CN104266608A

CN104266608A - 视觉传感器现场标定装置和标定方法

Info

Publication number: CN104266608A
Application number: CN201410565914.2A
Authority: CN
Inventors: 黄风山; 陈丽; 黄永建; 张付祥
Original assignee: Hebei University of Science and Technology
Current assignee: Hebei University of Science and Technology
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: CN104266608B

Abstract

一种视觉传感器现场标定装置以及利用该装置进行现场标定的方法，该装置由第一结构传感器（1）、第二结构传感器（2）和标定靶标（3）三部分组成，标定靶标（3）置于测量现场的测量工位，第一结构传感器（1）置于标定靶标（3）的左下方，第二结构传感器（2）置于标定靶标（3）的右上方。采用本发明的装置结构简单，容易操作，标定点获取准确，因此数学模型也得到简化，适合现场标定。

Description

视觉传感器现场标定装置和标定方法

技术领域

本发明涉及一种标定装置和标定方法，尤其是在利用线结构光视觉传感器进行轮廓线测量时，对线结构视觉传感器进行现场标定的装置和标定方法。

背景技术

物体的轮廓测量技术在质量控制、工业检测、反求工程、CAD/CAE以及医疗诊断等领域的应用日益重要。随着计算机技术、光学和光电子技术的快速发展，各种光学的轮廓测量方法得到了广泛的应用。基于线结构光视觉传感器的轮廓测量方法就是其中重要的一种。它是用一字线结构光投射器照射被测物体，在物体表面形成一条亮的光带，用CCD摄像机获取光带图像，并对图像进行处理和分析，进而通过线结构光成像模型得到被测物体表面的几何尺寸及轮廓特征。在线结构光视觉传感器的轮廓测量中，线结构光视觉传感器的标定是实现测量准确性和稳定性的关键。

目前，针对线结构光的视觉测量模型，提出了许多线结构光传感器的标定方法。主要有拉丝标定法，锯齿靶法，利用交比不变性原理获取光平面标定点的标定方法。这3种标定方法都需要精密的标定辅助设备，标定过程繁琐，且不适合现场标定。针对这一问题有人提出了基于平面参照物的标定方法，简化了标定设备，适合现场标定，但每次标定时需多次改变激光光条与平面标定参照物的位置，标定过程相对繁琐，并且都需要在参照物上建立三维局部世界坐标系，参照物每移动到一个位置，都要计算这个位置下局部世界坐标系到世界(摄像机)坐标系的转换矩阵，增加了标定的复杂度。后来，为了简化标定程序，先后有人提出了利用一维靶标上距离已知的特征点之间的距离约束，实现线结构光视觉传感器的结构参数标定的新方法，因为该方法需要将多个一维靶标固定位置摆放，在现场实现比较复杂，并且标定点获取的个数和精度受到限制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种视觉传感器现场标定装置，该装置由第一结构传感器1、第二结构传感器2和标定靶标3三部分组成。

标定靶标3置于测量现场的测量工位，第一结构传感器1置于标定靶标3的左下方，第二结构传感器2置于标定靶标3的右上方。标定靶标3的主体结构为一个扁平的方框靶体3-1，在方框靶体3-1的四个长方形表面的长轴上面按要求布置若干个靶标圆点3-2，所有的靶标圆点3-2形成一个测量平面。标定靶标3的主体部分方框靶体3-1由相互垂直的四个刚性平面和两个相互平行的正方形平面构成，所有靶标圆点的中心在同一个平面内且与方框靶体3-1的底面垂直。第一结构传感器1由第一摄像机1-1和第一激光器1-2组成。第一激光器1-2激光光条所在平面与标定靶标3的左表面和下表面上所有靶标圆点所在平面一致。第一摄像机1-1保证靶标的左表面和下表面上的靶标圆点在其内成全像，并且成像角度为钝角型。第二结构传感器2由第二摄像机2-1和第二激光器2-2组成。第二激光器2-2投射到标定靶标3的上表面和右表面。第二摄像机2-1采集上表面和右表面的靶标圆点图像。

根据本发明的视觉传感器现场标定装置进行定位的方法，调整第一摄像机1-1和第二摄像机2-1，使所有靶标圆点3-2在其视野内按特定角度呈全像。在第一摄像机1-1中所成的图像是以下表面和左表面所成直角为中心所有靶标圆点的靶标图像。在第二摄像机2-1中所成的图像是以上表面和右表面所成直角为中心的所有靶标圆点的靶标图像。经图像预处理并提取靶标特征圆点的中心坐标。提取的点数据作为各自对应的摄像机标定所需的标定点，以标定靶标中心为原点建立世界坐标系，便已知每组靶标特征圆点中心的空间坐标。通过标定靶标可获得的非共线对应点，利用最小二乘拟合法解线性非齐次超定方程组计算出系统参数。选用截面近似为正方形的被测试验件，根据光条图像坐标而计算拟合出的被测轮廓。

采用本发明的装置结构简单，容易操作，标定点获取准确，因此数学模型也得到简化，适合现场标定。

附图说明

图1是本发明的视觉传感器现场标定装置结构示意图；

图2是本发明的视觉传感器现场标定装置的标定靶标示意图；

图3-5是本发明的视觉传感器现场标定装置摄像机拍摄角度图，其中如图5适于本发明；

图6是本发明的视觉传感器现场标定装置的线结构视觉测量模型；

图7-8是本发明的视觉传感器现场标定装置图像预处理后的标靶圆点图像；

图9是本发明的视觉传感器现场标定装置根据光条图像坐标而计算拟合出的被测轮廓。

具体实施例

结合附图说明本发明的结构和操作。

一种视觉传感器现场标定装置，该装置由第一结构传感器1、第二结构传感器2和标定靶标3三部分组成。

标定靶标3置于测量现场的测量工位，第一结构传感器1置于标定靶标3的左下方，第二结构传感器2置于标定靶标3的右上方。标定靶标3的主体结构为一个扁平的方框靶体3-1，在方框靶体3-1的四个长方形表面的长轴上面按要求布置若干个靶标圆点3-2，所有的靶标圆点3-2形成一个测量平面，现场标定时需要保证测量平面处于测量工位。标定靶标3的结构如图2所示，主体部分方框靶体3-1由相互垂直的四个刚性平面和两个相互平行的正方形平面构成，组成大小为165mm×165mm×10mm。靶标圆点3-2的半径为4mm，方框靶体3-1上面的靶标圆点的分布有一定的要求。首先在方框靶体3-1的右上方直角边的中心位置布置一个靶标圆点3-2，然后分别以该靶标原点中心为起点在方框靶体3-1的上表面和右表面上每隔20mm布置相同靶标圆点，上表面和右表面共布置15个靶标圆点；同理，在方框靶体3-1的左下方直角边的中心位置布置相同的靶标圆点3-2，然后分别以该靶标原点中心为起点在下表面和左表面上每隔20mm布置相同靶标圆点，下表面和左表面共布置15个靶标圆点；这样共布置30个靶标圆点，所有靶标圆点的中心在同一个平面内且与方框靶体3-1的底面垂直。第一结构传感器1由第一摄像机1-1和第一激光器1-2组成。第一激光器1-2主要根据光条位置和质量以及激光器照射距离来调整。调整第一激光器1-2使其在标定靶标3左表面和下表面上形成的光条轮廓和靶标圆点中心轮廓一致，即激光光条所在平面与标定靶标3的左表面和下表面上所有靶标圆点所在平面一致，且光条宽度越细越好。激光器的照射距离根据现场空间位置和光条质量调整即可。第一摄像机1-1主要根据成像范围和靶标圆点成像角度来调整。调整第一摄像机1-1保证靶标的左表面和下表面上的靶标圆点在其内成全像，并且成像角度有一定的要求。根据实践经验，摄像机拍摄角度不同会使靶标圆点在摄像机内出现三种成像角度类型：直线型、锐角型、钝角型，分别如图3、4、5所示。根据线结构光成像模型，需要非共线标定点，否则无法解出系统参数，所以图3所示直线型是不可取的。根据图像坐标的提取规则，如图4所示的锐角型在图像坐标顺序提取时比较复杂，也不可取。图5所示钝角型既可满足非共线的条件，能解出系统参数且顺序提取中心坐标时较方便，即为最佳的成像角度类型。第二结构传感器2由第二摄像机2-1和第二激光器2-2组成。第二激光器2-2投射到标定靶标3的上表面和右表面。第二摄像机2-1采集上表面和右表面的靶标圆点图像。除此之外，其它调整要求与调整第一结构传感器1时一样。

如图6所示，线结构光激光器投射在被测物体表面形成光条，该光条轮廓可表达被测物体的轮廓。为了计算出该被测物体的轮廓，需要得到轮廓光条上各点在空间坐标系中的坐标。通过摄像机采集轮廓光条的图像，可以直接提取出光条上各点对应像点在图像坐标系中的坐标，如何得到空间坐标系与图像坐标系之间的转换关系，需要建立线结构光视觉测量模型。

根据线结构光视觉传感器透视投影变换模型并结合轮廓测量原理，建立如图6所示的线结构光视觉测量模型。为图像坐标系，为摄像机坐标系，x _c轴和y _c轴分别平行于u轴和v轴且方向相同，z _c轴与摄像机镜头主光轴重合。为空间坐标系，所在平面与线结构光光平面重合，则Z _W方向垂直于光平面（测量平面）。

设光条上任意一点p，在图像平面上的对应像点为p'，根据摄像机针孔成像及透视投影变换原理，摄像机的透视投影成像模型可做如下描述：

（1）

其中，s为比例因子，A为摄像机的内部参数矩阵，α _x，α _y为x，y方向的有效焦距，（u ₀，v ₀）为主点坐标。R为3×3正交旋转矩阵，T为3×1平移矢量。整理上式得：

（2）

由上式得：

（3）

消去s并使参数归一后如式（4）所示，由于激光器的位置不变，对于光平面来时说，Z _w是一固定值，可令，则式（4）简化后如式（5）所示：

（4）

（5）

反求得, （6）

由式（5）、式（6）可知，如果确定了k ₁₁、k ₁₂、k ₁₄、k ₂₁、k ₂₂、k ₂₄、k ₃₁、k ₃₂这8个参数，那么对于任意已知的图像坐标（u，v）都可以通过上式求得空间坐标（X _W，Y _W），反之也成立。

按照图1所示装置总装图调整第一摄像机1-1和第二摄像机2-1，使所有靶标圆点3-2在其视野内按图5所示角度呈全像。在第一摄像机1-1中所成的图像是以下表面和左表面所成直角为中心所有15个靶标圆点的靶标图像1。在第二摄像机2-1中所成的图像是以上表面和右表面所成直角为中心的所有15个靶标圆点的靶标图像2。经图像预处理并提取靶标特征圆点的中心坐标后分别如图7、图8所示。

提取的点数据作为各自对应的摄像机标定所需的标定点，即线结构光传感器数学模型中的已知图像坐标点（u，v）。以标定靶标中心为原点建立世界坐标系O _W X _W Y _W Z _W，便已知每组靶标特征圆点中心的空间坐标（X _W，Y _W）。根据线结构光视觉传感器数学模型可知有8个未知系统参数，需要至少4个非共线对应点，本文采用的标定靶标可获得15个非共线对应点，利用最小二乘拟合法解线性非齐次超定方程组便可计算出系统参数。

由式（4）可得到如下两个方程：

(7)

(8)

由标定靶标提供的15个标定点的空间坐标(X _Wi，Y _Wi) 及其对应的像面坐标(u _i，v _i)(i=1，2，…，15)，可以得到如下30个方程组成的非齐次线性方程组

AX=B (9)

式中

利用最小二乘法可以求出上述方程组的8个解，即是要标定的8个系统参数，试验的一组标定结果如表1所示，根据式（6）已知光条图像坐标即可计算出光条的空间坐标，进一步拟合出光条的轮廓。

表1 标定结果

	k ₁₁	k ₁₂	k ₁₄	k ₂₁	k ₂₂	k ₂₄	k ₃₁	k ₃₂
									第二摄像机	0.3899	3.6862	759.6700	3.6451	-0.0870	519.4754	0.0009	0.0006
第一摄像机	-0.5347	1.9063	586.2557	2.8915	-1.0748	517.6009	-0.0004	-0.0011

选用截面近似为正方形的被测试验件，根据光条图像坐标而计算拟合出的被测轮廓如图9所示，由观察可知计算所得轮廓和被测实验件的实际轮廓是一致的。

Claims

1.一种视觉传感器现场标定装置，由第一结构传感器（1）、第二结构传感器（2）和标定靶标（3）三部分组成，其特征在于：标定靶标（3）置于测量现场的测量工位，第一结构传感器（1）置于标定靶标（3）的左下方，第二结构传感器（2）置于标定靶标（3）的右上方，标定靶标（3）的主体结构为一个扁平的方框靶体（3-1），在方框靶体（3-1）的四个长方形表面的长轴上面按要求布置若干个靶标圆点（3-2），所有的靶标圆点（3-2）形成一个测量平面，标定靶标（3）的主体部分方框靶体（3-1）由相互垂直的四个刚性平面和两个相互平行的正方形平面构成，所有靶标圆点的中心在同一个平面内且与方框靶体（3-1）的底面垂直；第一结构传感器（1）由第一摄像机（1-1）和第一激光器（1-2）组成，第一激光器（1-2）激光光条所在平面与标定靶标（3）的左表面和下表面上所有靶标圆点所在平面一致，第一摄像机（1-1）保证靶标的左表面和下表面上的靶标圆点在其内成全像，并且成像角度为钝角型；第二结构传感器（2）由第二摄像机（2-1）和第二激光器（2-2）组成，第二激光器（2-2）投射到标定靶标（3）的上表面和右表面，第二摄像机（2-1）采集上表面和右表面的靶标圆点图像。

2.根据权利要求1所述视觉传感器现场标定装置进行现场标定的方法，其特征在于该方法步骤如下：首先调整第一摄像机（1-1）和第二摄像机（2-1），使所有靶标圆点（3-2）在其视野内按特定角度呈全像；在第一摄像机（1-1）中所成的图像是以下表面和左表面所成直角为中心所有靶标圆点的靶标图像；在第二摄像机（2-1）中所成的图像是以上表面和右表面所成直角为中心的所有靶标圆点的靶标图像；经图像预处理并提取靶标特征圆点的中心坐标；提取的点数据作为各自对应的摄像机标定所需的标定点，以标定靶标中心为原点建立世界坐标系，便已知每组靶标特征圆点中心的空间坐标；通过标定靶标获得的非共线对应点，利用最小二乘拟合法解线性非齐次超定方程组计算出系统参数，从而实现视觉传感器的现场标定。