CN101865675A - 一种三维视觉检测圆结构光标定点获取方法 - Google Patents

Abstract

一种三维视觉检测圆结构光标定点获取方法属于管道内壁三维检测领域。本发明的目的就是针对目前标定方法标定点获取设备昂贵，获取标定点较少，不适于现场操作等缺点，提出一种基于平面靶标，操作简便，成本低精度高的标定点获取方法。本发明的技术方案：圆结构光投射器投射的圆结构光锥面投射在平面靶标上形成高亮度圆环，该靶标图像被摄像机拍摄，针对拍摄图像提取圆光条和平面靶标上特征点，由于平面靶标上特征点三维坐标精确已知，基于交比不变原理，计算圆环上满足交比不变的某些点的三维坐标，然后移动平面靶标，获取不同投射面的圆环图像，以摄像机坐标系为中介，构建圆锥面上空间三维标定点。

Description

一种三维视觉检测圆结构光标定点获取方法

技术领域

三维视觉检测圆结构光标定点获取方法属于管道内壁三维检测领域。

背景技术

管道作为主要的气体和液体传输手段，在现代工业的各个领域得到了广泛的应用。由于管道所输送的对象大部分都具有易燃、易爆、高腐蚀性等特点，因此需要定期对管道内壁进行三维检测，以确保管道的安全运行。结构光视觉检测技术以其非接触、精度高、速度快、自动化程度高、鲁棒性高等特点已广泛应用于三维检测。针对管道内壁检测的圆结构光视觉检测技术可以让激光探头深入到管道内部，克服了管道自身对结构光的遮挡等问题，成为管道内壁三维检测的重要方法。

圆结构光视觉检测系统需要进行精确的标定后才能实现管道的三维测量，因此圆结构光上标定点的获取是圆结构光视觉检测系统标定的关键技术。

目前针对结构光的标定技术主要有：

1)拉丝法

拉丝法是将细金属丝拉直并悬挂在摄像机视场内的某一个位置，如图1示，结构光投射到细丝上反射一个明亮的斑点，利用电子经纬仪测量该点的世界坐标，在摄像机视场范围内改变金属丝的位置，利用电子经纬仪获取结构光投射面不同空间位置和金属丝交点的空间坐标。重复以上过程，获取多个位于结构光投射面上不同位置处的三维坐标。

拉丝法操作复杂，且因亮点本身表现为一种光强分布，用经纬仪在空间中瞄准的亮点的三维坐标和金属丝和结构光投射面交点存在偏差，且经纬仪等测量设备价格昂贵，标定成本过高。

2)齿形靶标法

该方法把标定参照物设计成锯齿形，结构光投射到齿形标定靶标上形成折线式光条，位于齿棱上的光条转折点对应于结构光投射面与齿形块各棱线的交点，把这些转折点作为标定特征点，齿形标定靶标在摄像机的视场范围内沿和结构光投射面法线垂直方向进行一维移动，以获取不同投射面位置处转折点的空间坐标。该方法需要外部设备调整结构光投射面与齿形标定参照物基面相垂直，且需要设计精密一维移动台，标定设备复杂，同时由于锯齿棱易反光，提取精度较低。

3)基于交比不变的方法

该方法是通过标定参照物上的已知精确坐标的至少三个共线点，利用交比不变原理获得结构光投射面与该已知三点所在直线的交点的坐标。该方法需要由两个相互垂直的平面构成的高精度三维标定参照物，高精度三维标定参照物加工困难、成本高，且图像特征提取精度影响标定点精度，同时由于平面之间对结构光的相互遮挡，所能获取的标定点数较少。

发明内容

本发明的目的就是针对上述标定方法标定点获取设备昂贵，获取标定点较少，不适于现场操作等缺点，提出一种基于平面靶标，操作简便，成本低精度高的标定点获取方法。

本发明基于平面靶标和交比不变原理，在测量视场范围内移动平面靶标，以摄像机坐标系为中介，基于某一平面坐标系，构建圆结构光投射锥面和不同位置平面靶标相交处的空间三维标定点。具体装置如图1示：

圆结构光投射器投射的圆结构光锥面投射在平面靶标上形成高亮度圆环，该靶标图像被摄像机拍摄，针对拍摄图像提取圆光条和平面靶标上特征点，由于平面靶标上特征点三维坐标精确已知，基于交比不变原理，计算圆环上满足交比不变的某些点的三维坐标，然后移动平面靶标，获取不同投射面的圆环图像，以摄像机坐标系为中介，构建圆锥面上空间三维标定点；

1)平面靶标的设计

平面靶标由多个同心圆与多条直线组成，每条直线都以圆心为中心，向圆周发散，相邻直线间夹角相同，所有直线均布在同心圆上；同心圆与直线将靶标平面分割成一系列扇形区域，相邻同心圆和相邻扇形区域采用反差较大颜色着色；直线和同心圆的交点为已知空间三维坐标的平面靶标上特征点，标定时靶标沿着圆结构光光轴方向移动，截得不同大小的圆光条；本靶标同时获取摄像机和结构光标定的数据源，完成摄像机和结构光的同步标定；

2)基于交比不变原理获取圆锥面与平面靶标的交点坐标

任一直线上四个点中两个点之间距离的比值称为交比；

$\mathrm{CR}(A,B,C,D)=\frac{\mathrm{SR}(A,B,C)}{\mathrm{SR}(A,B,D)}=\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{BC}}:\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{BD}}$

交比不变是指空间直线四个点的交比和其对应的投影线上对应四个点的交比保持不变；圆结构光投射到靶标平面上形成圆光条，靶标平面上的四个点A，B，C，D位于同一条直线上，其中A为任意圆结构光锥面和平面靶标交点A，B，C，D为靶标角点；A₁，B₁，C₁，D₁分别为与靶标平面上A，B，C，D点对应的图像点，由交比不变原理可得到靶标上这4个共线点的交比和其在图像平面内的投影点的交比保持不变；即：

$\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{BC}}:\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{BD}}=\frac{A_1{C}_1}{B_1{C}_1}:\frac{A_1{D}_1}{B_1{D}_1}$

若已知B，C，D三点的坐标和对应图像上A₁，B₁，C₁，D₁的图像坐标，利用交比不变原理，即可求得圆结构光锥面和平面靶标交点A的坐标；

3)以摄像机坐标系为中介构建三维标定点

在靶标所处的每一个位置分别建立局部世界坐标系

(O_i1X_i1Y_i1Z_i1，O_i2X_i2Y_i2Z_i2，…)，i＝1，2，3…，靶标平面的z坐标为零；选择某一个位置的局部世界坐标系作为全局世界坐标系，记为O_wx_wy_wz_w；对于任意圆结构光锥面和平面靶标交点A的坐标(x_i，y_i，z_i)，其和摄像机坐标系的转换关系见方程(1)：

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=R_{i1}^c\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right]+T_{i1}^c---\left(1\right)$

其中(x_c，y_c，z_c)为该点在摄像机坐标系下的坐标，

和

分别代表从局部世界坐标系O_i1X_i1Y_i1Z_i1到摄像机坐标系O_cx_cy_cz_c的旋转矩阵和平移向量，进一步，摄像机坐标系和世界坐标系的转换关系见方程(2)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\end{array}\right]=R_c^w\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]+T_c^w---\left(2\right)$

每个靶标平面和摄像机坐标系之间的旋转矩阵R_C ^W和T_C ^W平移向量通过摄像机标定获得；以摄像机坐标系O_cx_cy_cz_c为中介，通过量值传递，得到任意位置平面靶标上点在全局世界坐标系下的坐标，最终实现不同位置靶标平面点在同一坐标系下构建的空间三维标定点。

因此，利用针对圆结构光的圆环平面靶标，基于交比不变原理，以摄像机坐标系为中介，即可获得结构光曲面上的三维标定点，实现圆结构光视觉检测系统的标定。

优点

(1)相对于立体靶标，加工高精度的平面靶标难度小，无遮挡，成本低；

(2)相对于拉丝法，该方法不需要昂贵的经纬仪，标定成本低，可以实现受限空间的标定；

(3)相对于齿形靶标，该方法不需要精密一维移动装置，操作过程简单，更适于现场应用。

附图说明

图1圆结构光视觉检测系统标定流程

图2交比不变原理图

图3坐标系转换原理图

具体实施方式

1)平面靶标的设计

和常规针对线结构光的靶标不同，基于针对圆结构光投射的特点，设计圆形平面靶标，靶标平面由多个同心圆与多条直线组成，每条直线都以圆心为中心，向圆周发散，相邻直线间夹角相同，所有直线均布在同心圆上。同心圆与直线将靶标平面分割成一系列扇形区域，相邻同心圆和相邻扇形区域采用反差较大颜色着色。直线和同心圆的交点为平面靶标上已知空间三维坐标的特征点，标定时靶标沿着圆结构光光轴方向移动，截得不同大小的圆光条。本靶标可以同时获取摄像机和结构光标定的数据源，完成摄像机和结构光的同步标定。

2)基于交比不变原理获取圆锥面平面靶标的交点坐标

任一直线上四个点中两个点之间距离的比值称为交比。

$\mathrm{CR}(A,B,C,D)=\frac{\mathrm{SR}(A,B,C)}{\mathrm{SR}(A,B,D)}=\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{BC}}:\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{BD}}$

交比不变是指空间直线四个点的交比和其对应的投影线上对应四个点的交比保持不变。如图2示，圆结构光投射到靶标平面上形成圆光条，靶标平面上的四个点A，B，C，D位于同一条直线上，其中A为位于圆结构光条上的标定特征点，B，C，D为靶标角点。XOY为图像平面，A₁，B₁，C₁，D₁分别为与靶标平面上A，B，C，D点对应的图像点，由交比不变原理可得到靶标上这4个共线点的交比和其在图像平面内的投影点的交比保持不变。即：

$\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{BC}}:\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{BD}}=\frac{A_1{C}_1}{B_1{C}_1}:\frac{A_1{D}_1}{B_1{D}_1}$

若已知B，C，D三点的坐标和对应图像上A₁，B₁，C₁，D₁的图像坐标，利用交比不变原理，即可求得圆结构光锥面和平面靶标交点A的坐标。

3)以摄像机坐标系为中介构建三维标定点

如图3所示在靶标所处的每一个位置分别建立局部世界坐标系

(O_i1X_i1Y_i1Z_i1，O_i2X_i2Y_i2Z_i2，…)，i＝1，2，3…，靶标平面的z坐标为零。选择某一个位置的局部世界坐标系作为全局世界坐标系，记为O_wx_wy_wz_w。对于任意位置靶标平面上的点(x_i，y_i，z_i)，其和摄像机坐标系的转换关系见方程1：

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=R_{i1}^c\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right]+T_{i1}^c---\left(1\right)$

其中(x_c，y_c，z_c)为该点在摄像机坐标系下的坐标，

和

分别代表从局部世界坐标系O_i1X_i1Y_i1Z_i1到摄像机坐标系O_cx_cy_cz_c的旋转矩阵和平移向量，进一步，摄像机坐标系和世界坐标系的转换关系见方程2

$\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\end{array}\right]=R_c^w\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]+T_c^w---\left(2\right)$

每个靶标平面和摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移向量可以通过摄像机标定获得。因此，以摄像机坐标系O_cx_cy_cz_c为中介，通过量值传递，可以得到任意位置平面靶标上点在全局世界坐标系下的坐标，最终实现不同位置靶标平面点在同一坐标系下构建的空间三维标定点。

Claims (1)

1.一种三维视觉检测圆结构光标定点获取方法，其特征在于：圆结构光投射器投射的圆结构光锥面投射在平面靶标上形成高亮度圆环，该靶标图像被摄像机拍摄，针对拍摄图像提取圆光条和平面靶标上特征点，由于平面靶标上特征点三维坐标精确已知，基于交比不变原理，计算圆环上满足交比不变的某些点的三维坐标，然后移动平面靶标，获取不同投射面的圆环图像，以摄像机坐标系为中介，构建圆锥面上空间三维标定点；

1)平面靶标的设计

平面靶标由多个同心圆与多条直线组成，每条直线都以圆心为中心，向圆周发散，相邻直线间夹角相同，所有直线均布在同心圆上；同心圆与直线将靶标平面分割成一系列扇形区域，相邻同心圆和相邻扇形区域采用反差较大颜色着色；直线和同心圆的交点为已知空间三维坐标的平面靶标上特征点，标定时靶标沿着圆结构光光轴方向移动，截得不同大小的圆光条；本靶标同时获取摄像机和结构光标定的数据源，完成摄像机和结构光的同步标定；

2)基于交比不变原理获取圆锥面平面靶标的交点坐标

任一直线上四个点中两个点之间距离的比值称为交比；

$\mathrm{CR}(A,B,C,D)=\frac{\mathrm{SR}(A,B,C)}{\mathrm{SR}(A,B,D)}=\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{BC}}:\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{BD}}$

交比不变是指空间直线四个点的交比和其对应的投影线上对应四个点的交比保持不变；圆结构光投射到靶标平面上形成圆光条，靶标平面上的四个点A，B，C，D位于同一条直线上，其中A为任意圆结构光锥面和平面靶标交点A，B，C，D为靶标角点；A₁，B₁，C₁，D₁分别为与靶标平面上A，B，C，D点对应的图像点，由交比不变原理可得到靶标上这4个共线点的交比和其在图像平面内的投影点的交比保持不变；即：

$\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{BC}}:\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{BD}}=\frac{A_1{C}_1}{B_1{C}_1}:\frac{A_1{D}_1}{B_1{D}_1}$

若已知B，C，D三点的坐标和对应图像上A₁，B₁，C₁，D₁的图像坐标，利用交比不变原理，即可求得圆结构光锥面和平面靶标交点A的坐标；

3)以摄像机坐标系为中介构建三维标定点

在靶标所处的每一个位置分别建立局部世界坐标系(O_i1X_i1Y_i1Z_i1，O_i2X_i2Y_i2Z_i2，…)，i＝1，2，3…，靶标平面的z坐标为零；选择某一个位置的局部世界坐标系作为全局世界坐标系，记为O_wx_wy_wz_w；对于任意圆结构光锥面和平面靶标交点A的坐标(x_i，y_i，z_i)，其和摄像机坐标系的转换关系见方程(1)：

$\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]=R_{i1}^c\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right]+T_{i1}^c---\left(1\right)$

其中(x_c，y_c，z_c)为该点在摄像机坐标系下的坐标，

和

分别代表从局部世界坐标系O_i1X_i1Y_i1Z_i1到摄像机坐标系O_cx_cy_cz_c的旋转矩阵和平移向量，进一步，摄像机坐标系和世界坐标系的转换关系见方程(2)；

$\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\end{array}\right]=R_c^w\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]+T_c^w---\left(2\right)$

每个靶标平面和摄像机坐标系之间的旋转矩阵R_C ^W和T_C ^W平移向量通过摄像机标定获得；以摄像机坐标系O_cx_cy_cz_c为中介，通过量值传递，得到任意位置平面靶标上点在全局世界坐标系下的坐标，最终实现不同位置靶标平面点在同一坐标系下构建的空间三维标定点。

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