CN102297658B

CN102297658B - 基于双线激光的三维信息检测方法

Info

Publication number: CN102297658B
Application number: CN 201110132660
Authority: CN
Inventors: 崔海华; 戴宁; 田忠运; 程筱胜; 廖文和
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: CN102297658A

Abstract

一种基于双线激光的三维信息检测方法，属于三维测量技术领域。该方法采用两个激光器，分别求取第一激光器和第二激光器的激光平面方程。物体三维信息检测时利用相机采集含有双线激光的物体图像，并求每条激光粗线的中心线；利用相机内部参数以及每个激光器的激光平面方程，重建三维数据。本方法相对于单线激光测量方法，由于其信息量大，具体更高的稳定性、可靠性和准确性，同时操作要求简单，在物体表面三维信息检测方面具有重要的应用。

Description

基于双线激光的三维信息检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于双线激光的三维信息检测方法，属于机器视觉检测技术领域。

背景技术

现代的制造业中，三维信息的检测是必不可少的。目前现有的三维检测装置，很大一部分都是手工检测，效率比较低；另外在一些精密仪器制造业（如汽车、飞机）中，接触式测量仪器不容易安装，或由于接触被测物体表面会产生划痕等，所以基于光学的非接触式测量技术得到了长足的发展，该技术已经广泛应用于产品的设计制造、质量检测与控制、机器视觉等领域。

现有基于光学的三维检测装置，大部分安装在生产线上，只能检测特定的部件，对于大型物体表面的微小特征信息检测束手无策。基于单线激光三维信息检测的方法，有很大的局限性。首先由于单线激光信息量比较少，因此操作方法比较局限，比如对台阶和接缝测量时，必须保证激光线垂直投射；其次，单线激光检测适用范围比较小，稳定性不高；第三，单线激光测量的精度不高。

发明内容

本发明针对目前三维检测装置在某些方面的不足，提出一种适用范围大、稳定性高、精度高的基于双线激光的三维信息检测方法。

1、一种基于双线激光的三维信息检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1、双线激光平面标定：

1-1、相机和第一激光器以及标定板成三角关系，相机和第二激光器以及标定板成三角关系，其中固定第一激光器、第二激光器、相机和标定板位置，利用相机采集一幅未投射激光束的标定板图像，并求取角点的坐标；利用角点连接成若干平行的直线；

1-2、打开第一激光器，投射激光线到标定板上，激光线在标定板上呈现粗线条，利用相机采集标定板上的激光粗线的标定图像，并求激光粗线的中心线；求该中心线与角点直线的交点；

1-3、关闭第一激光器，打开第二激光器，投射激光线到标定板上，激光线在标定板上呈现粗线条，利用相机采集标定板上的激光粗线的标定图像，并求激光粗线的中心线；求该中心线与角点直线的交点；

1-4、向前或向后移动标定板位置，然后重复上述步骤1-1至步骤1-3过程；

1-5、至少再重复一次步骤1-4；

1-6、通过步骤1-1至步骤1-5获得的多个角点坐标，标定相机内部参数和外部参数；

1-7通过步骤1-1至步骤1-5获得的多个交点坐标，分别求取第一激光器和第二激光器的激光平面方程；

2、物体三维信息检测：

2-1、保持第一激光器、第二激光器、相机的相对位置不变；相机和激光器以及物体成三角关系；利用第一激光器、第二激光器向物体投射两条激光线；激光线在物体上呈现粗线条，利用相机采集含有双线激光的物体图像，并求每条激光粗线的中心线：图像中的激光线具有一定宽度，激光线界面灰度近似高斯分布，激光线中心精度越高测量的精度越高，因此首先采取设定一固定阈值，然后利用几何法进行求取激光线的中心；

2-2、激光线的区分：由于本方法采用第一激光器和第二激光器投射，因此需要区分出每个激光线所对应的激光平面，然后才能通过对应的激光平面方程进行重建，激光线的区分有两种方式：

2-2-1、一种是第一激光器和第二激光器顺序投射，首先第一激光器投射一条激光线，处理第一激光线；然后第一激光器关闭，第二激光器投射激光线，处理第二激光线；

2-2-2、另外一种是第一激光器和第二激光器同时投射两条激光线，这种方式的步骤如下：

2-2-2-1、在图像列方向上从上到下搜索初次细化后的图像，找到灰度为255的点，此点记为第一个激光线上的点，列加+1,继续搜索，再次找到灰度为255的点；

2-2-2-2、判断是否为噪声点，找到第二个点之后于第一个点进行比较，由于图像近似水平，因此行方向上的值相差不会超过4个像素，如果超过了就认为是噪声点，去除，继续列+1搜索；

2-2-2-3、在列方向上从下到上搜索初次细化后的图像，然后重复步骤2-2-2-1、步骤2-2-2-1步骤；

2-2-2-4、这样就可以区分开两条激光线，每一条激光线上的点分别存储；

2-3、利用相机内部参数以及每个激光器的激光平面方程，重建三维数据：主要是针对台阶高度和接缝宽度的计算；对于台阶高度，通过在阶差平面上的两条激光线拟合一个平面，求平面之间的距离即为阶差高度；对于接缝，通过细化后的图像，找到接缝的断点，同侧的断点连接成一条直线，另一侧的两个点到该直线的距离的平均值即为接缝宽度。

本发明的原理是根据激光三角法测量原理，通过投射双线激光到物体表面，分别标定每个激光平面，求其激光平面方程，采集到含有两条激光线的物体调制图像，通过求取激光线中心，并能区分每个激光线所在的激光平面，然后根据所对应的激光平面方程进行三维重建，检测物体的表面特征几何信息。在所述的三维信息检测中，需要区分出两个激光平面，与其对应的平面方程进行三维重建，并能精确找到需要的特征点进行三维信息检测。本发明中角点是指棋盘格标定板中的特征点，角点连接成的直线是每行角点相连接，用最小二乘法拟合的一条直线，激光中心线上的各个点拟合一条直线，会与每行角点连接成的直线相交，形成交点。利用多个角点坐标标定相机内部参数和外部参数为成熟的现有技术，可采用如(PROGER Y.TSAI.A Versatile Camera Calibration Techniaue forHigh-Accuracy 3D Machine Vision Metrology Using Off-the-shelf TVCameras and Lenses.IEEE JOURNAL OF ROBOTICS AND AUTOMATION,VOL.RA-3,NO.4,AUGUST 1987)参考文献介绍的一种基于径向约束的两步法。

本发明的优点在于：

1.由于采用两条激光线有更多的信息量，因此相对于单线激光测量具有更高的稳定性和精度。

2.本发明的应用范围广。可以广泛应用于物体表面台阶高度和接缝宽度的测量，可以测量汽车表面也可以测量飞机蒙皮表面的特征信息。

3.可以手持式进行实时测量。本发明装置质量比较轻，结构简单，可以将激光器和相机等辅助设备器件封装在一个设备中，实现手持式测量，相比于其他的三维检测设备，具有轻便、易于操作的特点。

4.相比于单线激光测量，本发明投射的激光线不需要垂直于接缝边缘，操作更加简单。

所述步骤（2-1）中相机与激光器以及物体成三角关系，其中相机光轴与激光平面的夹角为30°～60°时这个范围内时精度较高，测量效果较好。

所述第一激光器、第二激光器为两个独立的一字线激光器；或为同一个能投射两条平行或相交激光线激光器。

附图说明

图1双线激光投射原理示意图；

图2相机标定和双线激光平面示意图；

图3激光线界面灰度图；

图4含有两条激光线的物体图像；

图5提取激光中心线的图像；

图6区分后的图像；

图7双线激光测量与单线激光测量对比图；

图中标号名称：1为第一激光器，2为第二激光器，3为第一激光平面，4为第二激光平面，5为相机，6为激光平面与角点连线的交点，7为标定板角点

具体实施方案

下面对本发明结合附图说明做进一步详细说明。

（1）、双线激光投射模型原理如图1。第一激光器和第二激光器平行放置，垂直向被测物体表面投射激光光束。第一激光平面和第二激光平面投射到物体表面后，在物体表面就会形成两个激光光条。这两个光条都会因为物体表面深度的变化而受到调制。相机从另外一个位置采集含有两个激光光条的图像。然后通过相机内部参数和外部参数以及两个激光平面方程，最后能得到调制图像光条上的三维信息。

（2）、双线激光平面标定。双线激光平面标定示意图如图2所示。根据相机模型和投影模型，数学模型如下：

s [\begin{matrix} x \\ y \\ 1 \end{matrix}] = K [R | T] [\begin{matrix} x_{W} \\ y_{w} \\ z_{w} \\ 1 \end{matrix}] - - - (1)

a₁x_w+b₁y_w+c₁z_w+d₁＝0

（2）

a₂x_w+b₂y_w+c₂z_w+d₂＝0

（3）

公式1：相机线性模型。K表示相机内部参数，R、T表示相机外部参数，(x,y,1)为图像坐标系，(x_w,y_w,z_w,1)为世界坐标系。

公式2：第一激光平面的平面方程，a₁、b₁、c₁、d₁为第一激光平面方程系数

公式3：第二激光平面的平面方程，a₂、b₂、c₂、d₂为第二激光平面方程系数

标定过程如下：

（2-1）相机和激光器以及标定板成三角关系，其中固定第一激光器、第二激光器、相机和标定板位置，利用相机采集一幅未投射激光束的标定板图像，并求取角点坐标；利用角点连接成若干平行的角点直线；

（2-2）打开第一激光器，投射激光线到标定板上，激光线在标定板上呈现粗线条，利用相机采集标定板上的激光粗线的标定图像，并求激光粗线的中心线；求该中心线与角点直线的交点；

（2-3）关闭第一激光器，打开第二激光器，投射激光线到标定板上，激光线在标定板上呈现粗线条，利用相机采集标定板上的激光粗线的标定图像，并求激光粗线的中心线；求该中心线与角点直线的交点；

（2-4）向前或向后移动标定板位置，然后重复上述步骤（2-1）至（2-3）过程；

(2-5)至少再重复一次步骤（2-4）；

（2-6）通过步骤（2-1）至步骤（2-5）获得的多个角点坐标，利用Tsai两步法标定相机内部参数和外部参数；

（2-7）通过步骤（2-1）至步骤（2-5）获得的多个交点坐标，分别求取第一激光器和第二激光器的激光平面方程；

(3)物体三维检测。

（3-1）激光中心线提取。如图3，激光线界面灰度近似高斯分布，激光线中心精度越高测量的精度越高。图4为采集到的含有两条激光线的接缝物体图像，从图像上可以看出激光线的宽度约为十个像素左右，由于激光线界面灰度近似高斯分布，因此，本发明采取设定一固定阈值，然后利用几何法进行求取激光线的中心，如图5所示。

（3-2）激光线的区分。由于本发明采用第一激光器和第二激光器投射，因此需要区分出每个激光线所对应的激光平面。然后才能通过对应的激光平面方程进行重建。对于接缝凹下去的那一小段不是需要的信息因此在区分时要去掉。激光线的区分有两种方式，一种是第一激光器和第二激光器顺序投射，首先第一激光器投射一条激光线，处理第一激光线。然后第一激光器关闭，第二激光器投射激光线，处理第二激光线。另外一种是第一激光器和第二激光器同时投射两条激光线，这种方式的区分方法如下：

1、在列方向上从上到下搜索初次细化后的图像，即图4，找到灰度为255的点，此点记为第一个激光线上的点，列加+1,继续搜索，再次找到灰度为255的点。

2、判断是否为噪声点。找到第二个点之后于第一个点进行比较，由于图像近似水平，因此行方向上的值相差不会超过4个像素，如果超过了就认为是噪声点，去除，继续列+1搜索。

3、在列方向上从下到上搜索初次细化后的图像，然后重复1、2步骤。

4、这样就可以区分开两条激光线，每一条激光线上的点分别存储。区分后的图像如图5所示

（3-3）计算。本发明主要是针对台阶高度和接缝宽度的计算。对于台阶高度，通过在阶差平面上的两条激光线可以拟合一个平面，求平面之间的距离即为阶差高度；对于接缝，通过细化后的图像，找到接缝的断点，同侧的断点连接成一条直线，另一侧的两个点到该直线的距离的平均值即为接缝宽度。

Claims

1.一种基于双线激光的三维信息检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1、双线激光平面标定：

1-5、至少再重复一次步骤1-4；

2、物体三维信息检测：

2.根据权利要求1所述的基于双线激光的三维信息检测方法，其特征在于：所述步骤2-1中相机与激光器以及物体成三角关系，其中相机光轴与激光平面的夹角为30°～60°。

3.根据权利要求1所述的基于双线激光的三维信息检测方法，其特征在于：所述第一激光器、第二激光器为两个独立的一字线激光器；或为同一个能投射两条平行或相交激光线激光器。