本發(fā)明涉及視覺測量技術(shù)，具體說就是一種基于前鍍膜平面鏡的結(jié)構(gòu)光標(biāo)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)光三維視覺測量具有非接觸、速度快和精度適中等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)檢測等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的標(biāo)定精度決定著最終檢測精度水平。線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標(biāo)定過程包括攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定和光平面參數(shù)標(biāo)定兩個(gè)方面，主要利用攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)以及其他輔助工具確定光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的平面方程。

關(guān)于目前常用的結(jié)構(gòu)光傳感器的標(biāo)定方法主要有：一是自由移動(dòng)靶標(biāo)式，多采用一維靶標(biāo)、二維平面靶標(biāo)、三維立體靶標(biāo)完成光平面參數(shù)標(biāo)定，此方法靶標(biāo)容易加工，標(biāo)定精度高，效率高，此方法較為常用。二是機(jī)械運(yùn)動(dòng)調(diào)整法，多采用帶編碼器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或機(jī)械手臂等，此方法人為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)多，精度主要取決于機(jī)械運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的精度。

cn200810239083.4公開了“一種基于一維靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定方法”，該方法利用一維標(biāo)靶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，根據(jù)特征點(diǎn)的長度約束及方向約束計(jì)算特征點(diǎn)在攝像機(jī)系坐標(biāo)系下空間三維坐標(biāo)，并進(jìn)行擬合得到光平面方程。該方法對(duì)一維標(biāo)靶的加工精度要求較高，對(duì)圖像噪聲比較敏感。

cn200710121397.x公開了“一種結(jié)構(gòu)光視覺傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定方法”，該方法主要借助有多個(gè)非線性特征點(diǎn)的平面靶標(biāo)，通過多次移動(dòng)平面靶標(biāo)的位置，獲取靶標(biāo)圖像上的光條中心及非線性特征點(diǎn)坐標(biāo)，通過單應(yīng)矩陣計(jì)算光條中心點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維空間坐標(biāo)擬合出光平面方程。該方法標(biāo)定效率高、精度高等特點(diǎn)被廣泛使用，但該方法提取無法同時(shí)兼顧高質(zhì)量的光條圖像與特征點(diǎn)的高精度提取。

cn201510307016.1公開了“一種基于平行雙圓柱靶標(biāo)的線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器標(biāo)定方法”。該方法采用自由移動(dòng)的平行雙圓柱靶標(biāo)，將靶標(biāo)在合適位置擺放至少一次，提取光條圖像中心并擬合圖像中光條的橢圓圖像，基于透視投影變換建立兩個(gè)空間橢圓與其圖像之間對(duì)應(yīng)方程，以橢圓短軸與圓柱直徑相同為約束條件，求解光平面方程。該方法需要高精度的三維標(biāo)定靶標(biāo)，加工成本高，由于反射遮擋等因素難以獲得高質(zhì)量的標(biāo)定圖像。

從以上分析可以看出，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定方法都需要高精度的帶有特征點(diǎn)的靶標(biāo)或者高精度的幾何約束靶標(biāo)，由于目前材料加工工藝水平限制，在保證光條圖像質(zhì)量的情況下，很難使特征點(diǎn)位置精度或者幾何約束精度達(dá)到微米級(jí)別，且計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣采用圖像單應(yīng)的方法求取存在一定的誤差；激光光條投射在金屬或者陶瓷等靶標(biāo)上由于強(qiáng)反射或者漫反射，均降低了光條中心的提取精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于前鍍膜平面鏡的結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)快速高精度的結(jié)構(gòu)光傳感器光平面參數(shù)標(biāo)定，加工制造與靶標(biāo)維護(hù)容易，現(xiàn)場操作簡單。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于前鍍膜平面鏡的結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定裝置及方法，包括：將前鍍膜平面鏡與平面玻璃靶標(biāo)置于攝像機(jī)前位置，攝像機(jī)同時(shí)拍攝平面玻璃靶標(biāo)圖像與其鏡像圖像，建立虛擬雙目測量模型，利用平面玻璃靶標(biāo)相鄰特征點(diǎn)空間距離作為約束，通過非線性優(yōu)化方法求取前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量的優(yōu)化解，采用最小二乘法對(duì)備選特征點(diǎn)進(jìn)行圖像消影點(diǎn)求??；將白色打印紙置于前鍍膜平面鏡前，激光器投射光束到白色打印紙上，攝像機(jī)同時(shí)拍攝實(shí)際光條圖像與鏡像光條圖像，提取光條圖像中心點(diǎn)，利用圖像消影點(diǎn)與線性插值方法進(jìn)行亞像素匹配，計(jì)算匹配點(diǎn)的三維坐標(biāo)采用最小二乘法擬合求解光平面方程。

本發(fā)明具體提供的一種的結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定裝置，所述裝置包括：一臺(tái)面陣攝像機(jī)、一個(gè)一字線激光器、一個(gè)前鍍膜平面鏡、一個(gè)平面玻璃靶標(biāo)和一張白色打印紙，其中：

面陣攝像機(jī)，用于同時(shí)拍攝激光器投射在白色打印紙上的光條圖像及在前鍍膜平面鏡中的光條鏡像，并計(jì)算前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量；

一字線激光器，用于投射激光光束到白紙打印紙上形成光條；

前鍍膜平面鏡，前鍍膜平面鏡的前表面四周區(qū)域的特征點(diǎn)用于計(jì)算前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，前鍍膜平面鏡前表面中心區(qū)域鍍膜用于鏡像投射在白色打印紙上的激光光條與平面玻璃靶標(biāo)上的特征點(diǎn)；

面玻璃靶標(biāo)，用于優(yōu)化前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量提供約束，并且用于計(jì)算圖像的消影點(diǎn)，通過消影點(diǎn)進(jìn)行兩個(gè)光條圖像的匹配；

白色打印紙，用于激光器投射光束并呈現(xiàn)光條圖像。

上述方案中，前鍍膜平面鏡、平面玻璃靶標(biāo)和白色打印紙共同組成用于結(jié)構(gòu)光光平面參數(shù)標(biāo)定的靶標(biāo)裝置，其中前鍍膜平面鏡為前表面中心部位鍍有鋁膜，平面鏡的前表面四周區(qū)域光刻特征點(diǎn)，前鍍膜平面鏡相比后鍍膜平面鏡，可以不受平面鏡玻璃厚度造成的折射現(xiàn)象影響，以提高標(biāo)定精度。平面玻璃靶標(biāo)可以是棋盤格特征點(diǎn)，也可以是圓點(diǎn)陣、網(wǎng)格特征點(diǎn)。

本發(fā)明還提供了一種結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定方法，包括：

a.對(duì)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的攝像機(jī)進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定；將平面玻璃靶標(biāo)與前鍍膜平面鏡放置在攝像機(jī)前清晰成像區(qū)域內(nèi)，調(diào)節(jié)光源亮度，拍攝平面玻璃靶標(biāo)上的特征點(diǎn)圖像與鏡像圖像；校正圖像；

b.實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系、鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系、前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系、反平面鏡坐標(biāo)系的建立；前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量求解；鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系與實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量求解，左手圖像坐標(biāo)系到右手圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系求解，虛擬雙目測量模型的建立；采用非線性優(yōu)化方法得到上述旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量的最優(yōu)解；

c.計(jì)算平面玻璃靶標(biāo)的水平方向和豎直方向相鄰特征點(diǎn)的距離，基于閾值判斷選取備選特征點(diǎn)，對(duì)備選特征點(diǎn)進(jìn)行匹配連線，采用最小二乘法進(jìn)行圖像消影點(diǎn)求??；

d.將白色打印紙放置在攝像機(jī)前清晰成像區(qū)域內(nèi)擺放多次，分別對(duì)真實(shí)光條圖像與鏡像光條圖像中心提取，通過消影點(diǎn)進(jìn)行真實(shí)光條中心與鏡像光條中心的亞像素匹配，利用虛擬雙目測量模型計(jì)算光條中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)，采用最小二乘法擬合光平面，求解光平面參數(shù)。

步驟a中對(duì)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的攝像機(jī)進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定；將平面玻璃靶標(biāo)與前鍍膜平面鏡放置在攝像機(jī)前清晰成像區(qū)域內(nèi)，調(diào)節(jié)光源亮度，拍攝平面玻璃靶標(biāo)上的特征點(diǎn)圖像與鏡像圖像，校正圖像，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

將可以自由移動(dòng)的平面玻璃靶標(biāo)放置在攝像機(jī)前清晰成像區(qū)域內(nèi)，前鍍膜平面鏡與平面玻璃靶標(biāo)成一定的夾角放置，保證平面玻璃靶標(biāo)上的特征點(diǎn)與其鏡像特征點(diǎn)、前鍍膜平面鏡大部分特征點(diǎn)位于清晰成像區(qū)域內(nèi)，分別調(diào)節(jié)前鍍膜平面鏡、平面玻璃靶標(biāo)的光源亮度，使其上面的特征點(diǎn)成像清晰，特征點(diǎn)及邊緣像素寬度為1-3個(gè)。通過攝像機(jī)內(nèi)部標(biāo)定參數(shù)，圖像校正的方法，得到無畸變圖像。

步驟b中實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系、鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系、前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系、反平面鏡坐標(biāo)系的建立；前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量求解，鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系與實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量求解，左手圖像坐標(biāo)系到右手圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系求解，虛擬雙目測量模型的建立，采用非線性優(yōu)化方法得到上述旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量的最優(yōu)解,實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)將實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系、鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系、前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系、反平面鏡坐標(biāo)系均建立成右手坐標(biāo)系，實(shí)體攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)在圖像的左上角，鏡像攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)在圖像的右上角；

(2)前鍍膜平面鏡上的特征點(diǎn)提取后，通過攝像機(jī)成像模型計(jì)算單應(yīng)矩陣，并求解前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量；

(3)利用鏡像原理分別求取前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系與反平面鏡坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量，反平面鏡坐標(biāo)系與鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量，利用上述旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量求解鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系與實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣和平移矢量；

(4)左手圖像坐標(biāo)系到右手圖像坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)體攝像機(jī)拍攝的鏡像光條圖像坐標(biāo)由于鏡像原因建立在左手坐標(biāo)系下，以圖像主點(diǎn)坐標(biāo)的縱坐標(biāo)保持不變，將鏡像光條圖像坐標(biāo)建立在右手圖像坐標(biāo)下，通過(3)中求解的鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系與實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣和平移矢量，及攝像機(jī)標(biāo)定的內(nèi)參矩陣，建立虛擬雙目測量模型；

(5)利用平面玻璃靶標(biāo)上的水平方向和豎直方向相鄰特征點(diǎn)測量值與真實(shí)值的距離最小作為空間距離約束，使用levenberg-marquardt非線性優(yōu)化方法得到前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量最優(yōu)解，及實(shí)體攝像機(jī)與鏡像攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量的最優(yōu)解。

步驟c中計(jì)算平面玻璃靶標(biāo)的水平方向和豎直方向的相鄰特征點(diǎn)的距離，基于閾值判斷選取備選特征點(diǎn)，對(duì)備選特征點(diǎn)進(jìn)行匹配連線，采用最小二乘法進(jìn)行圖像消影點(diǎn)求取的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)對(duì)平面玻璃靶標(biāo)上的特征點(diǎn)和鏡像的特征點(diǎn)進(jìn)行提取匹配，利用實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系與鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣與平移矢量的最優(yōu)解，將平面玻璃靶標(biāo)上的特征點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的鏡像特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)分別代入步驟b中建立的虛擬雙目測量模型，計(jì)算得到平面玻璃靶標(biāo)上的特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，分別計(jì)算平面玻璃靶標(biāo)上的水平方向和豎直方向的兩個(gè)相鄰特征點(diǎn)的間距，間距小于設(shè)定的閾值則被選為備選特征點(diǎn)；

(2)連線平面玻璃靶標(biāo)上備選特征點(diǎn)與其鏡像的備選特征點(diǎn)，將此連線作為匹配的極線，將圖像消影點(diǎn)到極線的距離作為目標(biāo)函數(shù)，采用線性最小二乘法求解所有連線的交點(diǎn)，此交點(diǎn)即為圖像消影點(diǎn)。

步驟d中將白色打印紙放置在攝像機(jī)前清晰成像區(qū)域內(nèi)擺放多次，分別對(duì)實(shí)際光條圖像與鏡像光條圖像中心提取，通過消影點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際光條中心與鏡像光條中心的亞像素匹配，利用虛擬雙目測量模型計(jì)算光條中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)，采用最小二乘法擬合光平面求解光平面參數(shù)的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)前鍍膜平面鏡在攝像機(jī)前清晰成像區(qū)域內(nèi)位置固定，調(diào)節(jié)光源亮度使特征點(diǎn)成像清晰，每個(gè)特征點(diǎn)占1-3像素，將白色打印紙?jiān)跀z像機(jī)前清晰成像區(qū)域內(nèi)擺放多次，激光光束投射在白色打印紙上，并可在前鍍膜平面鏡前形成清晰完整的鏡像，白色打印紙每放置一個(gè)位置時(shí)，攝像機(jī)同時(shí)拍攝白色打印紙上所投射的光條圖像與前鍍膜平面鏡鏡像的光條圖像作為標(biāo)定圖像；

(2)分別對(duì)標(biāo)定圖像上實(shí)際光條與鏡像光條采用steger方法進(jìn)行光條中心提取，通過步驟c中求取的圖像消影點(diǎn)，將實(shí)際的光條中心與圖像消影點(diǎn)進(jìn)行連線作為當(dāng)前光條中心的極線，在鏡像的光條中心上尋找離極線最近的兩點(diǎn)作為候選點(diǎn)并連線，極線與兩個(gè)候選點(diǎn)連線的交點(diǎn)作為實(shí)際光條中心的亞像素匹配點(diǎn)；

(3)將實(shí)際光條中心與亞像素匹配點(diǎn)的圖像坐標(biāo)代入步驟b中建立的虛擬雙目測量模型，計(jì)算光條中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)，采用最小二乘法擬合光平面方程ax+by+cz+d＝0，a，b，c，d即為所求的光平面參數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明提供一種采用前鍍膜平面鏡實(shí)現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光傳感器標(biāo)定的新方法，實(shí)現(xiàn)將led光源靶標(biāo)用于結(jié)構(gòu)光標(biāo)定中，并提供微米級(jí)別位置精度的特征點(diǎn)，而金屬靶標(biāo)或者陶瓷靶標(biāo)在保證光條可提取的情況下很難達(dá)到微米級(jí)別的位置精度；相比平面靶標(biāo)通過單應(yīng)關(guān)系獲得靶標(biāo)坐標(biāo)與攝像機(jī)坐標(biāo)系的位置關(guān)系，本發(fā)明通過立體優(yōu)化的方法獲得更高精度的靶標(biāo)坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的位置關(guān)系；僅用圖像的信息而不利用相機(jī)的極線約束即可實(shí)現(xiàn)光條中心的亞像素匹配，提高了匹配的精度；相比金屬靶標(biāo)，通過白色打印紙可以獲得較好的光條圖像質(zhì)量并有助于提高光條中心的提取精度，提供更多的標(biāo)定點(diǎn)保證了標(biāo)定結(jié)果的穩(wěn)定性，前鍍膜可以有效消除玻璃折射的影響，通過以上硬件改進(jìn)及算法創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了高精度的線結(jié)構(gòu)光傳感器標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果穩(wěn)定性高，且前鍍膜平面鏡易于加工，操作簡單，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的快速實(shí)時(shí)標(biāo)定。

附圖說明

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)光視覺傳感器參數(shù)標(biāo)定流程圖；

圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)光視覺傳感器參數(shù)標(biāo)定示意圖；

圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)光視覺傳感器參數(shù)標(biāo)定示意圖2；

圖4是本發(fā)明結(jié)構(gòu)光視覺傳感器參數(shù)標(biāo)定實(shí)物圖；

圖5是本發(fā)明結(jié)構(gòu)光視覺傳感器參數(shù)標(biāo)定獲取圖像；

圖6是圖像消影點(diǎn)求圖圖像；

圖7是光條中心亞像素匹配圖像。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的基本思想是：基于前鍍膜平面鏡和白色打印紙使特征點(diǎn)圖像與光條圖像分離開同步進(jìn)行采集，獲得高質(zhì)量的圖像提供高位置精度的特征點(diǎn)坐標(biāo)和高提取精度的光條中心坐標(biāo)，通過單個(gè)攝像機(jī)及鏡像組成對(duì)稱虛擬雙目測量系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)光光平面參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，采用基于圖像消影點(diǎn)的方法進(jìn)行光條中心匹配，采用前鍍膜平面鏡消除玻璃折射的影響，多種方法來提高結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定精度。

基于上面所述的結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定裝置，本發(fā)明結(jié)合具體實(shí)施例，由一臺(tái)攝像機(jī)和一個(gè)線激光器為例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明基于前鍍膜平面鏡的結(jié)構(gòu)光參數(shù)標(biāo)定方法主要包括以下步驟：

步驟11：對(duì)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的攝像機(jī)進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定。

對(duì)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定即求解攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，即：

這里αx＝f/dx,αy＝f/dy，αx、αy分別是u軸和v軸的尺度因子，或稱為有效焦距，dx、dy分別為水平方向和豎直方向的像元間距，u0、v0是光學(xué)中心，也稱主點(diǎn)坐標(biāo)，γ是u軸和v軸不垂直因子。為實(shí)際像素坐標(biāo)，(u,v)為理想像素坐標(biāo)，k1，k2為徑向畸變參數(shù)。具體求解方法在張正友的文章“aflexiblenewtechniqueforcameracalibration[r].microsoftcorporation,nsr-tr-98-71,1998”中有詳細(xì)描述。

步驟12：將可以自由移動(dòng)的平面玻璃靶標(biāo)放置在攝像機(jī)前清晰成像區(qū)域內(nèi)，前鍍膜平面鏡與平面玻璃靶標(biāo)呈一定的夾角，對(duì)平面玻璃靶標(biāo)鏡像，使得在平面玻璃靶標(biāo)與前鍍膜平面鏡中的特征點(diǎn)同時(shí)在攝像機(jī)中成像，分別調(diào)節(jié)前鍍膜平面鏡和平面玻璃靶標(biāo)的光源亮度，攝像機(jī)拍攝圖像，使用步驟11中的攝像機(jī)標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行圖像校正，獲得無畸變圖像，如圖2所示。

步驟13：實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系、鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系、前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系、反平面鏡坐標(biāo)系的建立。

建立實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系oc-xcyczc，其中oc為坐標(biāo)系原點(diǎn)，xcyczc為三個(gè)坐標(biāo)軸方向。鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系ov-xvyvzv，為了方便求解坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系ov-xvyvzv建立為右手坐標(biāo)系，其中ov為坐標(biāo)系原點(diǎn)，xvyvzv為三個(gè)坐標(biāo)軸方向。前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系om-xmymzm，其中om為坐標(biāo)系原點(diǎn)，xmymzm為三個(gè)坐標(biāo)軸方向。反平面鏡坐標(biāo)系omm-xmmymmzmm，其中omm為坐標(biāo)系原點(diǎn)，xmmymmzmm為三個(gè)坐標(biāo)軸方向。

步驟14：基于鏡像原理及透視投影變換建立實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系與鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和矢量矩陣。

步驟141：前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系om-xmymzm到實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系oc-xcyczc的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣初值求解。

具體方法如下：為前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系om-xmymzm到實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系oc-xcyczc變換的旋轉(zhuǎn)矩陣，為前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系om-xmymzm到實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系oc-xcyczc變換的平移矩陣，與單目標(biāo)定的方法相同，求解方法參見張正友“aflexiblenewtechniqueforcameracalibration，ieeetranspatternanalmachintell，22(11)，pp.1330-1334(2000)”。其中棋盤格角點(diǎn)提取方法見“anewsub-pixeldetectorforx-cornerincameracalibrationtargets[c]，wscg’2005shortpapersproceedings，13^thinternationalconferenceincentraleuropeoncomputergraphic,visualizationandcomputervision，2005，plzen，czechrepublic”。

步驟142：實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系與鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系的位置關(guān)系求解。

具體方法如下：實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系與鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系的位置關(guān)系建立方法參見“zhenyingxu,yunwang,chuanyang,multi-cameraglobalcalibrationforlarge-scalemeasurementbasedonplanemirror,optik,126(2015),4149-4154.”和“張廣軍，李秀智.移動(dòng)機(jī)器人足目標(biāo)定方法.機(jī)器人.2007.29(3).”,將得到以下關(guān)系：

這里為實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系oc-xcyczc到鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系ov-xvyvzv變換的旋轉(zhuǎn)矩陣，為實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系oc-xcyczc到鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系ov-xvyvzv變換的平移矢量。為鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系ov-xvyvzv到實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系oc-xcyczc變換的旋轉(zhuǎn)矩陣，為鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系ov-xvyvzv到實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系oc-xcyczc變換的平移矩陣。

步驟15：左右手圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，虛擬雙目測量模型的建立。

步驟151：左手圖像坐標(biāo)系到右手圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

具體方法如下：(u,v)為光條直線上的中心點(diǎn)在實(shí)體攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系下的成像點(diǎn)，(u',v')為鏡像光條直線上的中心點(diǎn)在實(shí)體攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系下的成像點(diǎn)，相當(dāng)于鏡像攝像機(jī)拍攝實(shí)像光條，由于鏡像對(duì)稱原理，此時(shí)的圖像坐標(biāo)為鏡像攝像機(jī)在左手坐標(biāo)系下所成像，為方便于雙目系統(tǒng)測量，將鏡像攝像機(jī)左手坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成右手坐標(biāo)系，圖像坐標(biāo)系進(jìn)行變換有：

于是得到：

這里，kc為實(shí)體攝像機(jī)建立在右手坐標(biāo)系下的內(nèi)部參數(shù)，kv為鏡像攝像機(jī)建立在右手坐標(biāo)系下的內(nèi)部參數(shù)。(uc,vc)為實(shí)際攝像機(jī)拍攝的圖像坐標(biāo)，(uv,vv)為鏡像攝像機(jī)拍攝建立在右手坐標(biāo)系下的圖像坐標(biāo)，s為畸變因子，dx、dy分別為水平方向和豎直方向的像元間距，u0、v0是光學(xué)中心，也稱主點(diǎn)坐標(biāo)。

步驟152：虛擬雙目測量模型的建立。

具體方法如下：以實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系，根據(jù)雙目測量原理，可得到以下公式：

這里，(u,v,1)^t為實(shí)際光條中心的齊次坐標(biāo)，(u',v',1)^t為鏡像光條中心的齊次坐標(biāo)，z1,z2為比例因子，h、m分別為實(shí)體攝像機(jī)與虛像攝像機(jī)的投影矩陣，[x,y,z,1]^t為光條中心的三維坐標(biāo)的齊次坐標(biāo)。

步驟16：levenberg-marquardt非線性優(yōu)化,得到前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系om-xmymzm到實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系oc-xcyczc的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量優(yōu)化解，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：

這里，是平面鏡坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣的的優(yōu)化值，是平面玻璃靶標(biāo)上測量相鄰特征點(diǎn)的空間距離，dc,dv為相鄰特征點(diǎn)的真實(shí)距離，是平面玻璃靶標(biāo)上測量鏡像相鄰特征點(diǎn)的空間距離。i(i＝1,2,...m-1)為特征點(diǎn)橫向間隔的個(gè)數(shù)，j(j＝1,2,...n-1)為特征點(diǎn)縱向間隔的個(gè)數(shù)。

步驟17：采用最小二乘法利用備選特征點(diǎn)求取圖像的消影點(diǎn)。

具體方法如下：為平面玻璃靶標(biāo)上的特征點(diǎn)的齊次坐標(biāo)，為鏡像的平面玻璃靶標(biāo)上特征點(diǎn)的齊次坐標(biāo)，利用優(yōu)化后的分別計(jì)算水平向和豎直方向的相鄰兩點(diǎn)間距，如果兩點(diǎn)間距小于設(shè)定的閾值(閾值為0.008mm)，則作為備選點(diǎn)，通過以下公式確定實(shí)像點(diǎn)與虛像點(diǎn)的連線：

兩組連線的交點(diǎn)為l＝li×lj(i≠j)，i與j表示不同的直線，由于特征點(diǎn)提取誤差，每組連線不能完全交于一點(diǎn)，采用最小二乘法確定，即為消影點(diǎn)，目標(biāo)函數(shù)為：

這里，v位圖像消影點(diǎn)的齊次坐標(biāo)。

線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器由一臺(tái)攝像機(jī)和一個(gè)線激光器組成，圖3為實(shí)施例中線結(jié)構(gòu)光傳感器示意圖。其中，l表示線激光器投射在白色打印紙上的光條，l'表示前鍍膜平面鏡鏡像后的光條虛像。oc-xcyczc表示實(shí)體攝像機(jī)坐標(biāo)系，ov-xvyvzv表示鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系。

步驟18：提取光條圖像中心點(diǎn)，光條中心點(diǎn)的亞像素匹配。

步驟181：光條圖像中心點(diǎn)求取方法如下：

具體方法如下：提取拍攝光條圖像中所有光條中心的圖像坐標(biāo)，通過圖像畸變校正方法，得到圖像中所有光條中心的無畸變圖像坐標(biāo)。具體提取光條中心方法采用steger所述的“anunbiaseddetectorofcurvilinearstructures”方法，校正方法參見“機(jī)器視覺.張廣軍，科學(xué)出版社”，以下所述光條中心的圖像坐標(biāo)均為經(jīng)過畸變校正后的無畸變圖像坐標(biāo)。

步驟182：光條中心點(diǎn)的亞像素匹配方法如下：

具體方法如下：在白紙上的光條圖像上選取一點(diǎn)與圖像消影點(diǎn)連線作為光條中心的極線lei，計(jì)算鏡像光條上每一點(diǎn)到該基線的距離，找到最近兩點(diǎn)和連線得到：

相應(yīng)的亞像素匹配點(diǎn)的坐標(biāo)為

pi＝[lei]×li(12)

這里，pi為與實(shí)際光條中心對(duì)應(yīng)的在鏡像光條中心的匹配點(diǎn)，lei,li為直線的矢量表示，[lei]×為lei的反對(duì)稱矩陣，和為鏡像光條圖像中心任意相鄰兩點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。

步驟19：對(duì)實(shí)像光條中心點(diǎn)和鏡像光條中心點(diǎn)采用虛擬雙目測量模型進(jìn)行三維重建，采用最小二乘法進(jìn)行平面擬合得到光平面參數(shù)。

實(shí)施例

攝像機(jī)型號(hào)為alliedvisiontechnologies，配用焦距23mm施耐德光學(xué)鏡頭，圖像分辨率為1600×1200像素，視覺傳感器視場約為200mm×160mm，測量距離為650mm。激光器采用單線紅色激光器，波長635nm，功率50mw。使用前鍍膜平面鏡如圖4所示，特征點(diǎn)位置精度2um，平面靶標(biāo)特征點(diǎn)的位置精度為2um。

首先，根據(jù)步驟11所述的方法得到攝像機(jī)內(nèi)參標(biāo)定結(jié)果為：

αx＝5174.34；αy＝5175.03；γ＝0；u0＝815.19；v0＝597.72；k1＝-0.19；k2＝0.58

這里，αx、αy分別是u軸和v軸的尺度因子，或稱為有效焦距，γ為u軸和v軸的不垂直因子，u0,v0為光學(xué)中心，也稱主點(diǎn)坐標(biāo)，k1,k2為鏡頭徑向畸變參數(shù)，

根據(jù)步驟12所述的方法，用攝像機(jī)拍攝前鍍膜平面鏡和平面玻璃靶標(biāo)如圖5，左圖為平面玻璃靶標(biāo)與前鍍膜平面鏡采集圖像，右圖為激光光束投射在白紙上的實(shí)際光條圖像與鏡像光條圖像。

根據(jù)步驟13、步驟14所述的方法，求取的前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量為真實(shí)攝像機(jī)坐標(biāo)系到鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量為

根據(jù)步驟15、步驟16所述的方法，優(yōu)化后的前鍍膜平面鏡坐標(biāo)系到攝像機(jī)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量為優(yōu)化后的真實(shí)攝像機(jī)坐標(biāo)系到鏡像攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

根據(jù)步驟17所述的方法，求取的圖像消影點(diǎn)如圖6，圖像消影點(diǎn)的坐標(biāo)為：(4430.8061,544.0210)。

根據(jù)步驟18、步驟19所述的方法，光條中心提取及亞像素匹配如圖7，圖像中左光條為實(shí)際光條，右光條為鏡像光條，左上角是光條中心亞像素匹配方法的示意圖，左下角是光條中心亞像素匹配的放大圖。

根據(jù)步驟20所述的方法，求取的光平面方程為

x-0.1063y+0.3541z-238.7075＝0

光平面方程系數(shù)a＝1.0000，b＝-0.1063，c＝0.3541，d＝-238.7075

總之，本發(fā)明在保證光條質(zhì)量情況下，可以提供微米級(jí)別位置精度的特征點(diǎn)，以及更多數(shù)量的標(biāo)定點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光標(biāo)定方法，具有更高的標(biāo)定精度，標(biāo)定結(jié)果更穩(wěn)定。

提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。