(shí)現(xiàn)了比較好的性價(jià)比。附圖l是本發(fā)明的三種量塊組合方式圖。附圖2是本發(fā)明的量塊靶標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3是本發(fā)明的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)示意圖。附圖4是本發(fā)明的攝像機(jī)采集的一種量塊排布方式的靶標(biāo)圖像。具體實(shí)施例方式實(shí)施例本發(fā)明基于量塊的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法，在移動(dòng)量塊靶標(biāo)的情況下，可以獲取不同位置下的多個(gè)光條點(diǎn)，光條點(diǎn)的數(shù)量由量塊的尺寸決定，即固定視場(chǎng)范圍內(nèi)量塊尺寸越小，光條點(diǎn)數(shù)越多。通過(guò)圖像處理獲得所有位置下光條端點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算得到傳感器參數(shù)。下面通過(guò)具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明基于量塊的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明標(biāo)定系統(tǒng)由不同規(guī)格的量塊、靶標(biāo)、激光器和攝像機(jī)組成，以標(biāo)稱厚度為3、7、10mm的量塊2為例，其中，量塊的長(zhǎng)度為35mm,寬度為9mm,這兩個(gè)尺寸均不分量塊規(guī)格，是固定不變的，以間隔且交錯(cuò)形式排列，如圖1所示，固裝于靶標(biāo)夾板1之間，形成靶標(biāo)4，如圖2所示，將靶標(biāo)通過(guò)底座3固定于移動(dòng)導(dǎo)軌6上，激光器5投射激光到靶標(biāo)4上，形成光條，安裝在調(diào)整支架8上的攝像機(jī)7拍攝含有光條的靶標(biāo)圖像，如圖3所示；基于量塊的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法，依次包括下列步驟1、調(diào)整量塊被測(cè)面，使其垂直于導(dǎo)軌移動(dòng)方向，并且調(diào)整導(dǎo)軌，使量塊被測(cè)面垂直于激光器的投射激光平面；相鄰的量塊的被測(cè)面不位于同一平面上，相間隔的量塊的^L測(cè)物位于同一平面上；2、每間隔10mm在導(dǎo)軌上移動(dòng)靶標(biāo)，激光器投射出橫截面為矩形的光束，在量塊被測(cè)面上產(chǎn)生一條不連續(xù)光條，調(diào)整光條，確保光條垂直于量塊；3、定義靶標(biāo)在第一個(gè)位置，即距離激光器500mm時(shí)光條和中心量塊的光條端點(diǎn)，為空間測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)，然后沿不連續(xù)光條定義OY軸，沿導(dǎo)軌移動(dòng)方向定義OX軸，建立空間坐標(biāo)系；4、攝像機(jī)分別拍攝移動(dòng)的量塊靶標(biāo)圖像，如圖4所示，通過(guò)測(cè)量光條像素點(diǎn)與圖像左下角間橫向和豎向距離，獲取這些不連續(xù)光條的像素坐標(biāo)；5、通過(guò)圖像處理，從步驟4所獲得光條像素坐標(biāo)中尋找光條像素點(diǎn)中灰度值由白色跳變?yōu)楹谏南袼兀瑢⑵涠x為光條端點(diǎn)，并提取各個(gè)光條兩端端點(diǎn)的像素坐標(biāo)U;n，根據(jù)圖1的量塊排布確定量塊端點(diǎn)的坐標(biāo)A,并根據(jù)靶標(biāo)移動(dòng)的步長(zhǎng)來(lái)確定坐標(biāo)^，將他們組合即為靶標(biāo)上各不連續(xù)光條端點(diǎn)在空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Ov,》，&)，其中，^是激光條所在平面的位置坐標(biāo)，一般為定值，本例中^為0,如表1所示，將其代入如式(1)的線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，可以得到攝像機(jī)的傳感器參數(shù)i、門<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中，w表示一比例常數(shù)，/表示CCD攝像機(jī)的有效焦距，i為3x3的旋轉(zhuǎn)矩陣，f為3xl的平移矢量。表l標(biāo)定數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表1數(shù)據(jù)可得以下參數(shù)結(jié)果<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。權(quán)利要求1、一種基于量塊的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法，其特征在于依次包括下列步驟(1)根據(jù)所需標(biāo)定的圖像區(qū)域，選擇標(biāo)稱厚度小于攝像機(jī)視場(chǎng)范圍的至少一種規(guī)格的量塊進(jìn)行間隔且交錯(cuò)排布，其中相鄰的量塊的被測(cè)面不能位于同一平面上，相間隔的量塊的被測(cè)物位于同一平面上；(2)將量塊靶標(biāo)固定于一個(gè)移動(dòng)導(dǎo)軌上，調(diào)整量塊被測(cè)面，使其垂直于導(dǎo)軌移動(dòng)方向，并且調(diào)整導(dǎo)軌，使量塊被測(cè)面垂直于投射光平面；(3)通過(guò)移動(dòng)靶標(biāo)，使在導(dǎo)軌上處于不同位置，光投射器投射出橫截面為矩形的光束，在量塊被測(cè)面上產(chǎn)生一條不連續(xù)光條，調(diào)整光條，確保光條垂直于量塊；(4)定義靶標(biāo)在第一個(gè)位置，即距離傳感器最近位置時(shí)光條和中心量塊的光條端點(diǎn)，為空間測(cè)量坐標(biāo)系的原點(diǎn)，然后沿不連續(xù)光條定義OY軸，沿導(dǎo)軌移動(dòng)方向定義OX軸，建立空間坐標(biāo)系；(5)由攝像機(jī)拍攝量塊靶標(biāo)圖像，通過(guò)測(cè)量光條像素點(diǎn)與圖像左下角間橫向和豎向距離，獲取這些不連續(xù)光條的像素坐標(biāo)；(6)通過(guò)圖像處理，從步驟(5)所獲得光條像素坐標(biāo)中尋找光條像素點(diǎn)中灰度值由白色跳變?yōu)楹谏南袼兀瑢⑵涠x為光條端點(diǎn)，并提取各個(gè)光條兩端端點(diǎn)的像素坐標(biāo)(X，Y)，根據(jù)量塊排布確定量塊端點(diǎn)的坐標(biāo)xw，根據(jù)靶標(biāo)移動(dòng)的步長(zhǎng)來(lái)確定坐標(biāo)yw，將他們組合即為靶標(biāo)上各不連續(xù)光條端點(diǎn)在空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(xw，yw，zw)，其中zw是光條所在平面的位置坐標(biāo)，一般情況下為定值，默認(rèn)為零，代入如式(1)的線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，可以得到攝像機(jī)的傳感器參數(shù)R、t，<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>&omega;</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>X</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>&omega;</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>Y</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>&omega;</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>f</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mi>f</mi></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>R</mi></mtd><mtd><mi>t</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>&CenterDot;</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>w</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>y</mi><mi>w</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>z</mi><mi>w</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>式中，ω表示一比例常數(shù)，f表示CCD攝像機(jī)的有效焦距，R為3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣，t為3×1的平移矢量。全文摘要一種基于量塊的線結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法，它是將不同規(guī)格的量塊間隔排布，再將量塊靶標(biāo)固定在移動(dòng)導(dǎo)軌上，確保量塊靶標(biāo)被測(cè)面垂直于導(dǎo)軌移動(dòng)方向，移動(dòng)導(dǎo)軌獲得量塊靶標(biāo)與光條交點(diǎn)在空間坐標(biāo)系下的軸線坐標(biāo)，代入線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，得到傳感器參數(shù)等步驟。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)量塊是標(biāo)準(zhǔn)量具，精度高，成本低，以量塊間隔排布的方式建立靶標(biāo)，激光投射器投射到量塊被測(cè)面上的光條，由于量塊的排布方式會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的情況，而其中每段光條的長(zhǎng)度就是量塊的標(biāo)稱厚度。靶標(biāo)的精度極大的提高，同時(shí)降低了成本，實(shí)現(xiàn)了比較好的性價(jià)比。文檔編號(hào)G01B11/00GK101526336SQ20091006853公開(kāi)日2009年9月9日申請(qǐng)日期2009年4月20日優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日發(fā)明者劉寶瑛,濤周,戴清華,陳炳生申請(qǐng)人:陳炳生