無位姿約束線雷射單目視覺三維測量傳感器參數標定方法

2023-05-08 09:27:01 2

專利名稱：無位姿約束線雷射單目視覺三維測量傳感器參數標定方法
技術領域：
本發明涉及一種線雷射單目視覺三維測量傳感器的標定方法，特別是一種無位姿約束的單目視覺三維測量傳感器參數標定方法。屬於光學測量和機械工程技術領域。
背景技術：
典型的線雷射單目視覺三維測量傳感器由線雷射投射器和單目攝像機組成，其參數包括單目攝像機內外參數等效焦距、主點坐標、由祀標坐標繫到單目攝像機坐標系的變換矩陣；線雷射投射器光平面參數即線雷射光平面方程的參數。傳統的線雷射單目視覺三維測量傳感器的標定方法，包括拉絲法、鋸齒靶法以及三維靶標法等。但是這些方法中所用靶標製作相對複雜，且標定操作受到標定參照物的限制。已有技術中，V. Niola et al.在論文 A method for the calibration ofa 3-D laserscanner (Robotics and Computer-1ntegrated Manufacturing, 2011，27:479-484)中提出的標定方法，標定時需要機械平臺控制靶標精確移動，既容易引入機械誤差，又限制了標 定操作的自由度;F. Zhou> G. Zhang 在論文 Completecalibration of a structured lightstripe vision sensor through planar target of unknownorientations (Image andVision Computing, 2005，23 (I) :59-67)中提出了一種基於自由移動平面靶標的標定方法，該方法雖然避免了標定時需要控制靶標位移而引入的機械誤差，但當方形棋盤靶標繞其所在平面的法向量旋轉角度稍大時，靶標方格的行與列的辨識會出現二義性，導致交比不變原理中靶標特徵點與其成像點的對應關係出錯，無法正確標定光平面；因此，在移動靶標時，仍需避免靶標繞其所在平面的法向量旋轉，靶標的擺放位姿並非完全自由，操作仍受到較大限制。

發明內容
本發明針對現有標定方法中靶標的移動需要精密機械控制或可自由移動靶標的擺放位姿受約束等不足，提出一種靶標可自由移動且擺放位姿無約束的新標定方法。該標定方法提取標定圖像中的光刀中心點集及靶標特徵點的成像點作為三維測量傳感器標定的基礎數據；根據靶標特徵點的成像點所構成的向量簇叉積集合在任意拍攝位姿下的不變性，對靶標特徵點的成像點進行排序，從而建立靶標特徵點與其成像點的一一對應關係；由光刀中心點集擬合直線與靶標特徵點的成像點所構成四邊形求交，提取圖像中的光平面特徵點，並根據交比不變原理計算其三維坐標。由上述全部數據信息，最優化擬合計算單目攝像機的內外參數及線雷射投射器的光平面參數，從而實現線雷射單目視覺三維測量傳感器參數的精確標定。具體標定步驟如下I)製作平面靶標。以白色為底色製作平面靶標，靶標上分布四個黑色標誌圓圖案，這四個黑色標誌圓圖案均在設定的靶標坐標系內；其中一個大直徑標誌圓的形心為A，三個相同直徑的小直徑標誌圓的形心分別為B、C、D，四個標誌圓形心的相對位置如下以形心A為基準，形心B位於形心A正右方，形心C位於形心A右上方，形心D位於形心A正上方，這4個形心就是標定三維測量傳感器的靶標特徵點。2)獲取三維測量傳感器標定所需圖像。將靶標置於線雷射單目視覺三維測量傳感器的測量場景中，開啟線雷射投射器，投射線雷射光刀至靶標上，通過移動或旋轉任意改變革巴標位姿，用單目攝像機拍攝包含祀標特徵點及線雷射光刀—的K幅標定圖像，K > 2。3)三維測量傳感器標定基礎數據的獲取。根據步驟2)中已獲得的標定圖像中，提取4個標誌圓圖像的形心a、b、C、d ;在像素行方向上採用灰度質心法提取光刀圖像^每一行的光刀中心點，由所有這些光刀中心點構成光刀中心點集，其中形心a、b、C、d即為靶標特徵點在單目攝像機成像平面中的二維成像點；通過在靶標平面上定義靶標坐標系，設定4個靶標特徵點A、B、C、D在靶標坐標系中的三維坐標，靶標坐標系定義如下以大直徑標誌圓的形心A為原點，大直徑標誌圓形心A 水平指向小直徑標誌圓形心B的方向作為U軸方向，大直徑標誌圓形心A豎直指向小直徑標誌圓形心D的方向作為V軸方向，W軸方向滿足右手法則，垂直於靶標所在平面並向外；將光刀中心點集、形心a、b、c、d的二維坐標以及靶標坐標系下形心A、B、C、D的三維坐標作為三維測量傳感器標定的基礎數據。4)三維測量傳感器標定全部數據信息的獲取。在獲取了三維測量傳感器標定基礎數據的基礎上，依次對每一幅自由位姿的標定圖像，計算靶標坐標系下三維靶標特徵點與其二維成像點的一一對應關係，以及光平面特徵點在靶標坐標系下的三維坐標，從而構成三維測量傳感器標定所需全部數據信息。4.1)三維靶標特徵點與其二維成像點一一對應關係的獲取。在獲取了單目攝像機參數標定基礎數據的基礎上，針對每一幅標定圖像，將成像面積最大的標誌圓所包含靶標特徵點的二維成像點a與靶標坐標系中大直徑標誌圓的三維形心點A對應；並在標定圖像中，以點a為始點，逆時針方向依次以其餘三個小直徑標誌圓所包含祀標特徵點的二維成像點b、C、d為終點作向量,則得到向量簇V = ^h,c,d^ ;逐一計算向量簇V中的向量叉積並判斷其方向，有
-\{bxc)-k <Q對於向量辦:]——一，兩項均為負，
-(cxb)-k> 0對於向量———，兩項一正一負，
(cxd)-k<0
,-\{0 ,對於向量彳———，兩項均為正，
[(^ X c) ■ A > 0其中!為攝像機成像平面法向量，且滿足右手法則。以「 + 」代表正，代表負，則上述計算結果可寫成集合5二|(-，-)5,(+，-);，(+，+)3；}，稱作向量簇￥的叉積方向集合。由透射投影性質可知集合S具有不變性，即無論靶標如何旋轉或移動，集合S始終保持不變。根據這一性質，即可將這三個小直徑標誌圓所包含靶標特徵點的二維成像點b、c、d與其在靶標坐標系下的三維形心點B、C、D依次對應，從而確定了所有4個三維靶標特徵點與其二維成像點的對應關係。4. 2)光平面特徵點在靶標坐標系下三維坐標的獲取。
獲得4個靶標特徵點的二維成像點a、b、c、d所圍成的四邊形；計算獲得直線巧與直線i的交點e以及直線忑與直線忑的交點f的坐標。同樣地，在靶標坐標系中計算獲得直線7萬與直線元的交點E以及直線與直線]^的交點F的坐標。在圖像中，最小二乘法擬合四邊形abed內的光刀中心點集得到光刀中心點集擬合直線^，獲取直線^與四邊形abed的兩個交點，即圖像中的光平面特徵點P、q。運用圖像中的點P、q，點a、b、c、d、e、f 及其在靶標坐標系下對應的三維坐標點，根據交比不變原理，即可計算得到點P、q在靶標坐標系下的三維坐標點P、Q，其W坐標均為O。5)單目攝像機內外參數的標定。定義單目攝像機坐標系如下以單目攝像機鏡頭光心0為原點，單目攝像機鏡頭光軸為Z軸，像素行方向為X軸，像素列方向為Y軸。由三維靶標特徵點坐標及其對應二維成像點坐標，採用張正友的平板標定算法對單目攝像機內外參數進行線性求解後，通過Levenberg-Marquardt非線性優化,使祀標特徵點在單目攝像機成像平面上的投影誤差的平方和最小，即優化標定得到單目攝像機所有內外參數內部參數為單目攝像機X軸方向、Y軸方向等效焦距fx=f/Dx、fY=f/DY以及主點坐標(Cx，CY)，其中Dx、Dy為單目攝像機行像素、列像素間距，f為單目攝像機實際焦距，外部參數為K個由靶標坐標繫到單目攝像機坐標系的變換矩陣H。6)線雷射投射器光平面參數的標定。通過光平面特徵點在靶標坐標系下的三維坐標左乘相應的變換矩陣H，將所有K幅標定圖像共計2K個光平面特徵點統一變換到攝像機坐標系下，由這2K個光平面特徵點在攝像機坐標系下的坐標，運用最小二乘法，以點到面的距離為目標函數
權利要求
1.一種無位姿約束線雷射單目視覺三維測量傳感器參數標定方法，其特徵在於本發明的標定方法包括如下步驟 1)製作平面靶標以白色為底色製作平面靶標，靶標上分布四個黑色標誌圓圖案，這四個黑色標誌圓圖案均在設定的靶標坐標系內；其中ー個大直徑標誌圓的形心為A，三個相同直徑的小直徑標誌圓的形心分別為B、C、D，四個標誌圓形心的相對位置如下以形心A為基準，形心B位於形心A正右方，形心C位於形心A右上方，形心D位於形心A正上方，這4個形心就是標定三維測量傳感器的靶標特徵點； 2)拍攝三維測量傳感器標定所需圖像將靶標置於線雷射單目視覺三維測量傳感器的測量場景中，開啟線雷射投射器，投射線雷射圖案至靶標上，通過移動或旋轉任意改變靶標位姿，用單目攝像機拍攝包含祀標特徵點及線雷射光刀i的K幅標定圖像，K ^ 2 ； 3)三維測量傳感器標定基礎數據的獲取 根據步驟2)中已獲得的標定圖像中，提取4個標誌圓圖像的形心a、b、c、d,在像素行方向上採用灰度質心法提取光刀圖像▲每一行的光刀中心點，由所有這些光刀中心點構成光刀中心點集，其中形心a、b、C、d即為靶標特徵點在單目攝像機成像平面中的ニ維成像點，將光刀中心點集、形心a、b、C、d的ニ維坐標以及靶標坐標系下形心A、B、C、D的三維坐標作為三維測量傳感器標定的基礎數據； 4)三維測量傳感器標定全部數據信息的獲取 在獲取了三維測量傳感器標定基礎數據的基礎上，依次對每一幅自由位姿的標定圖像，計算靶標坐標系下三維靶標特徵點與其ニ維成像點的一一對應關係，以及光平面特徵點在靶標坐標系下的三維坐標，從而構成三維測量傳感器標定所需全部數據信息； .4.I)三維靶標特徵點與其ニ維成像點一一對應關係的獲取 針對每一幅標定圖像，將成像面積最大的標誌圓所包含靶標特徵點的ニ維成像點a與革巴標坐標系中大直徑標誌圓的三維形心點A對應,並在標定圖像中，以點a為始點,逆時針方向依次以其餘三個小直徑標誌圓所包含祀標特徵點的ニ維成像點b、C、d為終點作向量，則得到向量簇ァ逐一計算向量簇V中的向量叉積並判斷其方向，有 對於向量ゲ彳
2.根據權利要求I所述的無位姿約束線雷射單目視覺三維測量傳感器參數標定方法，其特徵是所述的步驟I)中，所述的形心B位於形心A正右方16mm處，形心D位於形心A正上方16mm處，所述的靶標坐標系定義如下以形心A為原點，形心A水平指向形心B的方向作為U軸方向，形心A豎直指向形心D的方向作為V軸方向，W軸方向滿足右手法則，垂直於靶標所在平面並向外，形心C位於形心A右上方，且距離U軸和V軸各IOmm處，則在靶標坐標系下，形心A坐標為(Ctam, 0臟,0臟)，形心B坐標為(16臟,0臟,0臟)，形心C坐標為(10臟，10mm, Omm),形心 D 坐標為(0mm, 16mm, 0mm)。
3.根據權利要求I所述的無位姿約束線雷射單目視覺三維測量傳感器參數標定方法，其特徵是所述的步驟I)中，所述的平面靶標為40X40mm的平板，黑色大直徑標誌圓的直徑為5mm,黑色小直徑標誌圓的直徑為3mm。
全文摘要
無位姿約束線雷射單目視覺三維測量傳感器參數標定方法，屬於光學測量和機械工程技術領域。本發明在提取基礎數據後，根據靶標特徵點的成像點所構成向量簇叉積方向集合在任意拍攝位姿下的不變性，對成像點排序，建立靶標特徵點與其成像點的對應關係；由光刀中心點集擬合直線與靶標特徵點的成像點所構成四邊形求交，提取光平面特徵點，並根據交比不變原理計算其三維坐標。最優化擬合計算單目攝像機內外參數及線雷射投射器光平面參數，實現線雷射單目視覺三維測量傳感器參數的精確標定。標定時，靶標可完全自由移動或旋轉，擺放位姿無約束，兩部分參數的標定共用同一組標定圖像，在保證三維測量傳感器標定精度的同時簡化了標定步驟。
文檔編號G01B11/24GK102980528SQ20121047379
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月21日 優先權日2012年11月21日
發明者習俊通, 李凌旻, 王振興, 陳曉波 申請人:上海交通大學