CN106949845A - 基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统，包括激光振镜系统以及标定装置；所述的标定装置为一个直线位移系统以及一个双目立体视觉系统；本发明还公开了一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统的标定方法，通过借助人工神经网络算法构建具体的输入数字量信号与其对应的激光束在双目系统坐标系下的方向与位置向量之间的映射关系，从而完成激光振镜系统的标定，该标定方法无需复杂的振镜系统物理参数建模过程，标定结果精度高、可靠性强，并且可以运用在激光定位投影、物体表面三维形貌测量等各种不同的基于振镜系统的实际应用中。

Description

基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统及标定方法

技术领域

本发明属于振镜扫描系统标定技术领域，具体指基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统及标定方法。

背景技术

随着激光扫描振镜制造技术的不断发展，振镜的定位精度、重复精度和扫描速度都有了很大的提高，因此激光振镜在许多领域都有着广泛的应用，例如激光加工、激光投影、激光三维测量、激光医疗美容等。通常激光振镜扫描系统在使用前都需要对它进行标定，即建立振镜扫描头的偏转量与激光束在扫描对象表面形成的光斑坐标之间的关系。目前大多数振镜系统标定方法通过建立振镜的物理模型，并求解该模型中的物理参数来达到振镜系统标定的目的。由于振镜扫描系统的实际构造较为复杂，误差来源较多，振镜的物理模型往往很难充分表达各种误差因素，造成标定精度不高。而为了尽量充分地表达振镜中的几何关系和各种可能的误差因素，会导致建立的振镜系统模型中包含较多的物理参数，参数的数量过多会使得最后的模型参数优化求解过程容易陷入局部最优解，从而影响标定结果的可靠性。因此，省去复杂的振镜物理建模过程，建立精度高、稳定性好的标定方法一直是本领域技术人员待解决的技术难题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出了基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统及标定方法，本发明的方法直接采用人工神经网络建立输入数字信号与对应的出射激光束方位向量之间的映射关系，无需复杂的振镜系统物理参数建模过程，标定结果精度高、可靠性强，并且可以运用在激光定位投影、物体表面三维形貌测量等各种不同的基于振镜系统的实际应用中。

本发明是这样实现的，一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统，其特征在于，包括激光振镜系统以及标定装置；所述的标定装置为一个直线位移系统以及一个双目立体视觉系统；

所述的激光振镜系统包括一个激光扫描振镜、一个激光发射器、一个控制板卡、一个电脑主机，其中控制板卡插在电脑主机的主板上使用；

所述的直线位移系统包括一个步进电机、一个直线导轨、一个滑块、一块平板、控制器、与振镜扫描系统共用的电脑主机；

所述的双目立体视觉系统包括左、右两个工业相机，分别为左相机，右相机、与振镜扫描系统共用的电脑主机，其中左右相机通过相机固定装置事先固定好。

本发明还公开了一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统的标定方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，保持双目立体视觉系统与振镜扫描系统位置关系不变，利用双目立体视觉系统拍摄激光束在每一个平板位置上形成的激光光斑点阵图像；

步骤二，获得光斑点阵中每个光斑中心在双目立体视觉系统坐标系下的空间坐标；

步骤三，将每个平板位置上的光斑点阵中，对应于同一条激光束的光斑中心空间坐标进行直线拟合，获得每条激光束在双目系统坐标系下的方向与位置向量；

步骤四，借助人工神经网络算法，构建具体的输入数字控制信号与其对应的激光束在双目系统坐标系下的方向与位置向量之间的映射关系，完成激光振镜系统的标定。

进一步，所述的步骤一具体如下：

1.1，保持双目立体视觉系统与激光振镜系统的位置关系不变，通过向激光振镜系统输入数字控制信号，使得激光振镜系统在双目立体视觉系统的视场中投射出一批激光束；

1.2，将直线位移系统中的一块平板竖直安装在直线导轨的滑块上，再把该直线导轨放置在激光束投射覆盖区域内；

1.3，借助步进电机驱动直线导轨上的滑块带动上面的平板在直线导轨上的N个不同的位置做停留；

1.4，控制激光振镜系统投射出M条激光束，在平板上形成具有个M个光斑的光斑点阵，同时控制双目立体视觉系统拍摄平板上形成的光斑点阵，记平板处于第i个位置处左相机拍摄的图像为右相机拍摄的图像为i＝1，2，…N。

进一步，所述的步骤二具体如下：

2.1，提取采集到的光斑点阵图像中的每个光斑中心的图像坐标，记第k个输入数字控制信号d_k在图像中对应的光斑中心图像坐标为在图像中对应的光斑中心图像坐标为

2.2，根据光斑中心图像坐标与标定好的双目视觉系统参数，应用三角测量原理得到第i个位置处平板上的光斑点阵中第k个数字控制信号d_k对应的光斑中心在双目系统坐标系下的空间坐标

进一步，所述的步骤三具体为：

将第k个数字控制信号d_k，k＝1，2，…M，对应的N个光斑中心i＝1，2，…N，拟合成一条空间直线，得到d_k对应的激光束的方位向量 其中，向量V^k前三项代表激光束的方向向量，后三项代表激光束的位置向量。

进一步，所述的步骤四具体如下：

4.1，利用第d_k条激光束在双目系统坐标系中的方向与位置向量V^k与对应的振镜系统数字控制信号d_k分别作为训练数据的输出、输入数据集；

4.2，然后再通过前馈神经网络的学习算法极限学习机求解单隐层前馈神经的网络结构参数输入权重w、输出权重β以及偏置b；

4.3，参数求解完成后便建立了输入数字量信号与对应的出射激光束在双目系统坐标系下的方位向量的映射关系，这个一般的映射关系即为系统标定结果，由此映射关系对于某个具体的输入数字量信号可以得到它对应的激光束在双目系统坐标系下的方位向量，即得到数字控制信号d_k所对应的出射激光束向量V^k，此时的映射关系即为系统标定结果。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

(1)本发明借助人工神经网络算法构建具体的输入数字量信号与其对应的激光束在双目系统坐标系下的方向与位置向量之间的映射关系，从而完成激光振镜系统的标定；

(2)本发明提出的振镜系统标定方法无需复杂的振镜系统物理参数建模过程，标定结果精度高、可靠性强，并且可以运用在激光定位投影、物体表面三维形貌测量等各种不同的基于振镜系统的实际应用中；

(3)基于本发明的标定结果，既可以在已知输入振镜控制信号的情况下，结合视觉系统得到出射激光束在扫描对象表面形成的光斑坐标，从而实现激光三维扫描测量；亦可以根据指定光斑中心坐标，方便地求解出相应的振镜控制信号，实现激光三维扫描投影，其标定结果具有更加广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统的系统结构示意图；

图2为本发明基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统的振镜扫描系统标定方法原理的示意图；

图3为本发明的双目系统坐标系下出射激光束的方位向量与对应的数字控制信号之间映射关系的单隐层前馈神经网络结构示意图；

图4为本发明的双目立体视觉的振镜扫描系统标定方法的步骤流程图；

图5为本发明基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统标定方法的实施例中的黑色目标圆形阵列；

图6为本发明基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统标定方法的实施例中的四个不同位置的黑色目标圆形阵列。

具体实施方式

本发明提供一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统及标定方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的振镜扫描系统标定方法是通过确定某个具体的二维输入数字量信号与对应的系统发射出的激光束在双目系统坐标系下的方位向量之间的映射关系来达到完成振镜扫描系统标定的目的。

如图1所示，本发明的基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统，包括激光振镜系统以及标定装置；所述的标定装置为一个直线位移系统以及一个双目立体视觉系统；

所述的激光振镜系统包含所述的激光振镜系统包括一个激光扫描振镜、一个激光发射器、一个控制板卡、一个电脑主机。电脑主机提供的信号通过激光扫描振镜自带的驱动放大器驱动振镜上的两光学反射镜偏转，从而控制激光发射器发出的激光束的出射角度。标定所用的装置包括一个直线位移系统和一个双目立体视觉系统。其中直线位移系统包含一个步进电机、一个直线导轨、一个滑块、一块平板、控制器、电脑主机(与振镜扫描系统共用)。双目视觉测量系统包含左右两个工业相机，分别为左相机、右相机，通过相机固定装置固定、电脑主机(与振镜扫描系统共用一个)。直线运动系统负责使竖直安装在直线导轨上的平板做直线运动，双目视觉测量系统用于拍摄激光振镜系统投射到平板上的激光光斑点阵图像，并进而计算出光斑中心的三维坐标，为振镜扫描系统提供标定所需数据。

如图2～4所示，本发明一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统的标定方法，具体步骤如下：

步骤一：保持双目立体视觉系统与激光振镜系统的位置关系不变，通过向激光振镜系统输入数字控制信号，使得激光振镜系统在双目立体视觉系统的视场中投射出一批激光束；将直线位移系统中的一块平板竖直安装在直线导轨的滑块上，再把该直线导轨放置在激光束投射覆盖区域内；借助步进电机驱动直线导轨上的滑块带动上面的平板在直线导轨上的N个不同的位置做停留。控制直线位移系统使得平板在双目系统视场中的N个不同的位置做停留，控制激光振镜系统投射出M条激光束，在平板上形成具有个M个光斑的光斑点阵，同时控制双目系统拍摄平板上形成的光斑点阵，记平板处于第i个位置处左相机拍摄的图像为右相机拍摄的图像为i＝1，2，…N；

步骤二：提取采集到的光斑点阵图像中的每个光斑中心的图像坐标，记第k个输入数字控制信号d_k在图像中对应的光斑中心图像坐标为在图像中对应的光斑中心图像坐标为

根据图像与图像中的光斑中心图像坐标与标定好的双目视觉系统参数，应用三角测量原理得到第i个位置处平板上的光斑点阵中第k个数字控制信号d_k对应的光斑中心在双目系统坐标系下的空间坐标

步骤三：将第k个数字控制信号d_k，k＝1，2，…M，对应的N个光斑中心i＝1，2，…N，拟合成一条空间直线，得到d_k对应的激光束的方位向量向量V^k前三项代表激光束的方向向量，后三项代表激光束的位置向量；

步骤四：利用上述步骤求取的数字控制信号d_k所对应的出射激光束向量V^k，借助人工神经网络算法，构建出输入数字量信号与对应的出射激光束在双目系统坐标系下的方位向量之间的一般映射关系，由此映射关系对于某个具体的输入数字量信号即得到与之对应的激光束在双目系统坐标系下的方位向量。

如图3所示，本发明的算法具体为构建单隐层前馈神经网络来描述这二者的映射关系，利用第k条激光束在双目系统坐标系中的方向与位置向量V^k与对应的振镜系统数字控制信号d_k分别作为训练数据的输出、输入数据集，然后再通过一种前馈神经网络的学习算法极限学习机来求解单隐层前馈神经的网络结构参数输入权重w、输出权重β以及偏置b，参数求解完成后便建立了输入数字量信号与对应的出射激光束在双目系统坐标系下的方位向量的映射关系D_g→V，这个一般的映射关系即为系统标定结果，由此映射关系对于某个具体的输入数字量信号可以得到它对应的激光束在双目系统坐标系下的方位向量。

具体地，在某个具体标定过程中，输入了900个输入数字控制信号，因此可采样得到M＝900条出射光射线的向量。对应的具体神经网络结构参数如下：

通过上述神经网络结构参数可以得到具体的映射关系D_g→V，此时系统标定完成。应用该标定结果可以控制激光振镜扫描系统将激光束投射到双目视觉系统某个具体空间坐标位置上。如图5所示，在双目系统视场中放置一个打印好的黑色目标圆形阵列，通过提取两相机中黑色目标圆形的圆心图像坐标可以在双目系统坐标系下获得高精度的黑色目标圆形圆心空间坐标(精度普遍可达到0.1mm)。根据标定好的结果与上述圆心空间坐标可以控制激光振镜扫描系统将激光束投射到这些圆心上，通过比较圆心坐标O1与激光束投射到这些圆心上形成的光斑中心坐标O2相差的距离d，可以验证系统标定结果的准确性。

如图6所示，在双目系统视场中的四个不同位置分别放置打印好的黑色目标圆形阵列，其中6(a)距离激光振镜扫描系统3m，6(b)为2.5m，6(c)为3.5m，6(d)为4.1m。利用系统标定结果在这四个不同投射距离处将激光束投射到对应的目标圆形中心上，并且分别计算出每幅图中所有光斑中心与对应目标圆中心的一个整体中心距均方根误差，误差值如表1所示。

表1光斑中心与对应目标圆中心的一个整体中心距均方根误差

表一的数据表明，虽然不同位置因双目系统景深的影响而导致的投射精度产生差异，但是在一个纵深1.6m的区域内，投射的平均精度仍然较高，这充分表明本发明所提出的激光振镜扫描系统标定算法得到的标定结果精度高，并且标定结果的可适用纵深区域广。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统，其特征在于，包括激光振镜系统以及标定装置；所述的标定装置为一个直线位移系统以及一个双目立体视觉系统；

所述的激光振镜系统包括一个激光扫描振镜、一个激光发射器、一个控制板卡、一个电脑主机；

所述的直线位移系统包括一个步进电机、一个直线导轨、一个滑块、一块平板、控制器、与振镜扫描系统共用的电脑主机；

所述的双目立体视觉系统包括左、右两个工业相机、与振镜扫描系统共用的电脑主机。

2.一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统的标定方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，保持双目立体视觉系统与振镜扫描系统位置关系不变，利用双目立体视觉系统拍摄激光束在每一个平板位置上形成的激光光斑点阵图像；

步骤二，获得光斑点阵中每个光斑中心在双目立体视觉系统坐标系下的空间坐标；

步骤三，将每个平板位置上的光斑点阵中，对应于同一条激光束的光斑中心空间坐标进行直线拟合，获得每条激光束在双目系统坐标系下的方向与位置向量；

步骤四，借助人工神经网络算法，构建输入数字控制信号与其对应的激光束在双目系统坐标系下的方向与位置向量之间的映射关系，完成激光振镜系统的标定。

3.根据权利要求2所述的一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统的标定方法，其特征在于，所述的步骤一具体如下：

1.1，保持双目立体视觉系统与激光振镜系统的位置关系不变，通过向激光振镜系统输入数字控制信号，使得激光振镜系统在双目立体视觉系统的视场中投射出一批激光束；

1.2，将直线位移系统中的一块平板竖直安装在直线导轨的滑块上，再把该直线导轨放置在激光束投射覆盖区域内；

1.3，借助步进电机驱动直线导轨上的滑块带动上面的平板在直线导轨上的N个不同的位置做停留；

1.4，控制激光振镜系统投射出M条激光束，在平板上形成具有个M个光斑的光斑点阵，同时控制双目立体视觉系统拍摄平板上形成的光斑点阵，记平板处于第i个位置处左相机拍摄的图像为右相机拍摄的图像为i＝1，2，…N。

4.根据权利要求3所述的一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统的标定方法，其特征在于，所述的步骤二具体如下：

2.1，提取采集到的光斑点阵图像中的每个光斑中心的图像坐标，记第k个输入数字控制信号d_k在图像中对应的光斑中心图像坐标为在图像中对应的光斑中心图像坐标为

2.2，根据光斑中心图像坐标与标定好的双目视觉系统参数，应用三角测量原理得到第i个位置处平板上的光斑点阵中第k个数字控制信号d_k对应的光斑中心在双目系统坐标系下的空间坐标

5.根据权利要求4所述的一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统的标定方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：

将第k个数字控制信号d_k，k＝1，2，…M，对应的N个光斑中心i＝1，2，…N，拟合成一条空间直线，得到d_k对应的激光束的方位向量其中，向量V^k前三项代表激光束的方向向量，后三项代表激光束的位置向量。

6.根据根据权利要求5所述的一种基于双目立体视觉的二维激光振镜扫描系统的标定方法，其特征在于，所述的步骤四具体如下：

4.1，利用第d_k条激光束在双目系统坐标系中的方向与位置向量V^k与对应的振镜系统数字控制信号d_k分别作为训练数据的输出、输入数据集；

4.2，然后再通过前馈神经网络的学习算法极限学习机求解单隐层前馈神经的网络结构参数输入权重w、输出权重β以及偏置b；

4.3，参数求解完成后便建立了输入数字量信号D_g与对应的出射激光束在双目系统坐标系下的方位向量V的映射关系，此映射关系即为系统标定结果，由此映射关系对于某个具体的输入数字量信号可以得到它对应的激光束在双目系统坐标系下的方位向量。