專利名稱：：基于一維靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，尤其涉及一種基于一維靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
：結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量是基于光學(xué)的三角法測(cè)量原理。通過(guò)光學(xué)投射器(可以是激光投射器，也可以是投影儀)將一定模式的結(jié)構(gòu)光投射于物體的表面，在表面形成由被測(cè)物體表面形狀所調(diào)制的光條三維fe像。該三維圖像由處于另一位置的攝像機(jī)攝取，從而獲得光條二維畸變圖像。光條的畸變程度取決于光學(xué)投射器與攝像機(jī)之間的相對(duì)位置和物體表面形廓的高度。直觀上，沿光條顯示出的位移(或偏移)與物體的高度成比例，扭結(jié)表示了平面的變化，不連續(xù)顯示了表面的物理間隙。當(dāng)光學(xué)投射器與攝像機(jī)之間的相對(duì)位置一定時(shí)，由畸變的二維光條圖像坐標(biāo)便可重現(xiàn)物體表面的三維形廓。結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量具有大量程、大視場(chǎng)、較高精度、光條圖像信息易于提取、實(shí)時(shí)性強(qiáng)及主動(dòng)受控等特點(diǎn)，近年來(lái)在工業(yè)環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的參數(shù)主要包括攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(主要是指在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的光平面方程，也稱為攝像機(jī)的外部參數(shù))。對(duì)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定包括對(duì)攝像機(jī)參數(shù)的標(biāo)定和對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定兩個(gè)部分。關(guān)于攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定的方法主要有基于徑向約束的Tsai方法(TSAIRY，Aversatilecameracalibrationtechniqueforhigh—accuracy3Dmachinevisionmetrologyusingoff-the—shelfTVcameraandlenses[J].IEEEJournalofRoboticsandAutomation,1987，RA-3,(4):323-344)和基于平面耙標(biāo)的張方法(ZHANGZY，Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[R].MicrosoftCorporation,NSR-TR-98-71,1998)。關(guān)于線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定方法，目前比較通用的標(biāo)定方法是周富強(qiáng)等人提出的基于平面靶標(biāo)自由移動(dòng)的線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法(F.Zhou,G.Zhang，Constructingfeaturepointsusedforcalibratingastructuredlightvisionsensorbyviewingaplanefromunknownorientations[J]，OpticsandLaserinEngineering(ChineseIssue)，2004),該方法需要高精度二維平面乾標(biāo)，存在靶標(biāo)加工困難，成本高，且存在相互遮擋的問(wèn)題。特別是在某些特殊的測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，可以擺放靶標(biāo)的空間受到限制，要求有更加適合在受限空間可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定的方法。故，出現(xiàn)了采用一維靶標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器進(jìn)行標(biāo)定的技術(shù)。例如，Z.Zhang在"Cameracalibrationwithone-dimensionalobjects,IEEETransactionsonPattemAnalysisandMachineIntelligence,2004,VOL.26,N0.7,892-899"中提出了一種基于一維靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定方法，釆用該標(biāo)定方法進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定時(shí)，需要固定一維靶標(biāo)的一端，拍攝多幅一維靶標(biāo)任意轉(zhuǎn)動(dòng)的圖片進(jìn)行標(biāo)定，然而這一點(diǎn)在工程上難以精確地得以實(shí)現(xiàn)，操作繁瑣且會(huì)影響標(biāo)定精度。吳福朝等在"Cameracalibrationwithmovingone-dimensionalobjects.PatternRecognition,2005,38(5)，755-765"中提出了一種基于平面運(yùn)動(dòng)的一維靶標(biāo)標(biāo)定方法，但其中平面運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)依賴于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)'的支持，即釆用該標(biāo)定方法進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定需要輔助設(shè)備。王亮等在"基于一維標(biāo)定物的多攝像機(jī)標(biāo)定，自動(dòng)化學(xué)報(bào)，第33卷，第3期，2007，225-231"中提出了一種利用做任意剛體運(yùn)動(dòng)的一維靶標(biāo)進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定的標(biāo)定方法，但該標(biāo)定方法只適用于標(biāo)定多攝像機(jī)，而不能標(biāo)定單攝像機(jī)。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于一維靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法，以提高標(biāo)定的靈活性，且無(wú)需輔助設(shè)備為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的提供了一種基于一維靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法，包括A、對(duì)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；B、設(shè)置一維靶標(biāo)于不同位置，分別計(jì)算出所述不同位置的一維靶標(biāo)與光平面的不同交點(diǎn)的空間坐標(biāo)，作為光平面不同特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)；C、利用所得到的光平面不同特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)擬合得出光平面方程。其中，步驟B中計(jì)算一維靶標(biāo)與光平面交點(diǎn)的空間坐標(biāo)的步驟包括Bl、取一維靶標(biāo)具有已知空間約束的至少三個(gè)特征點(diǎn)，計(jì)算一維靶標(biāo)所述特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)；B2、以所計(jì)算出的一維耙標(biāo)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)為初值，計(jì)算出一維靶標(biāo)與光平面交點(diǎn)的空間坐標(biāo)。其中，所述步驟B1包括子步驟Bll、取一維靶標(biāo)具有已知空間約束的三個(gè)特征點(diǎn)；B12、根據(jù)所取一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)空間坐標(biāo)的比例關(guān)系、所取一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)、透視投影模型和攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣建立方程組；B13、根據(jù)所取的一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)之間的空間約東和步驟B12所建立的方程組求解出所取一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)。其中，所述步驟B12所建立的方程組為/辦*3/?！猇。=0/0、-A+,*/*;c2-z,*/j*z2=0步驟B13所述空間約東為1Ife,h，22)-fe"，Zo〗卜丄其中，h為比例系數(shù)；(x。，。，(&，W,(AA)分別為所取的一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)，"，h，z。)和fe，h，^分別為其中兩個(gè)特征點(diǎn)相應(yīng)的空間坐標(biāo)，L為該兩個(gè)特征點(diǎn)的距離值，即所述空間約東?？蛇x的，所取的一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)是通過(guò)對(duì)攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行畸變矯正得到的。其中，所述步驟B2包括子步驟B21、根據(jù)一維靶標(biāo)其他任意一特征點(diǎn)與所取的三個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)比例關(guān)系、一維靶標(biāo)與光平面交點(diǎn)與所取的三個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)比例關(guān)系、透視投影模型、所取三個(gè)特征點(diǎn)的已知空間約束建立方程組；B22、以步驟B13求解出的一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)為初值、并結(jié)合非線性優(yōu)化方法求解步驟B21所建立的方程組，得出一維靶標(biāo)與光平面交點(diǎn)的空間坐標(biāo)。其中，所述步驟B21所建立的方程組為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，hi、hx為比例系數(shù)；。^,^,)和(A，^)分別為靶標(biāo)特征點(diǎn)和一維靶標(biāo)與光平面交點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)，(^，^，^)和"，&，&)分別為相應(yīng)的空間坐標(biāo)；"，y。，z。)和"，h，z2)為所取的一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)中兩個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)；L為所述空間約束，為該兩個(gè)特征點(diǎn)的距離值；F為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣。由上可以看出，對(duì)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器，尤其對(duì)光平面方程進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，通過(guò)一維靶標(biāo)放置在不同位置，將計(jì)算出的所述不同位置的一維靶標(biāo)與光平面的不同交點(diǎn)的空間坐標(biāo)擬合即可得到光平面方程，標(biāo)定更為靈活性，一維靶標(biāo)擺放更方便任意，且無(wú)需輔助設(shè)備。并且，一維靶標(biāo)具有加工容易，精度容易保證，柔性好，而且更加適用于現(xiàn)場(chǎng)受限空間的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定。另一方面，通過(guò)最少取一維靶標(biāo)的三個(gè)特征點(diǎn)即可完成對(duì)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定，標(biāo)定過(guò)程更為簡(jiǎn)單、快速。并且，通過(guò)驗(yàn)證，本發(fā)明標(biāo)定方法所標(biāo)定的精度與通過(guò)交比不變?cè)磉M(jìn)行標(biāo)定的結(jié)果幾乎相同，本發(fā)明具有上述優(yōu)點(diǎn)外還具有非常的可行性。圖l為結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器模型原理圖2為基于一維靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定流程圖3為采集的靶標(biāo)及光條圖像示意圖4為光平面特征點(diǎn)的空間分布示意圖5為結(jié)構(gòu)光傳感器得到的靶標(biāo)圖像示意圖6為靶標(biāo)圖像特征點(diǎn)的提取結(jié)果示意圖。具體實(shí)施例方式在介紹本發(fā)明之前，首先，參見(jiàn)圖1示出的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器模型原理圖，對(duì)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行說(shuō)明。圖1中示出了結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)透視投影模型的幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系，其中，0￡-;cja(為右手系)為攝像機(jī)坐標(biāo)系，0,-^7為圖像平面坐標(biāo)系，"為結(jié)構(gòu)光光平面。攝像機(jī)坐標(biāo)系中的點(diǎn)(&，^^)與圖像平面坐標(biāo)系的點(diǎn)(X,y)對(duì)應(yīng)關(guān)系可用下式表示11、1(1)式(1)中，F(xiàn)為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣，p為一個(gè)比例因子。由于式(1)不能夠由攝像機(jī)二維像點(diǎn)坐標(biāo)(HO得到唯一對(duì)應(yīng)的三維物點(diǎn)的坐標(biāo)(&^,0,故需通過(guò)所述結(jié)構(gòu)光光平面"的方程進(jìn)行約東以消除多義性。設(shè)結(jié)構(gòu)光光平面"在攝像機(jī)坐標(biāo)系《-w^下的方程式為axc+6義+czc+d=0式(2)中，a、b、c和d為該方程式的系數(shù)。聯(lián)立式(1)和式(2)，便得到如下示出的線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的測(cè)量模型:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>由式(3)可以看出，當(dāng)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)和光平面方程系數(shù)為確定值時(shí)，即對(duì)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定后，或者說(shuō)對(duì)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定和對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)(即指在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的光平面方程)標(biāo)定后，便可以根據(jù)式(3)示出的線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的測(cè)量模型求得光平面上光條中心點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)由二維圖像坐標(biāo)重構(gòu)三維世界坐標(biāo)，完成三維測(cè)量。本發(fā)明即提供了一種基于一維靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定方法，該方法的基本思想是首先，通過(guò)基于平面靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定方法或其他已知標(biāo)定方法，得到攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)；然后，利用一維靶標(biāo)的具有已知空間約束的至少三個(gè)特征點(diǎn)，結(jié)合透視投影方程，分別得到一維靶標(biāo)所述至少三個(gè)特征點(diǎn)和光平面特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)(本發(fā)明中，在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)也可簡(jiǎn)稱為空間坐標(biāo))；再后，利用設(shè)定次數(shù)的任意擺放一維靶標(biāo)特征點(diǎn)重復(fù)上一步驟得到多個(gè)光平面特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)；最后，將得到的在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的光平面的多個(gè)空間點(diǎn)(即特征點(diǎn))坐標(biāo)擬合得到光平面方程。下面參見(jiàn)圖2示出的基于一維靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定流程圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，包括以下步驟步驟201:對(duì)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。本例中，釆用基于平面靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定方法對(duì)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，例如可以釆用
背景技術(shù)：
中提到的基于平面靶標(biāo)的張方法(ZHANGZY，Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[R].MicrosoftCorporation，NSR-TR-98-71,1998)進(jìn)行標(biāo)定。上述基于張方法的平面靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定的原理如下攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)在整個(gè)標(biāo)定過(guò)程中為常數(shù)，只有外部參數(shù)發(fā)生變化，故取一平面靶標(biāo)在攝像機(jī)前合適位置擺放設(shè)定的次數(shù)，如m次，然后求解該靶標(biāo)平面和攝像機(jī)像平面之間的單應(yīng)矩陣，再以圖像平面坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R的正交性為約東，求解出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。設(shè)平面靶標(biāo)上標(biāo)志點(diǎn)重投影圖像坐標(biāo)為A-(""'，vJ，實(shí)際成像的圖像坐標(biāo)為^="，0\建立一個(gè)以"化，^)為最小化的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)其中，式(4)中的x為攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)。經(jīng)非線性優(yōu)化方法，如阻尼最小二乘法(LM)方法得到攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的最優(yōu)解，具體的非線性優(yōu)化方法在由ZHANGZY在"Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[R].MicrosoftCorporation,NSR-TR-98-71,1998"中進(jìn)行了詳細(xì)介紹，此處不再贅述。其中，所得到攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的最優(yōu)解中包括攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣F和畸變參數(shù)系數(shù)kl,k2,pi,p2。得到的所述攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣F為式(5)中，fdx,fdy分別表示攝像機(jī)在x，y方向上的有效焦距，u，v分別表示攝像機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)。另外，還可以釆用其他的已知的標(biāo)定方法來(lái)標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，例如中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?00810102978.3中披露的基于雙一維靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定方法。不再贅述。步驟202:利用一維乾標(biāo)的具有已知空間約東的三個(gè)特征點(diǎn)，結(jié)合透視投影方程，計(jì)算出所述三個(gè)靶標(biāo)特征點(diǎn)和光平面特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)。該步驟具體由下述子步驟2021和2022實(shí)現(xiàn)。步驟2021:利用一維靶標(biāo)特征點(diǎn)之間的空間約束，計(jì)算一維靶標(biāo)特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)，以作為所述特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下空間坐標(biāo)的初值。具體包括首先，使用具有至少三個(gè)已知特征點(diǎn)的一維靶標(biāo)在攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)擺放，其中該靶標(biāo)特征點(diǎn)的孔心共線，且特征點(diǎn)之間相對(duì)距離確定(即為所述的空間約東)，移動(dòng)擺放時(shí)需要使靶標(biāo)與光平面有交點(diǎn)。參見(jiàn)圖1中的靶標(biāo)擺放示意圖進(jìn)行說(shuō)明圖中A，C，d點(diǎn)為一維靶標(biāo)已知特征點(diǎn)，相對(duì)距離確定，其中A點(diǎn)和D點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)長(zhǎng)度，B點(diǎn)為靶標(biāo)與光平面的交點(diǎn)。然后，利用靶標(biāo)特征點(diǎn)之間的距離和步驟201得到的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，計(jì)算出所述靶標(biāo)特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)，具體如下設(shè)圖1中一維靶標(biāo)的特征點(diǎn)A、C、D在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)分別為PA=fo，>Vz。)，pc-h，乃，-')，pd=fe，h，z2)，且滿足空間點(diǎn)之間的比例關(guān)系(WpJ=(w")r*((w2,z2)-(w"F(5)式(5)中，由于一維靶標(biāo)上述特征點(diǎn)A、C、d的相對(duì)位置已知，故由一維靶標(biāo)特征點(diǎn)分布位置決定的比例系數(shù)hi(該例中hl=AC距離/AD距離)也為已知參數(shù)。通過(guò)對(duì)攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行畸變矯正(畸變矯正是根據(jù)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)對(duì)拍攝的平面靶標(biāo)圖像進(jìn)行畸變矯正，具體如何進(jìn)行畸變矯正，屬于已有技術(shù)，可參見(jiàn)張廣軍著的《機(jī)器視覺(jué)》，北京科學(xué)出版社，2005)，得到一維靶標(biāo)特征點(diǎn)a，c，d在圖像平面坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)(^，y。)，(Z"K)，(AA)。根據(jù)透視投影模型，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其中A)，A，A為比例系數(shù)，將式(5)的F矩陣代入方程組(6)并把F矩陣展開(kāi)，消去A，A,A，P。，A,A，得到一個(gè)以x。，^，z。，A,22為未知量，圖像平面坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)(X,A),(0，1,2)以及攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)為已知量的方程組'僻、-々0=0/辦W0=o-A*(l_/0*z0+#*A*;c2-^*/*z2=0該方程組的系數(shù)矩陣秩為5，故，將z?？醋饕阎獢?shù)，可解出A，A,h,^關(guān)于Z。的表達(dá)式。設(shè)A點(diǎn)和D點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)，即Ife，h，^)-fcjo，Zo〗l"(8)將A，h，A,A關(guān)于Z。的表達(dá)式代入式(8),可以解出Z。(根據(jù)選取的坐標(biāo)系，2。取正值)，進(jìn)而得到A、D點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)"。J。，Z。)，fe，h，z2),再根據(jù)A，C，D空間點(diǎn)之間的存在的比例關(guān)系(式5),可以進(jìn)一步計(jì)算出C點(diǎn)^，力，^在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)。這樣，就計(jì)算出了一維靶標(biāo)特征點(diǎn)A，C，D在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)。步驟2022:將步驟2021計(jì)算出的一維靶標(biāo)特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下坐標(biāo)作為初值，利用攝像機(jī)透視投影模型，通過(guò)非線性優(yōu)化計(jì)算的方法，如LM方法，得到更為精確的一維靶標(biāo)特征點(diǎn)空間坐標(biāo)以及光平面特征點(diǎn)的坐標(biāo)。具體如下假設(shè)一維靶標(biāo)除了A、C、D點(diǎn)外，還有特征點(diǎn)Mi，(i=l,......，n)。這些特征點(diǎn)滿足空間點(diǎn)之間的比例關(guān)系式(9)中("M，^，^)表示Mi點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)下的空間坐標(biāo)；化表示a、D點(diǎn)與Mi點(diǎn)的位置關(guān)系的比例系數(shù)，由于特征點(diǎn)位置固定，故為已知量。類似的，光平面和一維靶標(biāo)的交點(diǎn)B(如圖1)與A、D點(diǎn)有如下關(guān)系式(10)中hx為未知比例系數(shù)。用(I，4)和(Xs，J;)分別表示Mi點(diǎn)和光平面特征點(diǎn)B在圖像平面坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)，根據(jù)透視投影模型和已知的A、D間距離L，可知=F(xM,;vM,zMf=F((x。，y。，z。)'*(fc，:v2，z2)-(x。，>>。,z。))r)Ife，72，^)一h)，少0,Zo)l卜Z(U)式(11)是一個(gè)以A，h，Z。，少2，Z2,hX為未知量的非線性方程組。將F帶入式(11)消去參數(shù)^和A，以步驟2021計(jì)算出的A、D點(diǎn)空間坐標(biāo)fc，h，z。)，fe，h，&)為初值，hx的初值取0.5,通過(guò)LM非線性優(yōu)化方法(LM指阻尼最小二乘法)計(jì)算得到A、D點(diǎn)坐標(biāo)以及hx的最優(yōu)解。然后將計(jì)算的A、D、hx結(jié)果帶入式(10)計(jì)算得到光平面特征點(diǎn)B在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)。步驟203:設(shè)定執(zhí)行m次步驟2021-2022,通過(guò)m次執(zhí)行步驟2021和2022，獲得擺放m次不同位置一維靶標(biāo)時(shí)，得到m個(gè)光平面特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)Bi為0=!，'，加)。步驟204:利用步驟203中得到的光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的m個(gè)空間點(diǎn)(即特征點(diǎn))坐標(biāo)擬合得光平面方程。具體為釆用的目標(biāo)函數(shù)為點(diǎn)到平面的歐氏距離的平方和，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>使式(12)達(dá)到最小的解f'-k，6'，e'，"1時(shí)，即為結(jié)構(gòu)光光平面方程的系數(shù)，故令《=0，將所述得到的m個(gè)光平面特征點(diǎn)的坐標(biāo)(^，尺'，^')("i，…，w)分別帶入式(13)得到m個(gè)非線性方程構(gòu)成的非線性方程組，然后釆用非線性優(yōu)化法，如LM法，就得到最優(yōu)解f',即得出式(2)示出的結(jié)構(gòu)光光平面方程的系數(shù)。另外，關(guān)于由多個(gè)點(diǎn)擬合為平面的方法，也可以直接采用LM法求解，不再贅述。至此，結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定完成，即可根據(jù)式(3)示出的線結(jié)構(gòu)光傳感器的測(cè)量模型，由二維圖像坐標(biāo)重構(gòu)三維世界坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量。下面，以本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程為例，進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行介紹。在具體實(shí)施過(guò)程中，光視覺(jué)傳感器中的攝像機(jī)采用CCD相機(jī)，其圖像分辨率為768*576，攝像機(jī)視場(chǎng)約為300mmx200mm，測(cè)量距離約為400mm。光視覺(jué)傳感器中的激光投射儀器釆用西安華科LH650單線激光器。釆用的一維靶標(biāo)靶面上有中心共線的一行圓孔，圓孔半徑為24mm，相鄰圓孔中心的間距為40mm,加工精度為0.02mm，圓孔的數(shù)量為6個(gè)。選取圓孔中心為特征點(diǎn)。對(duì)應(yīng)步驟201進(jìn)行攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定時(shí)，釆用了所述的基于平面靶標(biāo)的張方法進(jìn)行標(biāo)定，其結(jié)果如下[像機(jī)內(nèi)部參數(shù)F矩陣為.1317.470399.2701315,23336.95001&=-2.229xl(T1&=2.445x10"p,=6.434xl0-4攝像機(jī)畸變參數(shù)系數(shù)為b2=2',xl0-3首先，對(duì)應(yīng)于步驟2021中的確定一維靶標(biāo)特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)的確定步驟時(shí)，將一維靶標(biāo)在攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)合適位置處，獲取攝像機(jī)釆集的一維靶標(biāo)的圖像坐標(biāo)，如圖3所示，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行畸變矯正后，提取圖像平面坐標(biāo)系下一維靶標(biāo)圓孔(即特征點(diǎn))的中心坐標(biāo)和光條的中心坐標(biāo)。對(duì)于圖3,在圖像平面坐標(biāo)系下，一維靶標(biāo)1到6的圓孔中心坐標(biāo)提取結(jié)果(單位像素)依次如下(62.04,313.85)、(205.80，306.28)、(344.94,298.93)、(479.25，291.95)、(609.65,284.95)、(735.84，278.46)。同時(shí)，還可以提取在圖像平面坐標(biāo)系下的各個(gè)光條中心坐標(biāo)，提取結(jié)果(單位像素)如下(563.06，247.99)、(563.06,248.99)、(563.08,249.99)、(563.11,250.99)、(563.17,251.98)........(567.47,324.96)、(567.56,326.05)、(567.65,327.05)、(567.72，328.04)、(567.81,329.03)。通過(guò)將光條中心點(diǎn)擬合一條直線，與一維靶標(biāo)的圓孔中心擬合的直線的交點(diǎn)，作為光平面在一維靶標(biāo)上的特征點(diǎn)B，從圖3得到的B點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系下圖像坐標(biāo)為(565.23，287.40)(單位:像素)。對(duì)應(yīng)步驟2022中求解一維靶標(biāo)特征點(diǎn)A,C,D在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)時(shí)，選取一維耙標(biāo)圖像平面坐標(biāo)系下的三個(gè)圓孔中心(即特征點(diǎn))用于計(jì)算一維靶標(biāo)特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)。三個(gè)特征點(diǎn)(圖3中從左到右依次取第1，3，6個(gè)點(diǎn))的圖像坐標(biāo)為(62.04，313.85)、(344.94，298.93)、(735.84,278.46).帶入式(7)，其中，參數(shù)h為0.4。計(jì)算得到三個(gè)特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)(單位mm)依次如下(-94.63,-6.49，369.69)，(-15.76，-11.02，382.35)，(102.52，-17.82，401,32)。其次，對(duì)應(yīng)步驟2022中求解的步驟時(shí)，通過(guò)求解非線性方程組式(11)，得到光平面特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)為(49.48，-14.8，392.86)(單位mm)然后，對(duì)應(yīng)步驟203，本例中取50幅圖像，故將一維靶標(biāo)在攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)合適位置處自由擺放50次，執(zhí)行相應(yīng)的50次上述步驟，得到如圖4示出的50個(gè)這樣的光平面空間點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)(單位mm):(33.55，-43.88，396.34)、(-10.86，47.03，428.58)、(5.75，55.99，421.96)、(-0.64，34.06，422.04)、(-3.57，3.59，419.48).......、(8.16，26.61，416.71)、(84.71，50.60,385.63)、(66.18，25.10，390.92)、(62.88,-30.69,384.78)、(62.70,-60.82，380.64)。最后，對(duì)應(yīng)步驟204，將上述50個(gè)光平面空間點(diǎn)的空間坐標(biāo)通過(guò)求解式(12)，得到光平面參數(shù)，即光平面方程的系數(shù)如下a=1.0000、b=-0.2995、c=2.2125、d=-922.9411，即得到光平面方程即為jc--0.2995j;+2.2125z—922.9411=0在此，對(duì)本發(fā)明結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的標(biāo)定的可行性進(jìn)行論證。下面通過(guò)對(duì)測(cè)量精度的比較驗(yàn)證本發(fā)明標(biāo)定方法的可行性。使用標(biāo)定完成的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器獲取高精度平面靶標(biāo)圖像，參見(jiàn)圖5所示。提取靶標(biāo)的特征點(diǎn)以及光條的特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，其結(jié)果參見(jiàn)圖6所示。提取的靶標(biāo)特征點(diǎn)空間間隔為12mm，通過(guò)使用交比不變?cè)?可參見(jiàn)張廣軍著的《機(jī)器視覺(jué)》一書(shū)，北京科學(xué)出版社，2005)，計(jì)算得到光平面特征點(diǎn)在靶標(biāo)上的位置，進(jìn)而得到兩個(gè)光平面特征點(diǎn)之間的距離L1。然后通過(guò)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器測(cè)量模型(式3)也得到任意兩個(gè)光平面特征點(diǎn)之間的距離L2。通過(guò)比較兩次測(cè)量值，得到結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器測(cè)量物體空間兩點(diǎn)距離的均方根(RMS)誤差。對(duì)于圖5,分別通過(guò)交比不變?cè)砗徒Y(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器測(cè)量模型得到的相鄰兩個(gè)光平面特征點(diǎn)之間的距離如下表1。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>表1表1中示出的6個(gè)距離的RMS誤差為ERMS-0.059mm。由上可以看出，RMS誤差很小，故本發(fā)明標(biāo)定方法所標(biāo)定的精度與通過(guò)交比不變?cè)磉M(jìn)行標(biāo)定的結(jié)果幾乎相同。本發(fā)明具有可行性。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1、一種基于一維靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法，其特征在于，包括A、對(duì)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；B、設(shè)置一維靶標(biāo)于不同位置，分別計(jì)算出所述不同位置的一維靶標(biāo)與光平面的不同交點(diǎn)的空間坐標(biāo)，作為光平面不同特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)；C、利用所得到的光平面不同特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)擬合得出光平面方程。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟B中計(jì)算一維靶標(biāo)與光平面交點(diǎn)的空間坐標(biāo)的步驟包括Bl、取一維靶標(biāo)具有已知空間約東的至少三個(gè)特征點(diǎn)，計(jì)算一維靶標(biāo)所述特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)；B2、以所計(jì)算出的一維靶標(biāo)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)為初值，計(jì)算出一維靶標(biāo)與光平面交點(diǎn)的空間坐標(biāo)。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟B1包括子步驟Bll、取一維耙標(biāo)具有已知空間約束的三個(gè)特征點(diǎn)；B12、根據(jù)所取一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)空間坐標(biāo)的比例關(guān)系、所取一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)、透視投影模型和攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣建立方程組；B13、根據(jù)所取的一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)之間的空間約束和步驟B12所建立的方程組求解出所取一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟B12所建立的方程組為/辦V。-:r。z。-o/辦*(1-&)*>>0_y;*(i_W*z0+/辦*/"2-"*A"2=o步驟B13所述空間約束為|(x2，_y2，Z2)-(x。，;;。，z。|=￡其中，h為比例系數(shù)；(x。，。，(A，K)，(A，。分別為所取的一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)，"，y。，z。)和fe，h，z2)分別為其中兩個(gè)特征點(diǎn)相應(yīng)的空間坐標(biāo)，L為該兩個(gè)特征點(diǎn)的距離值，即所述空間約東。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所取的一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)是通過(guò)對(duì)攝像機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行畸變矯正得到的。6、根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟B2包括子步驟B21、根據(jù)一維靶標(biāo)其他任意一特征點(diǎn)與所取的三個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)比例關(guān)系、一維靶標(biāo)與光平面交點(diǎn)與所取的三個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)比例關(guān)系、透視投影模型、所取三個(gè)特征點(diǎn)的已知空間約束建立方程組；B22、以步驟B13求解出的一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)為初值、并結(jié)合非線性優(yōu)化方法求解步驟B21所建立的方程組，得出一維靶標(biāo)與光平面交點(diǎn)的空間坐標(biāo)。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟B21所建立的方程組為A(^m,Jm,1)7=F(^，>^,zM)r=F((;c0,>;0，z0)'*((x2，y2,z2)—(x0,y0,z0))r)-/(xB,:rfl，i)r=Ffe，:vfl，Za)r=f((x0，:v0,z0)+^*(fe，:i;2,z2)-(x0，y0，z0》r)|(x2,y2,z2)—(x0，_y0，z0)|=_Z:其中，hi、hx為比例系數(shù)；(x緒，^)和(^，&)分別為靶標(biāo)特征點(diǎn)和一維靶標(biāo)與光平面交點(diǎn)在圖像平面坐標(biāo)系下的理想坐標(biāo)，(^，^'，^)和fc，h，^:)分別為相應(yīng)的空間坐標(biāo)；"。，h，z。)和fe，h，z2)為所取的一維靶標(biāo)三個(gè)特征點(diǎn)中兩個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)；L為所述空間約東，為該兩個(gè)特征點(diǎn)的距離值；F為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣。全文摘要本發(fā)明提高了一種基于一維靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器標(biāo)定方法，包括對(duì)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；設(shè)置一維靶標(biāo)于不同位置，分別計(jì)算出所述不同位置的一維靶標(biāo)與光平面的不同交點(diǎn)的空間坐標(biāo)，作為光平面不同特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)；利用所得到的光平面不同特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)擬合得出光平面方程。使用本發(fā)明，使所述一維靶標(biāo)任意放置在可與光平面相交的位置即可標(biāo)定結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器，標(biāo)定靈活性，且無(wú)需輔助設(shè)備。文檔編號(hào)G01B11/25GK101586943SQ20091008930公開(kāi)日2009年11月25日申請(qǐng)日期2009年7月15日優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日發(fā)明者孫軍華,張廣軍,曹黎俊,魏振忠申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)