外場多束線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)的快速標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機器視覺測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及外場多束線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)的快速標定方法。
技術(shù)背景
[0002]多束線結(jié)構(gòu)光測量方法在三維測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是通過提取投射至被測物體上的多束線激光線的樣條信息來進行三維形貌測量。作為測量基準構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，標定方法一般是通過多次擺放靶標進行成像來確定多個激光面與測量相機之間的空間位置關(guān)系。多次擺放靶標的方式在室內(nèi)環(huán)境下較為常用，但在外場空間不具備靶標多次擺放的條件下，常規(guī)的標定方法則不能夠滿足使用要求，若能通過一次擺放靶標來建立多激光面與測量相機間的空間關(guān)系，則對外場三維形貌快速測量具有非常重要的實際應(yīng)用意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種外場多束線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)的快速標定方法及裝置，用于在外場非合作條件下的多束線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)快速標定。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，外場多束線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)的快速標定方法，激光發(fā)射裝置發(fā)出的多束線結(jié)構(gòu)光投射到各自標定板上，測量相機只需拍攝一幅圖片即可實現(xiàn)快速標定，建立測量相機與各激光面的物像關(guān)系，完成視覺測量系統(tǒng)測量基準的構(gòu)建；其中，快速標定具體步驟是，首先采用張氏標定法提前標定測量相機的內(nèi)參，而外參標定過程分為三個步驟，描述為:(1)建立測量相機與世界坐標系間關(guān)系，具體為:世界坐標系建立在三維靶標底板某一角點，每個激光面對應(yīng)各自四個標定板，調(diào)整三維靶標位置在相機的視場監(jiān)測范圍內(nèi)，并使多束激光面分別投射到各自對應(yīng)的立柱頂端標定板上，由于三維靶標所有立柱頂端標定板尺寸已知，各立柱相對于世界坐標系的三維坐標已知，各標定板幾何中心在相機圖像中的像素坐標可通過質(zhì)心提取得到，就能夠計算出相機相對于世界坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，即得到圖像中的任何一點在世界坐標系中的三維坐標；(2)建立激光面與世界坐標系間關(guān)系，具體為:利用上述變換關(guān)系進行激光平面的精確計算，即激光平面不會精確的打到標定板的中心，而是與標定板有交線，而標定板的高度是不變的，因此利用圖像提取出每一個激光面與標定板交線的中心，利用前述關(guān)系可解算出激光面與標定板的四個交點的三維世界坐標，就得到了激光平面方程，即得到了四個激光面相對于世界坐標系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣；(3)建立相機與激光面間關(guān)系，具體為:由于已計算得到了相機與世界坐標系的旋轉(zhuǎn)平移矩陣，世界坐標系相對于各激光面的旋轉(zhuǎn)平移矩陣，再代入提前標定好的相機內(nèi)部參數(shù)，就建立了相機相對于各激光面之間的空間關(guān)系，進而完成四線激光投射系統(tǒng)標定。
[0004]激光發(fā)射裝置發(fā)射裝置投射4條激光線，分別以激光線I至激光線4標識；標定板用于對激光線成像，共19塊，分別以序號1-19進行標識；
[0005]每條激光線均投射至各自對應(yīng)的一組標定板上，每組包含4塊，即線激光I投射至1、2、3、4號標定板上；線激光2投射至5、6、7、8號標定板上；線激光3投射至9、10、11、12號標定板上；線激光4投射至13、14、15、16號標定板上，其余17、18、19號標定板用作備板；標定板位置分布采用空間陣列高低交錯形式固定在立柱上，每組標定板的復(fù)合角度與對應(yīng)激光線的投射角度是配合的，立柱、標定板、角板固定連接在一起。
[0006]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)特點與效果:
[0007]本發(fā)明的特點和有益之處在于:在外場非合作條件下，能夠通過擺放一次靶標就可以完成整個視覺測量系統(tǒng)的標定；針對多束線結(jié)構(gòu)光均需標定情況，設(shè)計了三維立體靶標相間交錯模式，即能保證多激光線同時標定，又可保證盡量小的空間尺寸。采用該方式使得目前無法實現(xiàn)中心區(qū)域測量的問題得到解決，并可實現(xiàn)在線三維形貌測量。
【附圖說明】
[0008]圖1本發(fā)明的原理及裝置工作原理示意圖。
[0009]圖2本發(fā)明靶標擺放裝置圖。
【具體實施方式】
[0010]本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)。發(fā)明的原理及裝置如圖1所示。本發(fā)明設(shè)計了陣列交錯立柱三維靶標，采用內(nèi)參標定和外參標定分離的方法一次擺放該靶標即可實現(xiàn)外場多激光面與相機空間位置的快速標定。以同時標定四個激光面為例，首先采用張氏標定法提前標定測量相機的內(nèi)參，而外參標定過程分為三個步驟，描述為:(I)建立測量相機與世界坐標系間關(guān)系。具體為:世界坐標系建立在三維靶標底板某一角點，每個激光面對應(yīng)各自四個標定板，調(diào)整三維靶標位置在相機的視場監(jiān)測范圍內(nèi)，并使四個激光面分別投射到各自對應(yīng)的立柱頂端標定板上。由于三維靶標所有立柱頂端標定板尺寸已知，各立柱相對于世界坐標系的三維坐標已知，各標定板幾何中心在相機圖像中的像素坐標可通過質(zhì)心提取得到，就可以計算出相機相對于世界坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣(即空間位置關(guān)系)，即可得到圖像中的任何一點在世界坐標系中的三維坐標。(2)建立激光面與世界坐標系間關(guān)系。具體為:利用上述變換關(guān)系進行激光平面的精確計算，即激光平面不會精確的打到標定板的中心，而是與標定板有交線，而標定板的高度是不變的，因此利用圖像提取出每一個激光面與標定板交線的中心，利用前述關(guān)系可解算出激光面與標定板的四個交點的三維世界坐標，就到了激光平面方程，即得到了四個激光面相對于世界坐標系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣。(3)建立相機與激光面間關(guān)系。具體為:由于已計算得到了相機與世界坐標系的旋轉(zhuǎn)平移矩陣，世界坐標系相對于各激光面的旋轉(zhuǎn)平移矩陣，再代入提前標定好的相機內(nèi)部參數(shù)，就建立了相機相對于各激光面之間的空間關(guān)系，進而完成四線激光投射系統(tǒng)標定。利用該空間關(guān)系，只要已知相機像面上任意光點坐標，就可以求出空間內(nèi)激光面上對應(yīng)點的世界坐標，實現(xiàn)四線束結(jié)構(gòu)光投射下的空間三維形貌測量。
[0011 ] 本發(fā)明實施例的方法以造波池中心區(qū)域的三維形貌測量為例。中心區(qū)域浪高的測量目前國內(nèi)尚不具備成熟的測量手段，現(xiàn)有的方式僅限于在池壁邊緣采用桿式浪高儀實現(xiàn)點位測量。由于是在水上進行視覺系統(tǒng)標定，更不具備多次擺放靶標的條件，此時采用本發(fā)明所述的快速標定方法可描述為:激光發(fā)射裝置與測量相機間距離60米，線激光發(fā)射裝置采用功率2w、波長532nm的4線結(jié)構(gòu)光，測量相機采用200萬像素工業(yè)相機，25mm焦距鏡頭；三維立體革El標浮動到測量區(qū)域中心，四條線結(jié)構(gòu)光可投射到各自標定板上。此時測量相機只需拍攝一幅圖片即可實現(xiàn)快速標定，建立測量相機與各激光面的物像關(guān)系，完成視覺測量系統(tǒng)測量基準的構(gòu)建。開始造波后，經(jīng)浪面調(diào)制的激光波形的三維信息即可根據(jù)標定好的物像關(guān)系計算得到。
[0012]附圖1中，線激光發(fā)射裝置可投射4條激光線，分別以激光線I至激光線4標識；標定板用于對激光線成像，共19塊，分別以序號1-19進行標識。
[0013]每條激光線均可投射至各自對應(yīng)的一組標定板上，每組包含4塊，即線激光I投射至1、2、3、4號標定板上；線激光2投射至5、6、7、8號標定板上；線激光3投射至9、10、11、12號標定板上；線激光4投射至13、14、15、16號標定板上，其余17、18、19號標定板用作備板。標定板位置分布采用空間陣列高低交錯形式，每組標定板的復(fù)合角度與對應(yīng)激光線的投射角度是配合的，該種方式可保證在測量相機視場內(nèi)每條激光線成像均無遮擋。
【主權(quán)項】
1.一種外場多束線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)的快速標定方法，其特征是，激光發(fā)射裝置發(fā)出的多束線結(jié)構(gòu)光投射到各自標定板上，測量相機只需拍攝一幅圖片即可實現(xiàn)快速標定，建立測量相機與各激光面的物像關(guān)系，完成視覺測量系統(tǒng)測量基準的構(gòu)建；其中，快速標定具體步驟是，首先采用張氏標定法提前標定測量相機的內(nèi)參，而外參標定過程分為三個步驟，描述為:(I)建立測量相機與世界坐標系間關(guān)系，具體為:世界坐標系建立在三維靶標底板某一角點，每個激光面對應(yīng)各自四個標定板，調(diào)整三維靶標位置在相機的視場監(jiān)測范圍內(nèi)，并使多束激光面分別投射到各自對應(yīng)的立柱頂端標定板上，由于三維靶標所有立柱頂端標定板尺寸已知，各立柱相對于世界坐標系的三維坐標已知，各標定板幾何中心在相機圖像中的像素坐標可通過質(zhì)心提取得到，就能夠計算出相機相對于世界坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，即得到圖像中的任何一點在世界坐標系中的三維坐標；(2)建立激光面與世界坐標系間關(guān)系，具體為:利用上述變換關(guān)系進行激光平面的精確計算，即激光平面不會精確的打到標定板的中心，而是與標定板有交線，而標定板的高度是不變的，因此利用圖像提取出每一個激光面與標定板交線的中心，利用前述關(guān)系可解算出激光面與標定板的四個交點的三維世界坐標，就得到了激光平面方程，即得到了四個激光面相對于世界坐標系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣；(3)建立相機與激光面間關(guān)系，具體為:由于已計算得到了相機與世界坐標系的旋轉(zhuǎn)平移矩陣，世界坐標系相對于各激光面的旋轉(zhuǎn)平移矩陣，再代入提前標定好的相機內(nèi)部參數(shù)，就建立了相機相對于各激光面之間的空間關(guān)系，進而完成四線激光投射系統(tǒng)標定。2.如權(quán)利要求1所述的外場多束線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)的快速標定方法，其特征是，激光發(fā)射裝置發(fā)射裝置投射4條激光線，分別以激光線I至激光線4標識；標定板用于對激光線成像，共19塊，分別以序號1-19進行標識； 每條激光線均投射至各自對應(yīng)的一組標定板上，每組包含4塊，即線激光I投射至1、2、3、4號標定板上；線激光2投射至5、6、7、8號標定板上；線激光3投射至9、10、11、12號標定板上；線激光4投射至13、14、15、16號標定板上，其余17、18、19號標定板用作備板；標定板位置分布采用空間陣列高低交錯形式固定在立柱上，每組標定板的復(fù)合角度與對應(yīng)激光線的投射角度是配合的，立柱、標定板、角板固定連接在一起。
【專利摘要】本發(fā)明屬于機器視覺測量技術(shù)領(lǐng)域。為提供一種外場多束線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)的快速標定方法及裝置，用于在外場非合作條件下的多束線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)快速標定。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，外場多束線結(jié)構(gòu)光視覺測量系統(tǒng)的快速標定方法，激光發(fā)射裝置發(fā)出的多束線結(jié)構(gòu)光投射到各自標定板上，測量相機只需拍攝一幅圖片即可實現(xiàn)快速標定，建立測量相機與各激光面的物像關(guān)系，完成視覺測量系統(tǒng)測量基準的構(gòu)建；其中，快速標定具體步驟式，首先采用張氏標定法提前標定測量相機的內(nèi)參，而外參標定過程分為三個步驟。本發(fā)明主要應(yīng)用于機器視覺測量。
【IPC分類】G01B11/24
【公開號】CN105157604
【申請?zhí)枴緾N201510481747
【發(fā)明人】劉峰, 王向軍, 吳凡路, 董清亮, 高超
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年8月7日