基于三線激光器固有特性的光平面方程擬合定位標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于將=線激光器所發(fā)出的=個(gè)光平面的空間姿態(tài)方程均精確擬合于相 機(jī)虛擬空間坐標(biāo)系中的擬合標(biāo)定方法領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于=線激光器固有特性的光平 面方程擬合定位標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 視覺(jué)測(cè)量技術(shù)能很好地適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)對(duì)工件外形尺寸檢測(cè)所提出的新標(biāo)準(zhǔn)和要 求，是一種兼?zhèn)渚群托实姆墙佑|式外形檢測(cè)手段。視覺(jué)測(cè)量方法的基本思想是；用空間 姿態(tài)已知的激光平面投射在被檢測(cè)物體上，并用相機(jī)對(duì)激光平面在物體外形輪廓上的投影 拍照，通過(guò)檢測(cè)特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)，根據(jù)已知相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和激光平面方程獲得特征點(diǎn)在相 機(jī)坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的=維坐標(biāo)，進(jìn)而獲得物體表面輪廓的=維信息。在使激光平面的空間姿 態(tài)成為已知量的過(guò)程中，如何才能通過(guò)建模、標(biāo)定等過(guò)程，使激光器在真實(shí)物理世界中所投 射出的激光平面在相機(jī)的虛擬空間坐標(biāo)系下映射成為已知的數(shù)學(xué)空間方程，始終是視覺(jué)測(cè) 量技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。
[0003] 目前，用于求解和確定單一的線結(jié)構(gòu)激光空間平面方程的方法已趨于成熟，其方 法多樣，它們的共性都是通過(guò)標(biāo)定獲得的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和祀標(biāo)=維信息，求解激光光條上 的多個(gè)離散特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)（X、y、z) W作為擬合光平面的離散特征點(diǎn)，利用多個(gè)非 共線的離散特征點(diǎn)可求出任意一個(gè)激光光平面的空間方程。
[0004] 比如，在專利申請(qǐng)?zhí)枮?01310352766. 1的《多線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的快速標(biāo)定方 法》一文中，就在其公式（12)的求解方式中包含了所需的一組離散特征點(diǎn)空間坐標(biāo)（X，y， Z)的獲取方法。
[0005] 又如，本發(fā)明的發(fā)明人也在學(xué)術(shù)期刊化blic Library of Science上所發(fā)表的 Sun Q, Hou Y, Tan Q, Li G(2014)A Flexible Calibration Method Using the Planar Target with a Square Pattern for Line Structured Light Vision System. PLoS 0NE9(9) :el06911. doi:10. 1371/journal.pone. 0106911 - 文中，在其章節(jié) 2. 2Subpixel center localization of the li曲t stripe中提出了求解激光光條中屯、點(diǎn)像素坐標(biāo) (Xp，yp)對(duì)應(yīng)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)狂。，￥。，2。）的提取方法，按照該方法能獲得連續(xù)且更為 精確的光條中屯、點(diǎn)像素坐標(biāo)，因此也可W作為獲取激光光條上所需的一組離散特征點(diǎn)空間 坐標(biāo)（x，y，z)的方法，上述方法簡(jiǎn)稱為離散特征點(diǎn)空間坐標(biāo)提取方法B。
[0006] 借助上述任意一種已知的離散特征點(diǎn)空間坐標(biāo)（X，y，Z)的獲取方法，我們均可W 通過(guò)獲得一組已知的離散特征點(diǎn)空間坐標(biāo)來(lái)擬合求解出一個(gè)近似通過(guò)該些離散點(diǎn)的空間 平面方程，由此在建立好的相機(jī)虛擬坐標(biāo)系下，獲得一個(gè)激光平面空間姿態(tài)方程，將真實(shí)物 理世界中的激光器投射平面，移植到虛擬的相機(jī)坐標(biāo)系下。重復(fù)上述過(guò)程，還可W進(jìn)一步獲 得第二個(gè)、第=個(gè)，W至于更多新的虛擬的激光空間平面方程。通過(guò)該已知方法，還可W進(jìn) 一步實(shí)現(xiàn)：將真實(shí)物理世界中由多線激光器所投射出的多個(gè)激光平面均在相機(jī)的虛擬空間 坐標(biāo)系下粗略拼合映射成為已知數(shù)學(xué)空間方程的標(biāo)定過(guò)程。
[0007] 然而，該種粗略的在同一相機(jī)虛擬坐標(biāo)系下擬合多個(gè)光平面的方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足 視覺(jué)測(cè)量對(duì)激光空間平面方程坐標(biāo)定位的精度需求，簡(jiǎn)單地將針對(duì)單線激光器的激光空間 平面方程擬合標(biāo)定技術(shù)重復(fù)應(yīng)用于多線激光器的光平面標(biāo)定，W期實(shí)現(xiàn)多個(gè)光平面在同一 坐標(biāo)系下拼合的擬合方法存在明顯的缺陷?，F(xiàn)有由離散特征點(diǎn)擬合出的激光空間平面方程 并不夠精確，由于檢測(cè)誤差、算法誤差等系統(tǒng)誤差在所難免，因此所獲得的激光空間平面方 程與真實(shí)世界中的激光器投射平面并不能嚴(yán)格重合。因此，即便是在完全相同的光平面空 間姿態(tài)方程標(biāo)定條件下，若先將所獲得的第一個(gè)和第二個(gè)激光空間平面方程在虛擬的相機(jī) 坐標(biāo)系下相交，并形成第一條交線的話，則按同樣的方法，在將第S個(gè)激光空間平面方程也 擬合到同一個(gè)虛擬的相機(jī)坐標(biāo)系下時(shí)，則在誤差干擾下，第S個(gè)激光空間平面方程可W分 別與前兩個(gè)激光平面分別相交于另外兩條新的交線，而與第一和第二激光空間平面方程的 交線并不重合。
[000引另一方面，最新的研究發(fā)現(xiàn)，如圖1所示的多線結(jié)構(gòu)光激光器是一種能從同一個(gè) 線光源發(fā)出鄰近夾角均相同的=個(gè)激光平面，且其=個(gè)激光平面能在同一投影平面形成= 個(gè)平行光條的=線激光器，其在某些特殊的視覺(jué)測(cè)量方法中具有非同尋常的重要意義，由 于S線激光器能從同一個(gè)線型光源按照相同的夾角a發(fā)出S個(gè)線結(jié)構(gòu)激光平面，并且其 各激光平面之間的夾角a均是真實(shí)對(duì)稱的已知量，因此，若將=線激光器所發(fā)出的第一個(gè) 激光平面a、第二個(gè)激光平面b W及第=個(gè)激光平面C的空間方程在相機(jī)坐標(biāo)系中分別求解 并將=者精確擬合，最終得到在相機(jī)的虛擬空間坐標(biāo)系下，=個(gè)虛擬的激光平面空間方程 均交于同一交線以則可W將具有前述=線激光器其=個(gè)激光平面夾角a已知的固有真實(shí) 物理特征移植至視覺(jué)測(cè)量成像系統(tǒng)的相機(jī)虛擬空間坐標(biāo)系之中，并借助該一重要特性在后 續(xù)的視覺(jué)測(cè)量過(guò)程中大幅提高測(cè)量的準(zhǔn)確度和效率。而在前述發(fā)明201310352766. 1《多線 結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的快速標(biāo)定方法》一文中，也介紹了多線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器在相機(jī)虛擬 坐標(biāo)系下的一種標(biāo)定方法，從理論上來(lái)說(shuō)，該方法可W直接用于能從同一個(gè)線光源發(fā)出鄰 近夾角均相同的=個(gè)激光平面，且其=個(gè)激光平面能在同一投影平面形成=個(gè)平行光條的 =線激光器的標(biāo)定過(guò)程。然而，其方法并未利用所需激光器從同一個(gè)線光源發(fā)出的=個(gè)激 光平面中，相鄰兩個(gè)激光平面的夾角均相同該一真實(shí)且已知的固有物理特性，因此無(wú)法進(jìn) 一步修正和減小系統(tǒng)誤差。此外，前述發(fā)明201310352766. 1《多線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器的快 速標(biāo)定方法》所介紹的標(biāo)定方法還必須利用激光投影光條與方向性柵格標(biāo)祀上的固有柵格 線的交比不變性原理，才能輔助完成對(duì)離散特征點(diǎn)空間坐標(biāo)（x，y，z)的獲取和多個(gè)激光空 間平面方程在同一相機(jī)坐標(biāo)系下的標(biāo)定。但由于方向性柵格上固有網(wǎng)格線條的數(shù)量有限， 因此通過(guò)其與激光投影光條相交所能獲得的離散特征點(diǎn)的數(shù)量也因此相對(duì)較少，而較少的 離散特征點(diǎn)數(shù)量必然不利于所擬合出的激光空間平面方程在相機(jī)虛擬系中的坐標(biāo)精度。
[0009] 此外，本發(fā)明的發(fā)明人在學(xué)術(shù)期刊化blic Library of Science上公開(kāi)發(fā)表的 Sun Q, Hou Y, Tan Q, Li G(2014)A Flexible Calibration Method Using the Planar Target with a Square Pattern for Line Structured Light Vision System. PLoS 0NE9 (9) :el06911. doi: 10. 1371/journal. pone. 0106911 -文中，在第一章 Methods 的章節(jié) 1. Calibration ofcamera model還同時(shí)公開(kāi)了一種對(duì)相機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定的方法，簡(jiǎn)稱 為相機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定方法A。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決現(xiàn)有針對(duì)單線激光器的激光空間平面方程擬合標(biāo)定技術(shù)，其用拼合的方 式粗略地在同一相機(jī)虛擬坐標(biāo)系下擬合多個(gè)光平面的方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足視覺(jué)測(cè)量對(duì)激光 空間平面方程坐標(biāo)定位的精度需求，而現(xiàn)有針對(duì)多線結(jié)構(gòu)光激光器的激光空間平面方程標(biāo) 定方法未能充分利用多線結(jié)構(gòu)光激光器固有的重要物理特性，而且，還必須借助激光投影 光條與方向性柵格標(biāo)祀上的固有柵格線的交比不變性原理才能輔助完成離散特征點(diǎn)空間 坐標(biāo)的獲取W及多個(gè)激光空間平面方程在同一相機(jī)坐標(biāo)系下的標(biāo)定。但由于方向性柵格上 固有網(wǎng)格線條的數(shù)量有限，致使通過(guò)其與激光投影光條相交所能獲得的離散特征點(diǎn)的數(shù)量 也因此相對(duì)較少，因此無(wú)法修正和減小系統(tǒng)誤差，不利于進(jìn)一步提高激光空間平面方程在 相機(jī)虛擬坐標(biāo)系中的擬合標(biāo)定精度的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于=線激光器固有特性 的光平面方程擬合定位標(biāo)定方法。
[0011] 本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案如下：
[0012] 一種基于=線激光器固有特性的光平面方程擬合定位標(biāo)定方法，其特征在于，該 方法包括如下步驟：
[0013] 步驟一：選用一種能從同一個(gè)線光源發(fā)出鄰近夾角均相同的=個(gè)激光平面，且其 =個(gè)激光平面能在同一投影平面形成=個(gè)平行光條的=線激光器，并從該=線激光器固有 的出廠性能指標(biāo)參數(shù)中獲取其鄰近兩個(gè)激光平面夾角的角度值參數(shù)a ;
[0014] 步驟二；按照相機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定方法A完成對(duì)相機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行的標(biāo)定；
[0015] 步驟獲取針對(duì)=線激光器中第一個(gè)激光平面（a)的N組離散特征點(diǎn)空間坐標(biāo) 值的集合R，其具體包括如下子步驟：
[0016] 步驟3. 1 ;按照離散特征點(diǎn)空間坐標(biāo)提取方法B對(duì)步驟一所述=線激光器的第 一個(gè)激光平面（a)在標(biāo)祀平面（K)上的激光光條（a-1)進(jìn)行所需的一組離散特征點(diǎn)空間 坐標(biāo)（X，y，Z)的采樣和提取，從而獲得針對(duì)前述第一個(gè)激光平面（a)在初始姿態(tài)下的標(biāo) 祀平面（K)上投影所形成的激光光條（a-1)