專利名稱：雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法及其實施裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光高精度三維坐標(biāo)測量，具體講是涉及雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法及其實施裝置。
背景技術(shù)：
線結(jié)構(gòu)激光視覺測量技術(shù)是一種高精度的三維坐標(biāo)測量手段，線結(jié)構(gòu)激光投射在被測表面產(chǎn)生一條光條，攝像機攝取光條圖像，提取光條圖像上分布的像素坐標(biāo)(ui，vi)，然后經(jīng)過一定變換推算出光條上對應(yīng)點的空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
線結(jié)構(gòu)激光傳感器測量模型包括許多變換參數(shù)，其中一組變換參數(shù)定義了傳感器的空間測量坐標(biāo)系到攝像機坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，稱之為傳感器外部參數(shù)，或光平面參數(shù)，需要通過標(biāo)定確定，傳感器外部參數(shù)的標(biāo)定是整個測量技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，標(biāo)定同時還需要確定傳感器的空間測量坐標(biāo)系。由于在測量中被測表面可能出現(xiàn)的曲率變化較大的情況，攝像機攝取的光條信息可能被凸起部分遮擋，產(chǎn)生測量盲區(qū)，為避免這一情況，常常在傳感器激光器兩側(cè)采用兩臺攝像機測量，構(gòu)造雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器，因此共有兩組傳感器外部參數(shù)需要標(biāo)定，它們分別定義了空間測量坐標(biāo)系分別到左右攝像機坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。外部參數(shù)標(biāo)定是否準(zhǔn)確直接影響傳感器的測量精度，特別對于雙目來說，必須標(biāo)定出對于左右攝像機都一致的空間測量坐標(biāo)系。
常見的標(biāo)定方法是利用一定形狀的靶標(biāo)，投射激光平面到靶標(biāo)上，與靶標(biāo)相交產(chǎn)生一些標(biāo)記點，在靶標(biāo)上建立空間測量坐標(biāo)系，并利用靶標(biāo)的空間幾何形狀特性在光條上獲得一些空間坐標(biāo)已知的特征點，并提取他們的像素坐標(biāo)。從而獲得一組控制點對(ui，vi)-(xi，yi，zi)，將其代入線結(jié)構(gòu)激光傳感器的數(shù)學(xué)模型計算外部參數(shù)。由于靶標(biāo)形狀復(fù)雜，常常難以提取特征點的像素坐標(biāo)，并且難以采集較多的控制點，從而只有較少的數(shù)據(jù)參與標(biāo)定計算，難以達(dá)到很高的標(biāo)定精度。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于準(zhǔn)確標(biāo)定出雙目線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的光平面參數(shù)，并將左右攝像機的空間測量坐標(biāo)系準(zhǔn)確統(tǒng)一起來。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法，依次包括下列步驟將靶標(biāo)固定在一個移動導(dǎo)軌上，通過調(diào)整使靶標(biāo)平面垂直于導(dǎo)軌的移動方向，并且調(diào)整導(dǎo)軌保證靶標(biāo)平面垂直于投射激光平面；激光投射到靶標(biāo)面上產(chǎn)生一條光條，調(diào)整光條，確保光條垂直于靶標(biāo)上的直線陣列；激光投射到靶標(biāo)平面上產(chǎn)生光條與這些直線陣列相交形成許多交點，攝像機拍攝靶標(biāo)圖像，并且提取這些交點的像素坐標(biāo)；調(diào)整靶標(biāo)在導(dǎo)軌上的不同位置，定義靶標(biāo)在第一個位置，即距離傳感器最近位置時光條和中心橫線的交點，并定義為空間測量坐標(biāo)系的原點，然后沿光條向下方向定義為owyw軸，沿導(dǎo)軌移動方向并指向傳感器定義為owxw軸，建立右手空間坐標(biāo)系；確定靶標(biāo)上各直線與光條交點在空間坐標(biāo)系下的軸線坐標(biāo)，確定光條與各橫線的交點，通過圖像處理提取各個交點的像素坐標(biāo)，代入線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，可以得到兩個攝像機的傳感器參數(shù)。
其中，在上述靶標(biāo)平面板上精確刻畫出一組水平陣列直線；所述的提取交點的像素坐標(biāo)包括下列步驟光條區(qū)域的尋找在激光的開啟和關(guān)閉狀態(tài)下分別拍攝兩幅靶標(biāo)圖像，將兩幅圖像按照對應(yīng)像素坐標(biāo)進(jìn)行灰度相減，以準(zhǔn)確提取出光條的像素分布區(qū)域；交點像素坐標(biāo)提取激光關(guān)閉時采集灰度圖像，依據(jù)提取的光條中心像素坐標(biāo)按行在圖像中進(jìn)行搜尋，篩選出所有其中心灰度低于相鄰兩點的像素點，確保相鄰兩點的行像素坐標(biāo)間距必須大于10，然后對提取點再次按照灰度加權(quán)法提取出它們的列亞像素坐標(biāo)，并結(jié)合第一步提取出的對應(yīng)點的行亞像素坐標(biāo)，便得到圖像區(qū)域所有光條與橫線交點的亞像素坐標(biāo)；交點對應(yīng)空間坐標(biāo)的求取采用拓?fù)渥R別的辦法，最中間一條橫線與光條的交點對應(yīng)的yw軸坐標(biāo)為0，由于標(biāo)記直線與中心直線間距ds小于直線規(guī)定間距dy，因此按照行搜尋的方法，將各點的列像素坐標(biāo)按照升序進(jìn)行排序，然后比較間隔兩點列像素坐標(biāo)的間距dvt，提取出間距最小的兩點，兩點之間一點即為中心點，若中心點的排序序號為ic，則其他點按照如下法則求取空間對應(yīng)yw軸坐標(biāo) 一種雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法的實施裝置，包括左攝像機、右攝像機、激光器和靶標(biāo)，其特征是，還包括移動導(dǎo)軌，靶標(biāo)固定在移動導(dǎo)軌上，靶標(biāo)平面垂直于移動導(dǎo)軌的移動方向，移動導(dǎo)軌保證靶標(biāo)平面垂直于投射激光平面，激光器發(fā)出的激光投射到靶標(biāo)面上產(chǎn)生一條垂直于靶標(biāo)上的直線陣列的光條，光條與直線陣列相交形成許多交點，攝像機拍攝靶標(biāo)圖像，并且可以提取這些交點的像素坐標(biāo)，以建立右手空間坐標(biāo)系。
其中，靶標(biāo)是在其平面板上精確刻畫有一組間距固定的水平陣列直線。
本發(fā)明可帶來如下效果由于采用平行直線陣列靶標(biāo)，將靶標(biāo)放在導(dǎo)軌上移動不同的位置，然后獲得標(biāo)定需要的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)點對，因而可將雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器的左右攝像機空間測量坐標(biāo)系準(zhǔn)確統(tǒng)一起來，可準(zhǔn)確標(biāo)定出雙目線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的光平面參數(shù)。


圖1為平行直線陣列靶標(biāo)。
圖2為雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器標(biāo)定原理圖，并作為摘要附圖。
圖3靶標(biāo)圖像及特征點自動提取。
圖3中的a部分為無光條靶標(biāo)圖象，b部分為光條靶標(biāo)圖像，c部分為相減圖像，d部分為特征點自動提取示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖1是我們所設(shè)計的新型平行直線陣列平面靶標(biāo)，該靶標(biāo)是在平面板上精確刻畫出一組水平陣列直線，直線與直線之間的間距固定為dy，位于中間一條直線的兩側(cè)有另外兩條平行直線與其距離為ds，并且ds＜dy，定義其為標(biāo)記直線。如圖2所示，標(biāo)定時將靶標(biāo)固定在一個移動導(dǎo)軌上，通過調(diào)整使靶標(biāo)平面垂直于導(dǎo)軌的移動方向，并且調(diào)整導(dǎo)軌保證靶標(biāo)平面垂直于投射激光平面。激光投射到靶標(biāo)面上產(chǎn)生一條光條，調(diào)整光條，確保光條垂直于靶標(biāo)上的直線陣列。平行直線陣列靶標(biāo)和一維移動導(dǎo)軌是雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法的核心實施裝置。
激光投射到靶標(biāo)平面上產(chǎn)生光條與這些直線陣列相交形成許多交點，攝像機拍攝靶標(biāo)圖像，并且可以提取這些交點的像素坐標(biāo)。標(biāo)定過程中，調(diào)整靶標(biāo)在導(dǎo)軌上的不同位置，各個位置的間距為dx，定義靶標(biāo)在第一個位置，即距離傳感器最近位置時光條和中心橫線的交點為ow，并定義為空間測量坐標(biāo)系的原點，然后沿光條向下方向定義為owyw軸，沿導(dǎo)軌移動方向并指向傳感器定義為owxw軸，這樣便建立了右手空間坐標(biāo)系。
由于靶標(biāo)上各直線依據(jù)一定的位置確定，光條這些直線在靶標(biāo)平面內(nèi)直線垂直，因此與各直線的交點pi在空間坐標(biāo)系下的owyo軸線坐標(biāo)便確定。定義靶標(biāo)處在第一個位置為0，那么當(dāng)靶標(biāo)停留在某一導(dǎo)軌位置時，交點的空間owyw軸坐標(biāo)為-n·dx，這樣光條與各橫線的交點便確定，通過圖像處理提取各個交點的像素坐標(biāo)(ui，vi)，代入線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，可以得到兩個攝像機的傳感器參數(shù)為了準(zhǔn)確快速地提取交點的像素坐標(biāo)(ui，vi)并自動獲取交點對應(yīng)的空間坐標(biāo)(xi，yi，zi)，我們設(shè)計了一套特征點自動提取方法，介紹如下1)光條區(qū)域的尋找我們在激光的開啟和關(guān)閉狀態(tài)下分別拍攝兩幅靶標(biāo)圖像，將兩幅圖像按照對應(yīng)像素坐標(biāo)進(jìn)行灰度相減，由于兩幅圖像的區(qū)別就在于是否含有光條信息，這樣就可以準(zhǔn)確提取出光條的像素分布區(qū)域，如圖3所示。由于光條區(qū)域基本是平行于像素的縱向，因此可以按照灰度加權(quán)法按行提取出光條中心的行亞像素坐標(biāo)。
2)交點像素坐標(biāo)提取激光關(guān)閉時采集的灰度圖像，由于橫線是黑色，而靶標(biāo)背景是白色，因此圖像中橫線區(qū)域的灰度明顯小于非橫線區(qū)域，依據(jù)提取的光條中心像素坐標(biāo)按行在圖像中進(jìn)行搜尋，篩選出所有其中心灰度低于相鄰兩點的像素點，稱為灰度低峰點。如果圖像中直線的數(shù)量為n，則選擇出灰度最小的n個灰度低峰點，并且確保這n個點的行像素坐標(biāo)間距必須大于10，以避免提取處于同一橫線區(qū)域的灰度低峰點，然后對提取的n個點再次按照灰度加權(quán)法提取出它們的列亞像素坐標(biāo)，并結(jié)合第一步提取出的對應(yīng)點的行亞像素坐標(biāo)，便得到圖像區(qū)域所有光條與橫線交點的亞像素坐標(biāo)(ui，vi)。
3)交點對應(yīng)空間yw坐標(biāo)的求取我們采用拓?fù)渥R別的辦法，最中間一條橫線與光條的交點對應(yīng)的yw軸坐標(biāo)為0，由于標(biāo)記直線與中心直線間距ds小于直線規(guī)定間距dy，因此按照行搜尋的方法，將各點的列像素坐標(biāo)按照升序進(jìn)行排序，然后比較間隔兩點列像素坐標(biāo)的間距dvi，提取出間距最小的兩點。兩點之間一點即為中心點，若中心點的排序序號為ic，則其他點按照如下法則求取空間對應(yīng)yw軸坐標(biāo)
實驗中，選用新型自動標(biāo)定靶標(biāo)的規(guī)格為橫線間距dy＝5mm，兩條標(biāo)記橫線距離中心橫線距離ds＝3mm，靶標(biāo)上分布12條直線。共采集5個位置的圖像，靶標(biāo)不同固定位置間隔dz＝8mm。這些參數(shù)的誤差小于0.01mm。分別用左右攝像機采集圖像，經(jīng)過圖像處理得到兩組各包括60對計算點數(shù)據(jù)對(xi，yi，0)-(ui，vi)，帶入線結(jié)構(gòu)光傳感器的計算模型，可分別計算出左右攝像機的外部參數(shù)，由于提取的計算點的控制點數(shù)量，可以保證比較高的計算精度。經(jīng)過標(biāo)定的線結(jié)構(gòu)光傳感器的左、右攝像機在100×80mm的測量范圍內(nèi)，各自的空間測量精度都高于0.1mm，并且左右攝像機對于同一測量點的測量偏差在激光平面內(nèi)高于0.05mm，具有很高的一致性精度。
權(quán)利要求
1.一種雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法，其特征是，依次包括下列步驟將靶標(biāo)固定在一個移動導(dǎo)軌上，通過調(diào)整使靶標(biāo)平面垂直于導(dǎo)軌的移動方向，并且調(diào)整導(dǎo)軌保證靶標(biāo)平面垂直于投射激光平面；激光投射到靶標(biāo)面上產(chǎn)生一條光條，調(diào)整光條，確保光條垂直于靶標(biāo)上的直線陣列；激光投射到靶標(biāo)平面上產(chǎn)生光條與這些直線陣列相交形成許多交點，攝像機拍攝靶標(biāo)圖像，并且提取這些交點的像素坐標(biāo)；調(diào)整靶標(biāo)在導(dǎo)軌上的不同位置，定義靶標(biāo)在第一個位置，即距離傳感器最近位置時光條和中心橫線的交點，并定義為空間測量坐標(biāo)系的原點，然后沿光條向下方向定義為owyw軸，沿導(dǎo)軌移動方向并指向傳感器定義為owxw軸，建立右手空間坐標(biāo)系；確定靶標(biāo)上各直線與光條交點在空間坐標(biāo)系下的軸線坐標(biāo)，確定光條與各橫線的交點，通過圖像處理提取各個交點的像素坐標(biāo)，代入線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，可以得到兩個攝像機的傳感器參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法，其特征是，在上述靶標(biāo)平面板上精確刻畫出一組水平陣列直線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法，其特征是，所述的提取交點的像素坐標(biāo)包括下列步驟光條區(qū)域的尋找在激光的開啟和關(guān)閉狀態(tài)下分別拍攝兩幅靶標(biāo)圖像，將兩幅圖像按照對應(yīng)像素坐標(biāo)進(jìn)行灰度相減，以準(zhǔn)確提取出光條的像素分布區(qū)域；交點像素坐標(biāo)提取激光關(guān)閉時采集灰度圖像，依據(jù)提取的光條中心像素坐標(biāo)按行在圖像中進(jìn)行搜尋，篩選出所有其中心灰度低于相鄰兩點的像素點，確保相鄰兩點的行像素坐標(biāo)間距必須大于10，然后對提取點再次按照灰度加權(quán)法提取出它們的列亞像素坐標(biāo)，并結(jié)合第一步提取出的對應(yīng)點的行亞像素坐標(biāo)，便得到圖像區(qū)域所有光條與橫線交點的亞像素坐標(biāo)；交點對應(yīng)空間坐標(biāo)的求取采用拓?fù)渥R別的辦法，最中間一條橫線與光條的交點對應(yīng)的yw軸坐標(biāo)為0，由于標(biāo)記直線與中心直線間距ds小于直線規(guī)定間距dy，因此按照行搜尋的方法，將各點的列像素坐標(biāo)按照升序進(jìn)行排序，然后比較間隔兩點列像素坐標(biāo)的間距dvi，提取出間距最小的兩點，兩點之間一點即為中心點，若中心點的排序序號為ic，則其他點按照如下法則求取空間對應(yīng)yw軸坐標(biāo)
4.一種雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法的實施裝置，包括左攝像機、右攝像機、激光器和靶標(biāo)，其特征是，還包括移動導(dǎo)軌，靶標(biāo)固定在移動導(dǎo)軌上，靶標(biāo)平面垂直于移動導(dǎo)軌的移動方向，移動導(dǎo)軌保證靶標(biāo)平面垂直于投射激光平面，激光器發(fā)出的激光投射到靶標(biāo)面上產(chǎn)生一條垂直于靶標(biāo)上的直線陣列的光條，光條與直線陣列相交形成許多交點，攝像機拍攝靶標(biāo)圖像，并且可以提取這些交點的像素坐標(biāo)，以建立右手空間坐標(biāo)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法的實施裝置，其特征是，靶標(biāo)是在其平面板上精確刻畫有一組間距固定的水平陣列直線。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光高精度三維坐標(biāo)測量，具體講是涉及雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法及其實施裝置，為準(zhǔn)確標(biāo)定出雙目線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的光平面參數(shù)，并將左右攝像機的空間測量坐標(biāo)系準(zhǔn)確統(tǒng)一起來，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種雙目線結(jié)構(gòu)光傳感器一致性精確標(biāo)定方法及其實施裝置，包括左攝像機、右攝像機、激光器和靶標(biāo)，還包括移動導(dǎo)軌，靶標(biāo)固定在移動導(dǎo)軌上，靶標(biāo)平面垂直于移動導(dǎo)軌的移動方向，移動導(dǎo)軌保證靶標(biāo)平面垂直于投射激光平面。此外，確定靶標(biāo)上各直線與光條交點在空間坐標(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)行計算，得到傳感器參數(shù)等步驟。本發(fā)明主要用于激光高精度三維坐標(biāo)測量。
文檔編號G01B9/00GK1595054SQ200410019980
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月14日
發(fā)明者孫長庫, 陶立, 張效棟 申請人:天津大學(xué)