CN106403838A - 一种手持式线结构光视觉三维扫描仪的现场标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于视觉测量领域，具体涉及一种手持式线结构光视觉三维扫描仪的现场标定方法。具体包括以下步骤：步骤一、获得左相机、右相机的畸变矩阵M_1L和M_1R；步骤二、标定右相机相对于左相机的外参矩阵；步骤三、世界坐标系下测量点P点坐标X_wp，Y_wp，Z_wp。此方法利用手持式扫描仪的双目测量系统与结构光测量系统共用同一个相机的结构特点，由双目测量系统为结构光平面标定提供标准，在不借助其他任何高精度标定设备的情况下实现结构光平面标定。该方法标定流程简单，快速，同时保证了测量的精度，适用于手持式线结构光视觉三维扫描仪应用的现场标定。应用效果显示所有特征点到平面的距离平均值为小于0.05mm，说明系统具有较高的标定精度。

Description

一种手持式线结构光视觉三维扫描仪的现场标定方法

技术领域

本发明属于视觉测量领域，具体涉及一种手持式线结构光视觉三维扫描仪的现场标定方法。

背景技术

产品的数字化是实施逆向工程中首要而关键的一步，数据采集的效率和质量直接影响着后续逆向工程内容的展开。手持式结构光视觉三维扫描系统因为具有便携性和自定位功能而带来更广泛的应用，其运行时只需在被测物上粘贴若干个标志点，手持扫描仪如同刷油漆一样，扑捉物体的表面形状，加速和简化了扫描处理，特别适用于各种工件和装配的设计、制造和检测。

手持式线结构光视觉三维扫描仪的基本原理是利用双相机间的空间约束关系，解算粘贴在被测物上的标志点的三维坐标，而标志点的空间位置不变性又为双相机反解自身当前位置提供了约束条件，从而实现扫描仪自定位，双相机间的空间约束关系通过相机参数标定获取；高密度点云的获取由左相机实现，其图像采集是一种空间三维信息到二维信息的转换，所以单纯的从图像中无法获取物体的三维坐标信息，因此引入结构光平面方程约束条件，再对空间三维坐标进行求解，而光平面方程通过结构光标定获取。

可见，相机系统与线结构光的标定是该类仪器研制过程中的关键。目前，线结构光视觉测量标定技术主要包含两步：相机标定、结构光平面结构参数标定，其中相机标定是结构光平面结构参数标定的前提。相机标定包括左右相机的内参数(畸变参数)标定和外参数(位置参数)标定，常用的标定方法有：传统标定方法、自标定方法、主动视觉标定方法，以及介于传统标定方法和自标定方法之间的平面标定方法等，该技术在国内外均比较成熟。

光平面的标定是指在摄像机内外参数已精确标定的前提下，通过解算光平面上特征点的空间三维坐标，利用这些特征点三维坐标确定光平面在参考坐标系中的位置结构参数即光平面的方程的过程。光平面的标定方法目前主要有拉丝法、齿形靶标法、基于交比不变性的方法和2D(3D立体)靶标法等方法。但上述方法均需要通过其他精密调整和测量机构获取光平面中的一些特征点来对结构光平面进行标定。如拉丝法需要采用其他的三维坐标测量手段〔如经纬仪等)测量细丝与光平面交点坐标；齿形靶标法需要通过精密调整使得结构光平面与齿形靶标棱线垂直后才能对光平面进行标定。

以上常用的结构光平面标定方法标定过程比较复杂，工作量比较大，成本较高。为了能够快速，简便的标定出光平面的结构参数，亟需一种标定方法，简单易操作，同时保证了测量的精度，适用于手持式线结构光视觉三维扫描仪应用的现场标定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种手持式线结构光视觉三维扫描仪的现场标定方法，简化手持式线结构光视觉三维扫描仪结构光平面的标定流程，提高速度，降低成本。

为解决上述技术问题，本发明一种手持式线结构光视觉三维扫描仪的现场标定方法，具体包括以下步骤：

步骤一、分别对左相机、右相机的内参进行标定：采用平面标定法，根据畸变模型解算获得左相机、右相机的畸变矩阵M_1L和M_1R；

步骤二、标定右相机相对于左相机的外参矩阵：同样采用平面标定法，将标定板摆放在双相机的公共视野范围内的不同位置获取多幅标定板图像，根据双目测量模型解算右相机相对于左相机的外参矩阵M_R2L；

步骤三、经过上述两个步骤左相机和右相机已经构成了双目测量系统，由步骤一中的畸变矩阵M_1L和M_1R和步骤二中的外参矩阵M_R2L，利用双目解算模型，使用手持式线结构光视觉三维扫描仪沿条纹方向对条纹平板进行扫描，由双目测量系统对条纹与线结构光交点进行提取和测量，获取n个结构光平面上的特征点坐标(X_di，Y_di，Z_di)，(i＝0，1，…n-1)，计算得到平面参数A，B，D的数值，进而可以实现坐标的扫描测量，解算得到世界坐标系下测量点P点坐标X_wp，Y_wp，Z_wp。

所述的步骤三中，n≥3。

所述的步骤三中平面参数A，B，D的数值的计算方法为，采用最小二乘法拟合，得出平面的结构参数通过这些特征点拟合出光平面的平面方程，必须满足：

最小。

所述的步骤三中，X_wp，Y_wp，Z_wp的计算采用下式计算，其中Z_wp＝AX_wp+BY_wp+D，

M_1L左相机的畸变矩阵；

M_2L为像机外参矩阵；

(u，v)为左相机像素坐标系下坐标；

ρ＝Z_Lp为左相机坐标系下z坐标。

本发明的有益技术效果在于：此方法利用手持式扫描仪的双目测量系统与结构光测量系统共用同一个相机的结构特点，由双目测量系统为结构光平面标定提供标准，在不借助其他任何高精度标定设备的情况下实现结构光平面标定。该方法标定流程简单，快速，同时保证了测量的精度，适用于手持式线结构光视觉三维扫描仪应用的现场标定。应用效果显示所有特征点到平面的距离平均值为小于0.05mm，说明系统具有较高的的标定精度。

附图说明

图1为本发明所提供的手持式线结构光视觉三维扫描仪的空间几何测量模型示意图；

图中：1为世界坐标系；2为左相机像素坐标系；3为线结构光与条纹交点；4为条纹平板；5为线结构光；6为右相机坐标系；7为左相机像面坐标系；8为左相机坐标系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明一种手持式线结构光视觉三维扫描仪的现场标定方法，如图1为手持式线结构光视觉三维扫描仪的空间几何测量模型，其中主要包含了5个坐标系：世界坐标系(X_w，Y_w，Z_w)，双目系统测量坐标系(X_d，Y_d，Z_d)，左相机像面坐标系(x，y)，左相机像素坐标系(u，v)，以及左相机坐标系(X_L，Y_L，Z_L)，且左相机机坐标系Z_L轴与相机自身光轴重合。O_LO₁两点间距离是相机的有效焦距f_c。手持式线结构光视觉三维扫描仪的双目测量系统与结构光测量系统共用同一个相机，即左相机，故双目系统测量坐标系(X_d，Y_d，Z_d)与左相机坐标系(X_L，Y_L，Z_L)重合。对于被测对象表面某一个特征点P，其在世界坐标系与左相机坐标系中的坐标分别用[X_wp，Y_wp，Z_wp]与[X_Lp，Y_Lp，Z_Lp]来表示，由相机成像模型我们能够推导出左相机像素坐标系与世界坐标系之间的坐标转换关系，如下式所示：

式中：f_c是左相机机的有效焦距，ρ＝Z_Lp。S_x，S_y分别是左相机每一个象素点矩形长和宽的物理尺寸大小。(u₀,v₀)是左相机光轴与成像平面的交点的像素坐标，也是图像的实际中心点位置。M_1L完全由f_c，S_x，S_y，u₀，v₀决定，M_1L与相机硬件结构和加工制造误差有很大关系，称之为内参数矩阵，M_2L完全由R，T所决定，R，T是左相机相对于世界坐标系旋转和平移变化参数矩阵，称为像机外参矩阵，通常M_2L＝E，为单位矩阵，M＝M_1LM_2L，M为3*4矩阵，称为投影矩阵，相机的内外参数可通过像机标定技术标定出来。

从上式可以看出，式中包含有ρ，X_wp，Y_wp，Z_wp四个未知数，已知图像坐标(u，v)的情况下是无法求解空间三维坐标(X_w，Y_w，Z_w)，因此引入约束条件Z_w＝f(X_w，Y_w)即结构光平面方程，再对空间三维坐标进行求解。设线结构光平面方程为：

Z_wp＝AX_wp+BY_wp+D

则

本发明具体包括以下步骤：

步骤一、分别对左相机、右相机的内参进行标定：采用平面标定法，将标定板摆放在相机视野范围内不同位置获取多幅标定板图像，并且使标定板能够覆盖机的全部视野范围，不同的图像坐标位置摄像机镜头的畸变不同，根据畸变模型解算获得左相机、右相机的畸变矩阵M_1L和M_1R；

步骤二、标定右相机相对于左相机的外参矩阵：同样采用平面标定法，将标定板摆放在双相机的公共视野范围内的不同位置获取多幅标定板图像，根据双目测量模型解算右相机相对于左相机的外参矩阵M_R2L；

步骤三、经过上述两个步骤左相机和右相机已经构成了双目测量系统，由步骤一中的畸变矩阵M_1L和M_1R和步骤二中的外参矩阵M_R2L，利用双目解算模型，能够实现在其公共视野所见范围内空间三维点坐标的测量，本发明即利用这一特点，由双目测量系统为结构光平面标定提供标准，无需借助其他测量标准，由于手持式线结构光视觉三维扫描仪的双目测量系统与结构光测量系统共用同一个相机，即左相机，两测量系统的测量坐标系重合，故双目系统测量坐标系(X_d，Y_d，Z_d)与左相机坐标系(X_L，Y_L，Z_L)重合，当采用双目测量系统提供标准时，测量结果均建立在双目系统测量坐标系(X_d，Y_d，Z_d)下，即世界坐标系(X_w，Y_w，Z_w)与双目系统测量坐标系(X_d，Y_d，Z_d)重合，且像机相对于世界坐标系的外参矩阵为E，线结构光平面方程为可转换为：

Z_dp＝AX_dp+BY_dp+D

其中：X_dp，Y_dp，Z_dp为P点在双目坐标系的三维坐标；A，B，D为平面参数；

根据空间几何学可知：空间中不共线的三点可以解算出一个光平面的方程，因此我们只需要获取线结构光平面内不共线的三点或三点以上的特征点坐标就可以拟合出光平面的结构参数，只要知道特征点在双目测量坐标系中的线结构光面上的点坐标，即可求解结构光平面方程；

使用手持式线结构光视觉三维扫描仪沿条纹方向对条纹平板进行扫描，由双目测量系统对条纹与线结构光交点进行提取和测量，为了提高解算精度，将条纹平板放置在与手持式线结构光视觉三维扫描仪不同距离处多次扫描，获取n个结构光平面上的点坐标，n≥3，为了提高光平面结构参数的正确性，使取到的点更具有代表性，首先对所测得的点坐标进行直线拟合，在拟合直线上在重新选取n个特征点(X_di，Y_di，Z_di)，(i＝0，1，…n-1)，对平面进行最小二乘法拟合，得出平面的结构参数通过这些特征点拟合出光平面的平面方程，必须满足：

最小，计算得到平面参数A，B，D的数值，利用下式可以实现坐标的扫描测量，解算得到世界坐标系下测量点P点坐标X_wp，Y_wp，Z_wp，其中Z_wp＝AX_wp+BY_wp+D，

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (4)

1.一种手持式线结构光视觉三维扫描仪的现场标定方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、分别对左相机、右相机的内参进行标定：采用平面标定法，根据畸变模型解算获得左相机、右相机的畸变矩阵M_1L和M_1R；

步骤二、标定右相机相对于左相机的外参矩阵：同样采用平面标定法，将标定板摆放在双相机的公共视野范围内的不同位置获取多幅标定板图像，根据双目测量模型解算右相机相对于左相机的外参矩阵M_R2L；

步骤三、经过上述两个步骤左相机和右相机已经构成了双目测量系统，由步骤一中的畸变矩阵M_1L和M_1R和步骤二中的外参矩阵M_R2L，利用双目解算模型，使用手持式线结构光视觉三维扫描仪沿条纹方向对条纹平板进行扫描，由双目测量系统对条纹与线结构光交点进行提取和测量，获取n个结构光平面上的特征点坐标(X_di，Y_di，Z_di)，(i＝0，1，…n-1)，计算得到平面参数A，B，D的数值，进而可以实现坐标的扫描测量，解算得到世界坐标系下测量点P点坐标X_wp，Y_wp，Z_wp。

2.根据权利要求1所述的一种手持式线结构光视觉三维扫描仪的现场标定方法，其特征在于：所述的步骤三中，n≥3。

3.根据权利要求2所述的一种手持式线结构光视觉三维扫描仪的现场标定方法，其特征在于：所述的步骤三中平面参数A，B，D的数值的计算方法为，采用最小二乘法拟合，得出平面的结构参数通过这些特征点拟合出光平面的平面方程，必须满足：

$S=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Σ}}{({\mathrm{AX}}_{di}+{\mathrm{BY}}_{di}+D-Z_{di})}^2$

最小。

4.根据权利要求3所述的一种手持式线结构光视觉三维扫描仪的现场标定方法，其特征在于：所述的步骤三中，X_wp，Y_wp，Z_wp的计算采用下式计算，其中Z_wp＝AX_wp+BY_wp+D，

$\mathrm{\ρ}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=M_{1L}{M}_{2L}\left[\begin{array}{c}{X}_{WP}\\ Y_{WP}\\ {\mathrm{AX}}_{WP}+{\mathrm{BY}}_{WP}+D\\ 1\end{array}\right],$

M_1L左相机的畸变矩阵；

M_2L为像机外参矩阵；

(u，v)为左相机像素坐标系下坐标；

ρ＝Z_Lp为左相机坐标系下z坐标。