專利名稱：一種雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)校準方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及對雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)模型參數(shù)校準方法的改進。

背景技術(shù)：
激光視覺測量是將激光技術(shù)與計算機視覺技術(shù)有機結(jié)合，是空間三維尺寸精密測試領(lǐng)域中具有發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)之一，在車身尺寸及模具形貌測量等加工制造業(yè)以及人臉識別等領(lǐng)域中已有較好應用。根據(jù)激光投射模式，激光視覺三維測量可以分為單線結(jié)構(gòu)光、多線結(jié)構(gòu)光和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光等方法。
由單個結(jié)構(gòu)光視覺傳感器可以構(gòu)成單傳感器激光視覺測量系統(tǒng)，完成光平面上空間點的三維坐標測量，近年來，在工業(yè)環(huán)境中得到廣泛的應用。更重要的是由多傳感器可以組成一個柔性的多傳感器激光視覺測量系統(tǒng)，完成對大型物體的三維空間尺寸的全自動實時測量，這也是當前激光視覺測量應用中的主要研究內(nèi)容之一。而由雙傳感器組成的激光視覺測量系統(tǒng)為多傳感器激光視覺測量系統(tǒng)中最簡便的形式，可以有效地擴大測量范圍，減少測量盲區(qū)，完成單傳感器測量系統(tǒng)不能完成的任務，如任意位置的圓柱空間幾何參數(shù)測量，此外，雙傳感器測量系統(tǒng)也可以顯著提高測量效率。
雙傳感器激光視覺測量系統(tǒng)的測量模型和模型參數(shù)的校準是其成功應用的關(guān)鍵，包括攝像機校準、測量系統(tǒng)全局校準和光平面校準。目前雙傳感器三維測量系統(tǒng)的主要校準方法有一是基于三維移動臺和瞄準裝置獲取控制點的校準方法。張廣軍等在文章“結(jié)構(gòu)光三維雙視覺檢測方法研究”(儀器儀表學報，Vol.23，No.6，pp.604～607，2002)中陳述了這種方法。此種方法建立了雙傳感器激光視覺測量系統(tǒng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測量模型，并利用專門的瞄準裝置和高精度三維移動臺獲取光平面上控制點的三維坐標，達到了較好的測量精度。二是基于三維測量設(shè)備直接測量控制點的校準方法。R.S.Lu等在文章“大尺寸多傳感器視覺測量系統(tǒng)的全局校準方法”(A global calibration method for large-scalemulti-sensor visual measurement systems)，Elsevier Science國際期刊《傳感器和驅(qū)動器A物理》，第116卷，第3期，第384～393頁，2004年(Sensors andActuators APhysical，Vol.116，No.3，pp.384～393，2004)中陳述了這種方法。此種方法通過雙經(jīng)緯儀建立的空間三維坐標測量系統(tǒng)，直接測量光平面上控制點的三維坐標，實現(xiàn)多傳感器激光視覺測量系統(tǒng)的全局校準。以上兩種方法的共同點在于測量系統(tǒng)校準依賴于三維測量設(shè)備以及專門的輔助裝置，操作過程復雜，校準效率低。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種精度較高，基于未知運動平面靶標的雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)模型參數(shù)現(xiàn)場校準方法，降低校準設(shè)備的成本，簡化校準過程，改善其工程化應用的可操作性和便捷性。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)模型參數(shù)的校準方法，其特征在于，校準包括攝像機校準、測量系統(tǒng)的全局校準和光平面校準，所有的校準均在測量現(xiàn)場進行，具體步驟為 1、攝像機校準 1.1、設(shè)定靶標1，靶標上有預先設(shè)置的特征點，靶標為一個二維平面，在靶標平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊數(shù)量為4～100個，黑色方塊的邊長為3～50mm，其邊長精度為0.001～0.01mm。選取靶面上方塊的頂點作為特征點，特征點的數(shù)量為16～400個； 1.2、首先在攝像機的視場范圍內(nèi)，自由、非平行地移動靶標1至少3個位置，每移動一個位置，拍攝一幅圖像，稱為攝像機校準圖像，靶標1的特征點應包含在拍攝圖像內(nèi)。然后提取所有攝像機校準圖像的特征點的圖像坐標，并與特征點的世界坐標對應。最后利用提取的所有特征點的圖像坐標及對應的世界坐標來校準攝像機內(nèi)部參數(shù)，包括攝像機有效焦距、主點以及畸變系數(shù)； 1.3、采用步驟1.2敘述的方法，分別校準傳感器2中攝像機4和傳感器3中攝像機6的內(nèi)部參數(shù)，包括有效焦距、主點以及畸變系數(shù)； 2、測量系統(tǒng)的全局校準 2.1、在測量系統(tǒng)的攝像機4和攝像機6的公共視場范圍內(nèi)，放置靶標1，兩個傳感器的攝像機分別拍攝一幅靶標圖像，稱為全局校準圖像，要求靶標平面的全部特征點應該包含在兩幅全局校準圖像內(nèi)； 2.2、在靶標1的平面上定義全局世界坐標系ow-xwywzw，選取靶標1左上角為原點ow，xw、yw軸分別與靶標的行列方塊方向一致，zw軸垂直靶標平面向上。提取全局校準圖像的特征點的圖像坐標。利用特征點的圖像坐標和對應全局世界坐標分別計算攝像機4和攝像機6的攝像機坐標系到全局世界坐標系的變換； 3、光平面校準 3.1、打開激光投射器的電源，在攝像機的視場內(nèi)，放置靶標1，要求投射光平面能夠投射到靶標平面上形成投射光條，攝像機拍攝一幅圖像，稱為光平面校準圖像，靶標1上的特征點和投射光條應該包含在光平面校準圖像內(nèi)； 3.2、根據(jù)攝像機的畸變模型，校正光平面校準圖像的畸變，得到無畸變光平面校準圖像； 3.3、提取無畸變光平面校準圖像的所有特征點的圖像坐標，根據(jù)攝像機模型和內(nèi)部參數(shù)，計算特征點的投影坐標。利用特征點的投影坐標及對應的世界坐標，計算靶標平面在攝像機坐標系下的平面方程； 3.4、提取無畸變光平面校準圖像中光條的圖像坐標，根據(jù)攝像機模型和內(nèi)部參數(shù)，計算光條的投影坐標，并利用光條投影坐標擬合光條直線方程。任意選取擬合光條直線上的一點，稱為光平面上的控制點，控制點和攝像機坐標系原點確定的直線稱為投影視線，計算控制點對應投影視線在攝像機坐標系下的直線方程； 3.5、在攝像機坐標系下，計算靶標平面與控制點對應投影視線的交點，得到控制點在攝像機坐標系下的三維坐標，稱為控制點的攝像機坐標。根據(jù)步驟2.2計算的攝像機坐標系到全局世界坐標系的變換，利用控制點的攝像機坐標計算控制點在全局世界坐標系下的三維坐標，稱為控制點的全局世界坐標； 3.6、采用步驟3.4～3.5相同的方法，計算更多位于同一光條上的控制點的全局世界坐標，同一光條上控制點的數(shù)量為2～20； 3.7、將靶標1放置在不同的位置，采用步驟3.1～3.6相同的方法，計算光平面上的非共線控制點的全局世界坐標。靶標放置位置的數(shù)量為2～10，光平面上非共線的控制點總數(shù)為4～200； 3.8、利用所有的非共線控制點的全局世界坐標，擬合平面得到光平面在全局世界坐標系下的方程； 3.9、采用步驟3.1～3.8敘述的方法，分別得到測量系統(tǒng)的光平面8和光平面9在全局世界坐標系的方程； 3.10、將校準的攝像機4和攝像機6的內(nèi)部參數(shù)、攝像機4的攝像機坐標系到全局坐標系的變換、攝像機6的攝像機坐標系到全局世界坐標系的變換以及光平面8和光平面9的方程系數(shù)保存到系統(tǒng)參數(shù)文件中，以備測量調(diào)用。
本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明提出了一種基于未知運動平面靶標的雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)全部參數(shù)現(xiàn)場校準的新方法。采用無約束自由移動平面靶標對雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)模型參數(shù)進行校準，與現(xiàn)有的雙(多)傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)模型參數(shù)校準方法相比，所提出的校準方法無需依賴專門的三維測量設(shè)備和復雜操作，允許校準靶標在測量空間隨機移動，能夠獲得較高的校準精度和測量精度，同時也適用于兩個以上傳感器激光視覺測量系統(tǒng)的現(xiàn)場校準，為實現(xiàn)激光視覺測量系統(tǒng)的工程化應用奠定了基礎(chǔ)。



圖1是二維平面靶標示意圖。圖1中，1是靶標體。
圖2是雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)示意圖。2和3分別是線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，本發(fā)明將線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器簡稱傳感器，4和5分別是傳感器2的攝像機和激光投射器，6和7分別是傳感器3的攝像機和激光投射器，8和9分別是兩個傳感器投射的光平面，10是被測物體，11是工作平臺。
圖3是線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的數(shù)學模型。

具體實施例方式 下面對本發(fā)明方法做進一步詳細說明。本發(fā)明首次使用未知運動的平面靶標，對雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)的全部參數(shù)進行了校準。
雙傳感器激光視覺三維測量數(shù)學模型 如圖2所示，雙傳感器激光視覺測量系統(tǒng)由兩個傳感器2和傳感器3、工作臺11、圖像采集卡、校準軟件以及計算機組成。結(jié)構(gòu)光視覺傳感器由攝像機和激光投射器組成，激光投射器可以投射出單線結(jié)構(gòu)光、多線結(jié)構(gòu)光、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光等模式，本發(fā)明特指單線結(jié)構(gòu)光。
如圖2所示，oc1-xc1yc1zc1為傳感器2中攝像機4的攝像機坐標系，oc2-xc2yc2zc2為傳感器3中攝像機6的攝像機坐標系，ow-xwywzw為全局測量坐標系。設(shè)空間任意點在ow-xwywzw坐標系中的世界坐標矢量為Xw＝[xw，yw，zw]T，在oc1-xc1yc1zc1坐標系中的攝像機坐標矢量為Xc1＝[xc1，yc1，zc1]T，在oc2-xc2yc2zc2坐標系中的攝像機坐標矢量為Xc2＝[xc2，yc2，zc2]T，則oc1-xc1yc1zc1坐標系和oc2-xc2yc2zc2坐標系與ow-xwywzw坐標系的變換關(guān)系分別為 其中Rc1w和Tc1w為ow-xwywzw到oc1-xc1yc1zc1的變換，分別表示3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣和3×1的平移矢量；Rc2w和Tc2w為ow-xwywzw到oc2-xc2yc2zc2的變換。
由攝像機和激光投射器組成的線結(jié)構(gòu)光傳感器的數(shù)學模型如圖3所示。oc-xcyczc為三維攝像機坐標系，ow-xwywzw為三維世界坐標系，ou-xuyu為無畸變圖像坐標系，on-xnyn為投影坐標系。πn為投影平面，πu為無畸變圖像平面，πs為光平面。op為主點。定義ocxc//ouxu//onxn，ocyc//ouyu//onyn，oczc⊥πu和πn//πu。任意空間點Pi在πu上的投影點pi是直線

與πu的交點。設(shè)Pi的三維世界坐標為Xwi＝[xwi，ywi，zwi]T，攝像機坐標為Xci＝[xci，yci，zci]T，則ow-xwywzw到oc-xcyczc的變換表示為 其中Rcw為3×3的正交旋轉(zhuǎn)矩陣，Tcw為3×1的平移矢量。
設(shè)點pi的投影坐標為Xni＝[xni yni]T，無畸變圖像坐標為Xui＝[xui yui]T，攝像機在x、y方向上的有效焦距為fx和fy，攝像機的主點坐標為(u0，v0)，則有 Xui＝[xci/zci yci/zci]T [4] Xui＝[fxxni+u0 fyyni+v0]T[5] 若考慮攝像機鏡頭的一次和二次徑向畸變，設(shè)點pi的畸變圖像坐標為Xdi＝[xdi ydi]T，則有 其中k1，k2為徑向畸變系數(shù)。
設(shè)n＝[n1，n2，n3]T為光平面的單位法向矢量，Xci為光平面上控制點Pi的三維攝像機坐標，則光平面πs在oc-xcyczc下的方程為 n·Xci＝c [7] 其中c為常數(shù)項。
公式[3]～[6]表示了空間點到實際圖像坐標的投影模型，空間任意點Pi可以確定惟一圖像投影點pi。反之，如果已知攝像機內(nèi)部參數(shù)，根據(jù)公式[4]～[6]，由實際圖像坐標可以求得空間點的投影坐標，從而獲得投影點在oc-xcyczc下的坐標，由此可以確定射線

在oc-xcyczc下的方程，

稱為投影視線，由

和光平面的交點可以惟一確定光平面上點的攝像機三維坐標。
根據(jù)雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)的數(shù)學模型，雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)的校準分為三步一是攝像機校準，二是測量系統(tǒng)全局校準，三是光平面校準。
本發(fā)明攝像機校準的具體步驟如下 1、設(shè)定靶標1，靶標上有預先設(shè)置的特征點，靶標為一個二維平面，在靶標平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊數(shù)量為4～100個，黑色方塊的邊長為3～50mm，其邊長精度為0.001～0.01mm。選取靶面上方塊的頂點作為特征點，特征點的數(shù)量為16～400個。
2、首先在攝像機的視場范圍內(nèi)，自由、非平行地移動靶標1至少3個位置，每移動一個位置，拍攝一幅圖像，稱為攝像機校準圖像，靶標1的特征點應包含在拍攝圖像內(nèi)。
然后提取所有攝像機校準圖像的特征點的圖像坐標，并與特征點的世界坐標對應。特征點圖像坐標自動提取算法參見周富強著《雙目立體視覺檢測的關(guān)鍵技術(shù)研究》，北京航空航天大學博士后研究工作報告，2002。
最后利用提取的所有特征點的圖像坐標及對應的世界坐標來校準攝像機，包括攝像機有效焦距、主點以及畸變系數(shù)。
根據(jù)公式[3]～[6]表示的攝像機實際模型，利用特征點的世界坐標Xwi，得到特征點的計算圖像坐標X′di＝[x′di y′di]T。若攝像機參數(shù)不夠準確，則X′di與Xdi存在誤差，由此可以建立攝像機校準的優(yōu)化目標函數(shù) 其中d(X′di，Xdi)表示計算投影點到實際投影點的距離。攝像機參數(shù)的初始值估計參見周富強著《雙目立體視覺檢測的關(guān)鍵技術(shù)研究》，北京航空航天大學博士后研究工作報告，2002。
根據(jù)公式[8]可以估算出全部攝像機內(nèi)部參數(shù)，包括攝像機的兩個焦距fx、fy、主點(u0，v0)，徑向畸變k1、k2和攝像機外部參數(shù)(Rcw，Tcw)。若攝像機內(nèi)部參數(shù)已知，則根據(jù)公式[8]，采用Levenberg-Marquardt非線性優(yōu)化方法可以直接估計攝像機的外部參數(shù)(Rcw，Tcw)。Levenberg-Marquardt算法參見《最優(yōu)化理論與方法》，(袁亞湘、孫文瑜著，科學出版社，1999年)。
3、采用步驟2的方法，分別校準傳感器2中攝像機4和傳感器3中攝像機6的內(nèi)部參數(shù)，包括有效焦距、主點以及畸變系數(shù)。
校準好攝像機內(nèi)部參數(shù)后，進行測量系統(tǒng)的全局校準，具體步驟如下 4、在測量系統(tǒng)的攝像機4和攝像機6的公共視場范圍內(nèi)，放置靶標1，兩個傳感器的攝像機分別拍攝一幅靶標圖像，稱為全局校準圖像，要求靶標平面的全部特征點應該包含在兩幅全局校準圖像內(nèi)。
5、在靶標1的平面上定義全局世界坐標系ow-xwywzx，選取靶標1左上角為原點ow，xw、yw軸分別與靶標的行列方塊方向一致，zw軸垂直靶標平面向上。提取全局校準圖像的特征點的圖像坐標，特征點提取方法同步驟2。根據(jù)公式[8]表示的優(yōu)化目標函數(shù)，利用特征點的圖像坐標和對應全局世界坐標，采用非線性優(yōu)化方法估計公式[1]和[2]表示的攝像機4和攝像機6的攝像機坐標系到全局世界坐標系的變換。
攝像機內(nèi)部參數(shù)和測量系統(tǒng)全局校準后，進行兩個光平面的校準，具體步驟如下 6、打開激光投射器的電源，在攝像機的視場內(nèi)，放置靶標1，要求投射光平面能夠投射到靶標平面上形成投射光條，攝像機拍攝一幅圖像，稱為光平面校準圖像，靶標1上的特征點和投射光條應該包含在光平面校準圖像內(nèi)。
7、根據(jù)公式[6]表示的攝像機畸變模型，校正光平面校準圖像的畸變，得到無畸變光平面校準圖像?；冃Ｕ惴▍⒁娭芨粡娭峨p目立體視覺檢測的關(guān)鍵技術(shù)研究》，北京航空航天大學博士后研究工作報告，2002。
8、提取無畸變光平面校準圖像的所有特征點的圖像坐標，特征點提取方法同步驟2。根據(jù)公式[4]和公式[5]，計算特征點的投影坐標。
如圖3所示，πw為校準靶標平面，其上分布有至少6個已知世界坐標的校準特征點。已知攝像機的內(nèi)部參數(shù)，利用特征點的投影坐標及對應的靶標平面上的世界坐標，根據(jù)公式[8]，采用非線性優(yōu)化方法，可以得到πw在oc-xcyczc下的平面方程。
9、提取無畸變光平面校準圖像中光條的圖像坐標，根據(jù)攝像機模型和內(nèi)部參數(shù)，計算光條的投影坐標，并利用光條投影坐標擬合光條直線方程。
光條圖像坐標提取算法參見Carsten Steger的文章“一種對稱曲線結(jié)構(gòu)探測器”[An Unbiased Detector of Curvilinear Structures]，IEEE期刊《模式分析及機器智能》，第20卷第2期，第113～125頁，1998年。[IEEE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence，Vol.20，No.2，1998]。
如圖3所示，光條直線lc為靶標平面πw和光平面πs的交線，直線lu為lc在πu上的無畸變投影。任意選取擬合光條直線lc上的一點pi，稱為光平面上的控制點，控制點和攝像機坐標系原點確定的直線

稱為投影視線，計算得到控制點pi的投影視線

在攝像機坐標系oc-xcyczc下的直線方程lc。
10、在攝像機坐標系下，計算靶標平面與控制點對應投影視線的交點，得到控制點在攝像機坐標系下的三維坐標，稱為控制點的攝像機坐標。根據(jù)步驟5計算的攝像機坐標系到全局世界坐標系的變換，利用控制點的攝像機坐標計算光平面上控制點在全局世界坐標系下的三維坐標，稱為控制點的全局世界坐標。
11、采用步驟9～10相同的方法，計算更多位于同一光條上的控制點的全局世界坐標，同一光條上控制點的數(shù)量為2～20。
12、將靶標1放置在不同的位置，采用步驟6～11相同的方法，計算光平面上的非共線控制點的全局世界坐標。靶標放置位置的數(shù)量為2～10，光平面上非共線的控制點總數(shù)為4～200。
13、利用所有的非共線控制點的全局世界坐標，擬合平面得到光平面在全局世界坐標系下如公式[7]所表示的方程。
14、采用步驟6～13敘述的方法，分別得到測量系統(tǒng)的光平面8和光平面9在全局世界坐標系的方程。
15、將校準的攝像機4和攝像機6的內(nèi)部參數(shù)、攝像機4的攝像機坐標系到全局坐標系的變換、攝像機6的攝像機坐標系到全局世界坐標系的變換以及光平面8和光平面9的方程系數(shù)保存到系統(tǒng)參數(shù)文件中，以備測量調(diào)用。
實施例 采用兩個Mintron MS368P CCD攝像機、焦距為12mm和16mm的日本精工鏡頭以及兩個線結(jié)構(gòu)光投射器構(gòu)成雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)。傳感器的工作距離在600mm以內(nèi)。
按照上面敘述的步驟，利用圖1所示的平面靶標對雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)的模型參數(shù)進行了校準。在每個傳感器的測量空間范圍內(nèi)，隨機移動5個位置，用CCD攝像機獲取的圖像，提取特征點來校準攝像機內(nèi)部參數(shù)。打開激光投射器電源，保證投射的光條都通過靶標的特征區(qū)域，隨機移動三個位置，獲取圖像，采用前面所述方法獲得光平面上的控制點，用來校準兩個光平面。將平面靶標置于兩個傳感器的公共視場，將全局世界坐標系建立在平面靶標上，分別采集一幅圖像，提取特征點，用于校準傳感器到全局世界坐標系的變換。校準的雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)的全部參數(shù)如表1所示。表1 雙傳感器激光視覺測量系統(tǒng)模型參數(shù) 為了驗證傳感器校準的精度，以傳感器3為例，在傳感器3的測量范圍，隨機移動平面靶標到3個不同位置，采集帶有投射光條的圖像，按本發(fā)明敘述的方法獲取校準特征點的圖像坐標及對應的三維攝像機坐標，并利用這些數(shù)據(jù)校準光平面，校準參數(shù)如表1所示。以直線

和靶標平面πw的交點作為近似標準值，以直線

和校準光平面πs的計算交點為測量值，通過比較兩種情況下的三維攝像機坐標來評價傳感器的校準精度。數(shù)據(jù)如表2所示，可以看出，RMS誤差為Δx＝0.011mm，Δy＝0.008mm，Δz＝0.115mm。表3為校準后的傳感器3測量隨機位置的靶標上光條數(shù)據(jù)，采用類似的方法，作為傳感器的測量精度。表2 傳感器3校準精度評估數(shù)據(jù) 表3 傳感器3測量精度評估數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1、一種雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)模型參數(shù)的校準方法，其特征在于，校準包括攝像機校準階段、測量系統(tǒng)的全局校準階段和光平面校準階段，所有的校準均在測量現(xiàn)場進行，具體步驟為
1.1、攝像機校準階段
1.1.1、設(shè)定靶標[1]，靶標上有預先設(shè)置的特征點，靶標為一個二維平面，在靶標平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊數(shù)量為4～100個，黑色方塊的邊長為3～50mm，其邊長精度為0.001～0.01mm。選取靶面上方塊的頂點作為特征點，特征點的數(shù)量為16～400個；
1.1.2、首先在攝像機的視場范圍內(nèi)，自由、非平行地移動靶標[1]至少3個位置，每移動一個位置，拍攝一幅圖像，稱為攝像機校準圖像，靶標[1]的特征點應包含在拍攝圖像內(nèi)。然后提取所有攝像機校準圖像的特征點的圖像坐標，并與特征點的世界坐標對應。最后利用提取的所有特征點的圖像坐標及對應的世界坐標來校準攝像機內(nèi)部參數(shù)，包括攝像機有效焦距、主點以及畸變系數(shù)；
1.1.3、采用步驟1.1.2敘述的方法，分別校準傳感器[2]中攝像機[4]和傳感器[3]中攝像機[6]的內(nèi)部參數(shù)，包括有效焦距、主點以及畸變系數(shù)；
1.2、測量系統(tǒng)的全局校準階段
1.2.1、在測量系統(tǒng)的攝像機[4]和攝像機[6]的公共視場范圍內(nèi)，放置靶標[1]，兩個傳感器的攝像機分別拍攝一幅靶標圖像，稱為全局校準圖像，要求靶標平面的全部特征點應該包含在兩幅全局校準圖像內(nèi)；
1.2.2、在靶標[1]的平面上定義全局世界坐標系ow-xwywzw，選取靶標[1]左上角為原點ow，xw、yw軸分別與靶標的行列方塊方向一致，zw軸垂直靶標平面向上。提取全局校準圖像的特征點的圖像坐標。利用特征點的圖像坐標和對應全局世界坐標分別計算攝像機[4]和攝像機[6]的攝像機坐標系到全局世界坐標系的變換；
1.3、光平面校準階段
1.3.1、打開激光投射器的電源，在攝像機的視場內(nèi)，放置靶標[1]，要求投射光平面能夠投射到靶標平面上形成投射光條，攝像機拍攝一幅圖像，稱為光平面校準圖像，靶標[1]上的特征點和投射光條應該包含在光平面校準圖像內(nèi)；
1.3.2、根據(jù)攝像機的畸變模型，校正光平面校準圖像的畸變，得到無畸變光平面校準圖像；
1.3.3、提取無畸變光平面校準圖像的所有特征點的圖像坐標，根據(jù)攝像機模型和內(nèi)部參數(shù)，計算特征點的投影坐標。利用特征點的投影坐標及對應的世界坐標，計算靶標平面在攝像機坐標系下的平面方程；
1.3.4、提取無畸變光平面校準圖像中光條的圖像坐標，根據(jù)攝像機模型和內(nèi)部參數(shù)，計算光條的投影坐標，并利用光條投影坐標擬合光條直線方程。任意選取擬合光條直線上的一點，稱為光平面上的控制點，控制點和攝像機坐標系原點確定的直線稱為投影視線，計算控制點對應投影視線在攝像機坐標系下的直線方程；
1.3.5、在攝像機坐標系下，計算靶標平面與控制點對應投影視線的交點，得到光平面上控制點在攝像機坐標系下的三維坐標，稱為控制點的攝像機坐標。根據(jù)步驟1.2.2計算的攝像機坐標系到全局世界坐標系的變換，利用控制點的攝像機坐標計算控制點在全局世界坐標系下的三維坐標，稱為控制點的全局世界坐標；
1.3.6、采用步驟1.3.4～1.3.5相同的方法，計算更多位于同一光條上的控制點的全局世界坐標，同一光條上控制點的數(shù)量為2～20；
1.3.7、將靶標[1]放置在不同的位置，采用步驟1.3.1～1.3.6相同的方法，計算光平面上的非共線控制點的全局世界坐標。靶標放置位置的數(shù)量為2～10，光平面上非共線的控制點總數(shù)為4～200；
1.3.8、利用所有的非共線控制點的全局世界坐標，擬合平面得到光平面在全局世界坐標系下的方程；
1.3.9、采用步驟1.3.1～1.3.8敘述的方法，分別得到測量系統(tǒng)的光平面[8]和光平面[9]在全局世界坐標系的方程；
1.3.10、將校準的攝像機[4]和攝像機[6]的內(nèi)部參數(shù)、攝像機[4]的攝像機坐標系到全局坐標系的變換、攝像機[6]的攝像機坐標系到全局世界坐標系的變換以及光平面[8]和光平面[9]的方程系數(shù)保存到系統(tǒng)參數(shù)文件中，以備測量調(diào)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及對雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)校準方法的改進。本發(fā)明利用未知運動二維平面靶標，對包括攝像機內(nèi)部參數(shù)、攝像機坐標系到全局世界坐標系的變換和光平面方程在內(nèi)的所有雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)模型參數(shù)進行現(xiàn)場校準。本方法不需要高成本的輔助設(shè)備，校準精度高，過程簡單，效率高，能夠滿足雙傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)現(xiàn)場校準的需要，同時也適合兩個以上傳感器激光視覺三維測量系統(tǒng)的現(xiàn)場校準。
文檔編號G01B11/24GK1975324SQ20061016772
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者周富強, 張廣軍 申請人:北京航空航天大學