立體靶標(biāo)及對(duì)線結(jié)構(gòu)光輪廓傳感器的全局統(tǒng)一校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種結(jié)構(gòu)光=維視覺檢測(cè)技術(shù)，特別是設(shè)及一種線結(jié)構(gòu)光輪廓傳感器 全局統(tǒng)一校準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)光=維視覺測(cè)量技術(shù)，具有視覺測(cè)量的非接觸、速度快、自動(dòng)化程度高，柔性 好等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)光=維視覺基于光學(xué)=角法原理，通過計(jì)算采集圖像的各種光模式特征點(diǎn) 的偏移信息反算出被測(cè)物體的表面輪廓。光學(xué)投射器投射確定的光模式，使得結(jié)構(gòu)光圖像 信息易于提取，因而測(cè)量精度較高，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)產(chǎn)品的在線檢測(cè)。
[0003] 典型的線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，由一個(gè)線結(jié)構(gòu)光激光器和配套的相機(jī)組成。通過激 光器垂直入射被測(cè)物表面，相機(jī)W傾斜拍攝的方式，獲取激光平面與被測(cè)物表面相交激光 光條圖像。通過視覺測(cè)量模型，將激光光條中屯、的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為被測(cè)物表面輪廓的二維 坐標(biāo)。當(dāng)被測(cè)物運(yùn)動(dòng)或線結(jié)構(gòu)光傳感器做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就能得到被測(cè)物表面的=維形貌。但 是單套視覺傳感器視場(chǎng)有限，往往只能獲取被測(cè)物表面某一局部的輪廓信息，無法對(duì)被測(cè) 物360°范圍進(jìn)行全方位測(cè)量。
[0004] 在實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物表面輪廓360°范圍的全方位測(cè)量，W及解決復(fù) 雜截面輪廓被測(cè)物的表面測(cè)量，往往在測(cè)量系統(tǒng)中引入多套視覺傳感器多方位、多角度的 拍攝被測(cè)物表面信息，最后通過圖像拼接的方式，形成被測(cè)物在測(cè)量某一瞬間的完整截面 輪廓。當(dāng)掃描測(cè)量時(shí)，能夠獲取被測(cè)物360°范圍整體形貌信息。但多套傳感器同時(shí)測(cè)量的 方式引入了標(biāo)定的復(fù)雜性及多測(cè)量坐標(biāo)系全局統(tǒng)一問題。單套視覺傳感器標(biāo)定及測(cè)量坐標(biāo) 系全局統(tǒng)一，需要對(duì)分布在各套傳感器相機(jī)視場(chǎng)中的特征點(diǎn)W及不同相機(jī)視場(chǎng)中特征點(diǎn)之 間相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。該些特征點(diǎn)可W通過建立=維立體祀標(biāo)的方式實(shí)現(xiàn)和獲得。但=維立體 革己標(biāo)加工困難，成本高，精度也難保證，如果采用化ang攝像機(jī)標(biāo)定，還需要同時(shí)對(duì)光平面 方程進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過程較為復(fù)雜，精度難W達(dá)到預(yù)期效果。
[0005] 絕大多數(shù)情況下，采用四套視覺傳感器即可完成對(duì)復(fù)雜截面輪廓360°范圍內(nèi)測(cè) 量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種立體祀標(biāo)及其對(duì)線結(jié)構(gòu)光輪廓傳感器 全局統(tǒng)一校準(zhǔn)方法，設(shè)計(jì)了 一種立體的銀齒祀標(biāo)，并根據(jù)祀標(biāo)特性，將激光光平面與立體祀 標(biāo)齒頂?shù)慕稽c(diǎn)作為特征點(diǎn)，通過二維精密平移臺(tái)，使得特征點(diǎn)分布于整個(gè)測(cè)量空間；W及實(shí) 現(xiàn)了對(duì)線結(jié)構(gòu)光輪廓傳感器全局統(tǒng)一校準(zhǔn)。
[0007] 本發(fā)明的一種立體祀標(biāo)，所述立體祀標(biāo)為一立體方環(huán)形狀，所述立體方環(huán)的每個(gè) 邊上各有38個(gè)均勻銀齒形狀凹槽，立體方環(huán)每個(gè)側(cè)邊的中屯、位置設(shè)置有一個(gè)缺齒；所述銀 齒形狀凹槽的橫截面為等腰=角形。
[000引本發(fā)明的一種線結(jié)構(gòu)光輪廓傳感器測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括立體祀標(biāo)和四個(gè)支架； 每個(gè)支架上設(shè)置有一個(gè)激光器和一個(gè)攝像機(jī)；所述四個(gè)激光器的光平面調(diào)整為共面，每個(gè) 攝像機(jī)設(shè)置為各正對(duì)立體祀標(biāo)的一個(gè)缺齒，激光器發(fā)出的光條與銀齒的交線包含于攝像機(jī) 的視場(chǎng)中；還包括一個(gè)二維精密平移臺(tái)，立體祀標(biāo)被該二維精密平移臺(tái)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平移。
[0009] 本發(fā)明的一種線結(jié)構(gòu)光輪廓傳感器的全局統(tǒng)一校準(zhǔn)方法，該方法包括W下步驟：
[0010] 步驟1、將四個(gè)激光器7的光平面調(diào)整為共面，將立體祀標(biāo)四個(gè)面上的銀齒各對(duì)應(yīng) 一個(gè)攝像機(jī)6,其中；光條與銀齒的交線包含于攝像機(jī)的視場(chǎng)中，每一攝像機(jī)6設(shè)置為正對(duì) 立體祀標(biāo)的每個(gè)缺齒；
[0011] 步驟2、選定符合視場(chǎng)范圍的立體祀標(biāo)W及對(duì)應(yīng)的二維精密平移臺(tái)，二維精密平移 臺(tái)驅(qū)動(dòng)立體祀標(biāo)平移，激光器發(fā)射的激光光條與銀齒齒頂相交的點(diǎn)形成特征點(diǎn)；所述特征 點(diǎn)的提取算法包括自動(dòng)闊值分割、光條中屯、提取、角點(diǎn)提取和角點(diǎn)亞像素提??；
[0012] 步驟3、對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行編號(hào)并設(shè)定測(cè)量坐標(biāo)系，任選其中一個(gè)攝像機(jī)設(shè)定為0號(hào)攝 像機(jī)，按照逆時(shí)針的順序依次編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)；W激光器的光平面作為測(cè)量坐標(biāo)系的 〇wXwYw(i = 0, 1，2, 3)平面，W光平面與立體祀標(biāo)每個(gè)面上缺齒的中屯、相交位置處作為測(cè) 量坐標(biāo)系的原點(diǎn)〇，i(i = 0, 1，2, 3)，〇wXw(i = 0, 1，2, 3)軸方向沿祀標(biāo)銀齒分布，與正方形 的邊長(zhǎng)平行，〇，占1 (i = 0, 1，2, 3)為激光光平面的法向量；
[0013] 步驟4、二維精密平移臺(tái)的兩個(gè)自由度分別沿0號(hào)、2號(hào)坐標(biāo)系的Y軸和1號(hào)、3號(hào) 坐標(biāo)系的Y軸移動(dòng)，每隔5mm，四個(gè)相機(jī)同時(shí)采集一幅光條圖像，平移臺(tái)從0移動(dòng)到25mm，使 得標(biāo)定特征點(diǎn)布滿整個(gè)測(cè)量空間；
[0014] 步驟5、利用祀標(biāo)設(shè)計(jì)中特征點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系確定方法，對(duì)四個(gè)相機(jī)采集到的祀標(biāo)光條 圖像進(jìn)行處理，將得到特征點(diǎn)的（u，v)-(x，y，0)序列對(duì)，利用公式（2)、（3)，通過RAC兩步 法可W求解最優(yōu)化的模型參數(shù)解；
[001引步驟6、設(shè)Rku、Tk。為祀標(biāo)第一個(gè)標(biāo)定位置時(shí)第k化=1、2、扣祀標(biāo)坐標(biāo)系到坐標(biāo)系 0，。-《，訊。與。轉(zhuǎn)換時(shí)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，由祀標(biāo)面間幾何關(guān)系可知：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種立體靶標(biāo)，其特征在于，所述立體靶標(biāo)為一立體方環(huán)形狀，所述立體方環(huán)的每個(gè) 邊上各有38個(gè)均勻鋸齒形狀凹槽，立體方環(huán)每個(gè)側(cè)邊的中心位置設(shè)置有一個(gè)缺齒；所述鋸 齒形狀凹槽的橫截面為等腰三角形。
2. -種線結(jié)構(gòu)光輪廓傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括立體靶標(biāo)和四個(gè)支架； 每個(gè)支架上設(shè)置有一個(gè)激光器和一個(gè)攝像機(jī)；所述四個(gè)激光器的光平面調(diào)整為共面，每個(gè) 攝像機(jī)設(shè)置為各正對(duì)立體靶標(biāo)的一個(gè)缺齒，激光器發(fā)出的光條與鋸齒的交線包含于攝像機(jī) 的視場(chǎng)中；還包括一個(gè)二維精密平移臺(tái)，立體靶標(biāo)被該二維精密平移臺(tái)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平移。
3. -種對(duì)線結(jié)構(gòu)光輪廓傳感器的全局統(tǒng)一校準(zhǔn)方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟： 步驟（1)、將四個(gè)激光器7的光平面調(diào)整為共面，將立體靶標(biāo)四個(gè)面上的鋸齒各對(duì)應(yīng)一 個(gè)攝像機(jī)6,其中：光條與鋸齒的交線包含于攝像機(jī)的視場(chǎng)中，每一攝像機(jī)6設(shè)置為正對(duì)立 體靶標(biāo)的每個(gè)缺齒； 步驟（2)、選定符合視場(chǎng)范圍的立體靶標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的二維精密平移臺(tái)，二維精密平移臺(tái) 驅(qū)動(dòng)立體靶標(biāo)平移，激光器發(fā)射的激光光條與鋸齒齒頂相交的點(diǎn)形成特征點(diǎn)；所述特征點(diǎn) 的提取算法包括自動(dòng)閾值分割、光條中心提取、角點(diǎn)提取和角點(diǎn)亞像素提??； 步驟（3)、對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行編號(hào)并設(shè)定測(cè)量坐標(biāo)系，任選其中一個(gè)攝像機(jī)設(shè)定為0號(hào)攝 像機(jī)，按照逆時(shí)針的順序依次編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)；以激光器的光平面作為測(cè)量坐標(biāo)系的 OwiXwiYwi(i= 0, 1，2, 3)平面，以光平面與立體靶標(biāo)每個(gè)面上缺齒的中心相交位置處作為測(cè) 量坐標(biāo)系的原點(diǎn)〇wi(i= 0, 1，2, 3)，OwiXwi(i= 0, 1，2, 3)軸方向沿靶標(biāo)鋸齒分布，與正方形 的邊長(zhǎng)平行，〇wiZwi(i= 0, 1，2, 3)為激光光平面的法向量； 步驟（4)、二維精密平移臺(tái)的兩個(gè)自由度分別沿0號(hào)、2號(hào)坐標(biāo)系的Y軸和1號(hào)、3號(hào)坐 標(biāo)系的Y軸移動(dòng)，每隔5mm，四個(gè)相機(jī)同時(shí)采集一幅光條圖像，平移臺(tái)從0移動(dòng)到25mm，使得 標(biāo)定特征點(diǎn)布滿整個(gè)測(cè)量空間； 步驟（5)、利用靶標(biāo)設(shè)計(jì)中特征點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系確定方法，對(duì)四個(gè)相機(jī)采集到的靶標(biāo)光條圖 像進(jìn)行處理，將得到特征點(diǎn)的（u，v)-(X，y，0)序列對(duì)，通過RAC兩步法可以求解最優(yōu)化的模 型參數(shù)解，即； 第一步：求實(shí)際的攝像機(jī)模型：
式中，（xd，yd)為像平面上實(shí)際像點(diǎn)，r2=x；；+.v〗，為畸變模型參數(shù)； 第二步：假設(shè)空間中存在一組非共面特征點(diǎn)，世界坐標(biāo)為^^，^^。，對(duì)應(yīng)的圖像坐 標(biāo)為（+，Vi)，將控制點(diǎn)對(duì)代入攝像機(jī)數(shù)學(xué)模型，則
步驟（6)、設(shè)Rk(l、Tk(l為靶標(biāo)第一個(gè)標(biāo)定位置時(shí)第k(k= 1、2、3)靶標(biāo)坐標(biāo)系到坐標(biāo)系 〇wcrXw(lYw(lZw(l轉(zhuǎn)換時(shí)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，由靶標(biāo)面間幾何關(guān)系可知：
由此通過Rk(l、Tk(l(k= 1，2, 3)可以計(jì)算得出被測(cè)物截面輪廓在在坐標(biāo)系Ow(l-Xw(lYw(lZw(l下 的坐標(biāo)，到此完成了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)及測(cè)量坐標(biāo)系的全局統(tǒng)一。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種立體靶標(biāo)，所述立體靶標(biāo)為一立體方環(huán)形狀，所述立體方環(huán)的每個(gè)邊上各有38個(gè)均勻鋸齒形狀凹槽，立體方環(huán)每個(gè)側(cè)邊的中心位置設(shè)置有一個(gè)缺齒；所述鋸齒形狀凹槽的橫截面為等腰三角形；以及一種利用立體靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)的對(duì)線結(jié)構(gòu)光輪廓傳感器的全局統(tǒng)一校準(zhǔn)方法，該方法包括以下步驟：設(shè)計(jì)符合視場(chǎng)范圍的靶標(biāo)以及選定對(duì)應(yīng)的二維精密平移臺(tái)。然后搭建四套線結(jié)構(gòu)傳感器輪廓測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合二維精密平移臺(tái)在不同的位置同時(shí)拍攝靶標(biāo)上的光條圖像。根據(jù)提出的校準(zhǔn)方法，對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理計(jì)算，按下列過程順序完成：特征點(diǎn)提取，攝像機(jī)標(biāo)定，坐標(biāo)系統(tǒng)一，即可完成整個(gè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)。
【IPC分類】G01B11-25
【公開號(hào)】CN104567727
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410818184
【發(fā)明人】馬旭, 王鵬, 孫長(zhǎng)庫
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月24日