CN103604367B - 一种用于激光三角测量系统的校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光三角测量系统的校准装置，包括转台、顶针和校准圆柱体；校准圆柱体固定放置在转台上方，顶针压紧在校准圆柱体的上表面。本发明还公开了使用上述校准装置的校准方法，采用带有狭缝和棋盘格标定板的校准圆柱体作为工具，通过6个步骤实时采集与计算狭缝图像、标定板图像以及激光图像，判断系统校准是否达到预设要求。最终使得摄像头成像面与基准面平行，激光与基准面交线与镜头光轴相交且垂直。本发明的方法简单有效，易于操作人员掌握，并且调节精度高，能有效地确保激光三角测量系统的精确度，在非接触式三维高精度测量领域有着良好的应用前景。

Description

一种用于激光三角测量系统的校准装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量领域的校准装置和方法，具体涉及一种用于激光三角测量系统的校准装置和方法。

背景技术

三角测量法技术具有非接触式、测量精度高、动态响应快等特点，在高精度三维测量领域有着非常广泛的应用。为了保证三角测量法的测量精度，一字型激光、摄像头以及基准面必须严格满足某一已知的几何关系，为达到这一目的，以往的技术主要通过两种方法来实现。第一种方法是采用固定的机械装置，即一字型激光、摄像头以及基准面的关系是固定的。这种方法的缺点是不能根据被测物体的尺寸调节机械位置，测量范围较小，灵活性差。第二种方法是采用可调节的机械装置，这一方法的缺点是调节装置有可能引入机械误差。另外上述两种方法都有一个共同的问题，就是机械装置出现磨损、松动等情况时，原先的几何关系无法满足，测量精度必然降低。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种克服上述缺陷用于激光三角测量系统的校准装置和校准方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于激光三角测量系统的校准装置和校准方法。

本发明针对现有技术的不足，提出了一种用于激光三角测量系统的校准方法，采用带狭缝的和粘贴棋盘格标定板的圆柱体作为校准工具，通过实时采集与计算校准工具的图像，判断系统校准是否达到预设要求。最终使得摄像头成像面与基准面平行，激光与基准面交线与镜头光轴相交且垂直。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于激光三角测量系统的校准装置，包括转台、顶针和校准圆柱体；校准圆柱体固定放置在转台上方，顶针压紧校准圆柱体的上表面，确保转台旋转过程中校准圆柱体始终绕着同一个轴旋转。激光器与摄像头与校准装置配合使用。

优选地，转台由伺服电机带动旋转，实现精确的转动和定位。

优选地，校准圆柱体由金属材料制成，金属材料易于加工成型，使用过程中不易变形。

优选地，校准圆柱体的上表面设有一个供顶针压入的孔。

优选地，校准圆柱体还包含一个基准面和一条狭缝。

优选地，基准面是在校准圆柱体侧面自上而下切去一块，形成的一个平行于校准圆柱体中心线的截面。

优选地，基准面的上部和下部都粘贴有棋盘格标定板，棋盘格标定板格子的竖直边缘平行于校准圆柱体的中心线。

优选地，狭缝是在基准面的不粘贴所述棋盘格标定板的部分沿垂直于所述基准面的方向切开一个贯通校准圆柱体的缝隙，光线可以从此狭缝间穿过圆柱体。

一种用于激光三角测量系统的校准方法，实时采集并计算图像作为反馈进行机械装置调节，摄像头实时拍摄校准工具当前图像并计算图像中的几何信息，与此同时调节固定摄像头和激光器的机械装置，当图像中的几何信息满足一定要求时，表明机械装置调整到了需要的位置。这种校准方法包括以下6个步骤，实现三角测量法的激光器、摄像头、基准面的校准：

（1）在校准圆柱体未切去平面的那一侧放置一个平板光源作为背光，旋转转台，直至摄像头拍摄图像的平均亮度达到最大；

（2）旋转摄像头，直至摄像头拍摄图像的光条垂直于图像的上下边缘；

（3）移动摄像头，直至摄像头拍摄图像的光条位于图像中间位置；

（4）撤去背光平板光源，调整摄像头曝光时间，使摄像头拍摄到的图像中，上半部分棋盘格和下半部分棋盘格格子竖直方向边长的平均值一样；

（5）打开激光器，调整摄像头曝光时间，使摄像头拍摄到的图像中，激光光条处于水平位置；

（6）移动激光器，使激光光条处于图像中间位置。

上述用于激光三角测量系统的校准方法，更具体的操作步骤是：

（1）将校准圆柱体固定在转台上，基准面对着摄像头，在校准圆柱体背向摄像头的一侧放置一个平板光源作为背光，光线通过狭缝进入摄像头中，摄像头拍摄的图像中出现光条；调整摄像头曝光时间，使其拍摄的图像中有一条较亮的纵向光条，其余部分较暗；缓慢旋转转台，当纵向光条的平均亮度最大时，停止旋转转台。此步骤可以确保窄缝与成像面垂直。

（2）在与摄像头光轴垂直的平面内缓慢旋转摄像头并实时拍摄、计算图像；当摄像头拍摄图像中的光条垂直于图像的上下边缘时，停止旋转摄像头调节。此步骤可以确保成像面上下边缘与校准圆柱体的中心线垂直。

（3）在与摄像头光轴垂直的平面内左右移动摄像头并实时拍摄、计算图像；当摄像头拍摄图像中的光条位于图像中间位置时，停止移动摄像头调节。此步骤可以确保校准圆柱体的中心线在成像面的投影位于成像面的中心。

（4）撤去平板光源，调整摄像头曝光时间，使其拍摄的图像中棋盘格有明显的对比度；在与成像面垂直的平面内缓慢旋转摄像头并实时拍摄、计算图像，也就是调节摄像头的仰俯角，当摄像头拍摄到图像中，上半部分棋盘格和下半部分棋盘格格子竖直方向边长的平均值一样时，停止旋转摄像头调节。此步骤可以确保成像面与基准面平行。

（5）打开激光器，调整摄像头曝光时间，摄像头拍摄到激光与基准面的交线，是一条较亮的激光光条。在与激光器光轴垂直的平面内缓慢旋转激光器并实时拍摄、计算图像，当拍摄到的图像中，激光光条在图像中处于水平位置时，停止旋转激光器调节。此步骤可确保激光与基准面的交线平行于成像面的上下边缘。

（6）在竖直方向向上或向下缓慢移动激光器并实施拍摄、计算图像，使激光光条处于图像中间位置，停止移动激光器调节。此步骤可以确保激光与基准面的交线与摄像头光轴相交。

通过上述6个校准步骤，可以确保摄像头、激光与基准面满足以下的几何关系：

（1）摄像头的成像面与基准面平行；

（2）成像面的上下边缘与校准圆柱体的中心线垂直；

（3）激光与基准面的交线与摄像头光轴相交；

（4）激光与基准面的交线平行于成相面的上下边缘。

上述的空间几何关系是进行三角测量法时需要满足的典型条件。有时三角测量法的计算只需满足其中的一部分条件，在这种情况下可以减少相应的校准步骤。

校准步骤（3）中所述的等间距条件，是比较校准圆柱体上部的棋盘格标定板格子的竖直方向长度的平均值，与校准圆柱体下部的棋盘格标定板格子的竖直方向长度的平均值，两者之差的绝对值小于一个很小的值。因为当成像面与基准面不平行，也就是摄像头存在仰俯角时，摄像头对上部的棋盘格和下部的棋盘格的放大倍数不一致，图像中棋盘格的格子竖直方向长度随着格子上下位置而变化。当上下部分棋盘格的格子竖直方向长度平均值相等时，也就意味着摄像头成像面与基准面平行。

本发明一种用于激光三角测量系统的校准装置和方法，可以实现以下有益效果：

（1）可减小对机械装置的依赖。传统的三角测量法通过机械装置之间的严格空间关系，来保证激光器、摄像头、基准面之间的几何关系。因此机械结构复杂，加工难度大，并且为保证机械加工精度需付出较大成本。本发明只需要相对简单的工装调节装置，即可确保系统满足特定空间几何关系，易于实现且成本较低。

（2）可适应不同的三角测量法的算法。三角测量法根据不同的被测对象，其算法会有一定的调整，激光器、摄像头和基准面的几何关系也会有所不同。本发明分步骤进行校准，可以根据三角测量法的几何关系增加或减少校准步骤，对不同的被测对象适应性与灵活性很强。

（3）易于实现校准精度的提高。本发明可以通过改进校准步骤中图像处理的算法来提高校准的精度，较之通过提高机械加工精度的方法，更容易实现系统精度的升级。

（4）本发明所需的校准装置结构简单，易于加工，便于安装和调试。本发明特别适用于杆状、柱状工件的三维测量，可在完成上述的校准步骤后，将被测工件按照与校准工具类似的方式加以固定，利用转台-顶针结构使其绕固定轴旋转，校准后的激光三角测量系统可以获取被测工件一周的三维数据。本发明可以极大地减少激光三角测量系统的机械加工成本和加工难度，降低校准过程中的调节难度，适合于在高速自动化三维测量产品中使用，具有极大的市场前景。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的校准装置结构示意图；

图2是图1中所示校准圆柱体的详细结构图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1展示的是本实施例的校准装置的结构示意图。一种用于激光三角测量系统的校准装置，包括转台2、顶针（图1中未示出）和校准圆柱体1；校准圆柱体1固定放置在所述转台2上方，顶针压紧校准圆柱体1的上表面。此外，图1中还展示了配套使用的激光器3和摄像头4。

图2展示的是校准圆柱体1的详细结构图。图例分别为小孔11、上部棋盘格标定板12、狭缝13、下部棋盘格标定版14、基准面15。校准圆柱体1是一个直径与被测物直径近似的金属制圆柱体，上表面有一个小孔11，可以压入顶针起到固定作用。校准圆柱体1还包含一个基准面15和一个狭缝13。基准面15是在校准圆柱体1侧面自上而下切去一块，形成的一个平行于校准圆柱体1中心线的截面。基准面15的上部和下部都粘贴有棋盘格标定板，分别为上部棋盘格标定板12和下部棋盘格标定板14。棋盘格标定板格子的竖直边缘平行于校准圆柱体1的中心线。狭缝13是在所述基准面15的不粘贴所述棋盘格标定板的部分沿垂直于基准面15的方向切开一个贯通校准圆柱体1的缝隙。

采用如图1所示的装置完成激光三角测量系统的校准。使用的校准圆柱体1的具体结构图如图2所示，校准圆柱体1的直径为30mm，狭缝13宽度为1mm，基准面15和校准圆柱体1的中心线的距离是8mm，基准面15上粘贴的上部棋盘格标定板13和下部棋盘格标定板14各有5行5列，每个棋盘格子的边长是3mm。将校准圆柱体1固定放置在转台2上，顶针压紧校准圆柱体1上表面。在开始校准步骤前，先进行以下几个步骤的粗调：通过水平仪将摄像头4的上表面调节至大致水平的位置，打开激光器3让激光照射到校准圆柱体1的侧面上，激光与校准圆柱体1侧面的交线是一段圆弧，调节激光器3的水平位置使激光圆弧的左右两个端点位于同一高度。

打开摄像头4，使其处于连续拍摄模式，为防止曝光过度，将摄像头4的曝光时间设置为100μm，关闭激光器3。校准圆柱体1的基准面15朝向摄像头4，在校准圆柱体1的背向摄像头4的那一侧放置一个尺寸约为100mm×100mm的白色LED平板光源作为背光，此时在摄像头3采集的图像上出现一根竖直的光条。转台2由伺服电机带动旋转，实现精确的转动和定位。采用点动方式旋转转台2，每次旋转后计算图像上光条的平均灰度值。初始位置光条的平均灰度为75；随着转台2的旋转，光条的平均灰度值逐渐增大；当达到137时，继续转动转台2，灰度值开始减小。说明灰度值137对应的位置是此步校准所要达到的位置。

在与摄像头4光轴垂直的平面内缓慢旋转摄像头4，同时实时计算图像。计算方法是求出光条中心线第一行的横坐标与最后一行横坐标之差，当计算值大于0时，将摄像头4顺时针旋转，当计算值小于0时，将摄像头4逆时针旋转，当计算值等于0时，说明对应的位置是此步校准所要达到的位置。

在与摄像头4光轴垂直的平面内左右移动摄像头4，同时实时计算图像。计算方法是求出光条中心线横坐标的平均值。摄像头的分辨率是1024×1460，所以当计算值小于730.5时，将摄像头4向左移动，当计算值大于730.5时，将摄像头4向右移动。由于很难将计算值调节至完全等于730.5，所以此处设置一个容忍范围，当计算值在730至731这个范围内时，认为对应的位置达到此校准步骤的要求。

撤去用作背光的LED平板光源，为了获得较高对比度的棋盘格图像，将摄像头4的曝光时间设置为200μm。在与成像面垂直的平面内缓慢旋转摄像头，也就是调节摄像头4的仰俯角，同时实时计算棋盘格图像。计算的方法如下：首先通过搜索角点的方法确定每一个格子顶点的坐标，然后计算格子竖直方向边长。图像中上半部分和下半部分各有5行格子，计算上半部分和下半部分格子竖直方向边长平均值之差。当计算值大于0时，说明摄像头4处于俯视状态，当计算值小于0时，说明摄像头4处于仰视状态。按照这个原则调节摄像头仰俯角，计算值逐渐趋向于0。由于很难将计算值调节至完全等于0，所以此处设置一个容忍范围，当计算值在-0.5至0.5这个方位内时，认为对应的位置达到此校准步骤的要求。

打开激光器3，摄像头4拍摄到激光与基准面的交线，是一个光条。在与激光器3光轴垂直的平面内缓慢旋转激光器，同时实时计算图像。计算方法是求出光条中心线最左一列的纵坐标与最右一列的纵坐标之差，当计算值大于0时，将激光器3顺时针旋转，当计算值小于0时，将激光器3逆时针旋转，当计算值等于0时，说明对应的位置是此步校准所要达到的位置。

在竖直方向缓慢移动激光器3，同时实时计算图像。计算方法是求出光条中心线纵坐标的平均值。摄像头的分辨率是1024×1460，所以当计算值小于512.5时，将摄像头向下移动，当计算值大于512.5时，将摄像头向上移动。由于很难将计算值调节至完全等于512.5，所以此处设置一个容忍范围，当计算值在512至513这个范围内时，认为对应的位置达到此校准步骤的要求。

应用本实施例的方法，对激光三角测量系统进行视觉校准，然后将校准好的系统测量汽车外星轮花键的大径、小径、压力角、分度圆半径等参数，发现系统的测量准确度好，重复精度高，适用于高精度的非接触式三维测量。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于激光三角测量系统的校准装置，其特征是：包括转台、顶针和校准圆柱体；所述校准圆柱体固定放置在所述转台上方，所述顶针压紧所述校准圆柱体的上表面；所述校准圆柱体还包含一个基准面和一条狭缝；所述基准面的上部和下部都粘贴有棋盘格标定板，所述棋盘格标定板格子的竖直边缘平行于所述校准圆柱体的中心线；所述狭缝是在所述基准面的不粘贴所述棋盘格标定板的部分沿垂直于所述基准面的方向切开一个贯通所述校准圆柱体的缝隙。

2.如权利要求1所述的校准装置，其特征是：所述转台由伺服电机带动旋转。

3.如权利要求1所述的校准装置，其特征是：所述校准圆柱体由金属材料制成。

4.如权利要求1所述的校准装置，其特征是：所述校准圆柱体的上表面设有一个供所述顶针压入的孔。

5.如权利要求1所述的校准装置，其特征是：所述基准面是在所述校准圆柱体侧面自上而下切去一块，形成的一个平行于所述校准圆柱体中心线的截面。

6.一种用于激光三角测量系统的校准方法，其使用如权利要求1所述的校准装置，其特征是，所述校准方法包括以下步骤：

(1)在校准圆柱体背向摄像头的一侧放置一个平板光源，旋转转台，直至摄像头拍摄图像的平均亮度达到最大；

(2)旋转摄像头，直至摄像头拍摄图像的光条垂直于图像的上下边缘；

(3)移动摄像头，直至摄像头拍摄图像的光条位于图像中间位置；

(4)撤去背光平板光源，调整摄像头曝光时间，直至摄像头拍摄到的图像中，上半部分棋盘格和下半部分棋盘格的格子竖直方向边长的平均值一样；

(5)打开激光器，调整摄像头曝光时间，直至摄像头拍摄到的图像中，激光光条处于水平位置；

(6)移动激光器，直至激光光条处于图像中间位置。

7.如权利要求6所述的校准方法，其特征是，包括以下具体步骤：

(1)将校准圆柱体固定在转台上，基准面朝向摄像头，在校准圆柱体背向摄像头的一侧放置一个平板光源；调整摄像头曝光时间，使其拍摄的图像中有一条较亮的纵向光条，其余部分较暗；旋转转台并实时拍摄、计算图像；当摄像头拍摄图像中的光条平均亮度达到最大时，停止旋转转台；

(2)在与摄像头光轴垂直的平面内旋转摄像头并实时拍摄、计算图像；当摄像头拍摄图像中的光条垂直于图像的上下边缘时，停止旋转摄像头；

(3)在与摄像头光轴垂直的平面内左右移动摄像头并实时拍摄、计算图像；当摄像头拍摄图像中的光条位于图像中间位置时，停止移动摄像头；

(4)撤去背光平板光源，调整摄像头曝光时间，使其拍摄的图像中棋盘格有明显的对比度；在与成像面垂直的平面内旋转摄像头并实时拍摄、计算图像；当摄像头拍摄到的图像中，上半部分棋盘格和下半部分棋盘格格子竖直方向边长的平均值一样时，停止旋转摄像头；

(5)打开激光器，调整摄像头曝光时间，使其拍摄的图像中有一条较亮的激光光条，其余部分较暗；在与激光器光轴垂直的平面内旋转激光器，并实时拍摄、计算图像；当摄像头拍摄到的图像中，激光光条处于水平位置时，停止旋转激光器；

(6)在竖直方向移动激光器并实时拍摄、计算图像，当摄像头拍摄到的图像中；激光光条处于图像中间位置时，停止移动激光器。