CN108288293A - 一种基于线结构光的标定方法 - Google Patents

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蒋晓明
朱玉龙
张理
阮扬
阮一扬
盘翠林
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    • G06T7/80—Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration

Abstract

本发明公开一种基于线结构光的标定方法，所述基于线结构光的标定方法采用相机、棋盘格标定板、激光器等设备，将所述棋盘格标定板位于所述相机的视场内，所述激光器发出的激光位于所述棋盘格标定板内；本发明通过设置的标定方法可进行一键标定，标定原理简单、可用于工业现场标定，降低了标定过程中的复杂度，提高了标定效率、标定速度及实用性。

Description

一种基于线结构光的标定方法
技术领域
本发明涉及相机标定领域，具体涉及一种基于线结构光的标定方法。
背景技术
标定是机器视觉中最基础也是最重要的部分，是从二维空间映射到三维空间的基础，而三维重建是机器视觉中重要的内容，其利用双目视觉进行三维重建的比较常见，其结构相对双目重建复杂一点，但是其精度比较高，常用于工业产品中各种缺陷检测或高精度表面重建环境。
在利用单目视觉机加线激光进行三维重建方法中，相机内外参数的标定和线激光位置的标定极其重要，这些参数直接影响到之后三维重建效果的好坏。基于单目视觉机加线激光标定的方法主要分为三维标定和二维标定。在三维标定中，需要制作高精度的三维靶标，存在加工难度大、费用高等缺点，未能在生产实际中广泛应用。在二维平面标定中，二维平面标定板的制作虽然简单，但其缺点在于需要多次摆放标定板，多次求取旋转平移矩阵，标定过程过于繁琐，计算量大。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于线结构光的标定方法，所述基于线结构光的标定方法包括步骤：
S1，将棋盘格标定板设置于相机的视场内，激光器发出的激光位于所述棋盘格标定板内；建立图像坐标系oxyz，所述图像坐标系的原点o为所述相机传感器的中心；建立相机坐标系OXYZ，所述相机坐标系的原点O为所述相机的光心，所述相机坐标系与所述图像坐标系共Z轴方向；建立世界坐标系OwXwYwZw(XW,YW,ZW)；并对所述相机进行内外参数标定；
S2，利用所述相机采集由所述激光器打在所述棋盘格标定板内的所述激光，提取出若干所述离散点坐标；
S3，所述离散点坐标分别与所述图像坐标系原点连线确定若干直线方程；
S4，所述直线方程与由所述相机外参确定的棋盘格平面方程联立求解确定出所述离散点在所述相机坐标系下的三维坐标；
S5，将所述激光器旋转角度并重复步骤S2-S4；
S6，重复步骤S5二次以上，并将所有的所述离散点三维坐标联立求解，拟合出在所述相机坐标系下的结构光平面方程。
较佳的，所述相机的内参方程为
其中，kc为二阶径向畸变系数；r为在所述相机传感器上所述离散点在成像平面的成像点到成像平面原点的距离，(Xf,Yf,1)为所述离散点在所述图像坐标系下的坐标，(X,Y,Z)为所述离散点在所述相机坐标系下的坐标，fc1、fc2、cc1、cc2为所述相机内参参数；
所述相机的外参方程为
其中，(XW,YW,ZW)为所述离散点在所述世界坐标系下的坐标，[nx，ny，nz]为所述世界坐标系的X轴在所述图像坐标系中的方向向量，[ox，oy，oz]为所述世界坐标系的Y轴在所述图像坐标系中的方向向量，[ax，ay，az]为所述世界坐标系的Z轴在所述坐标系中的方向向量，[px，py，pz]为所述世界坐标系的原点在所述图像坐标系中的方向向量。
较佳的，所述激光器发出线激光，由图像处理计算出所述线激光的中心线点坐标，并按300-1000的像素坐标范围随机选定所述线激光上的若干所述离散点坐标。
较佳的，所述激光器发出点阵激光，由图像处理提取出所述点阵激光的所有离散点坐标，将所有所述离散点坐标按300-1000的像素坐标范围随机选定若干所述离散点坐标。
较佳的，所述离散点坐标分别与所述相机坐标系的原点连线确定若干直线方程；
设所述直线方程参数则所述直线方程为，
较佳的，由所述相机外参方程确定出所述棋盘格标定板平面在所述相机坐标系下的平面方程，所述平面方程为
ax(x-px)+ay(y-py)+az(z-pz)＝0
其中，(x,y,z)为所述棋盘格标定板平面上平面点在所述相机坐标系下的坐标。
较佳的，联立所述直线方程和所述平面方程，得出所述离散点在所述相机坐标系下的三维坐标，设为(xwn，ywn，zwn)，n为单次步骤S2中选取的所述离散点坐标数量。
较佳的，所述棋盘格标定板保持不变，调整所述激光器从而变动所述激光打在所述棋盘格标定板上的位置，并重复以上步骤S2-S4若干次，对所取得的所有激光点的三维坐标进行拟合，从而拟合出在所述相机坐标系下的结构光平面方程，
W＝AU+BV+C
其中，A、B、C分别为结构光平面方程参数；(U,V,W)为所述结构光平面上平面点在所述相机坐标系下的坐标。
通过A、B、C参数计算公式，利用最小二乘法便可求出光平面方程参数A、B、C，从而得出在所述相机坐标系下的所述结构光平面方程。
较佳的，所述A、B、C参数计算公式为，
其中，i＝n×m；其中n为单次步骤S2中选取的所述离散点坐标数量；m为步骤S5的次数。
较佳的，所述激光器与所述棋盘格标定板的夹角为30°～60°。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：所述基于线结构光的标定方法可进行一键标定，标定原理简单、可用于工业现场标定，降低了标定过程中的复杂度，提高了标定效率、标定速度及实用性。
附图说明
图1为本发明基于线结构光的标定方法实施例一的示意图；
图2为本发明基于线结构光的标定方法实施例三的示意图。
图中数字表示：
1-相机；2-棋盘格标定板；3-激光器；4-激光。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
如图1所示，图1是本发明基于线结构光标定方法装置的结构图；本发明基于线结构光标定方法的装置包括相机1、棋盘格标定板2、激光器3，所述棋盘格标定板2位于所述相机1的视场内，所述激光器3发出的激光4位于所述棋盘格标定板2内，在本实施例中所述激光4为线激光。
建立图像坐标系oxyz，所述图像坐标系的原点o一般为所述相机1传感器的中心；建立相机坐标系OXYZ，所述相机坐标系的原点O一般为所述相机1的光心，即所述相机1的镜头透镜的中心，所述相机坐标系与所述图像坐标系共Z轴方向，建立世界坐标系OwXwYwZw。
本发明基于线结构光的标定方法包括以下步骤：
S1，对所述相机1进行内外参数标定；
S2，利用所述相机1采集由所述激光器3打在所述棋盘格标定板2内的所述线激光4，所述激光器3与所述棋盘格标定板2的夹角为30°；
S3，由图像处理计算出所述线激光4的中心线点坐标，并按30-1000随机选出10个直线点坐标；
S4，10个直线点的坐标分别与所述图像坐标系原点o连线便可确定10个直线方程；
S5，10个直线方程与由所述相机1的外参确定的棋盘格平面方程联立求解便可确定出这10个直线点的三维坐标；
S6，将所述激光线4旋转一个任意角度并重复以上过程，将所有的点联立求解，便可拟合出结构光平面的方程。
其中，步骤S1具体为，对所述相机1进行标定，对已标定的所述相机1内参、外参均已确定，其中所述相机1的内参方程为，
其中，kc为二阶径向畸变系数；r为在所述相机传感器上所述直线点坐标在成像平面的成像点到成像平面原点的距离，(Xf,Yf,1)为所述直线点坐标在所述图像坐标系下的坐标，(X,Y,Z)为所述直线点坐标在所述相机坐标系下的坐标，fc1、fc2、cc1、cc2为所述相机内参参数。
所述相机1的外参方程为，
其中，(XW,YW,ZW)为所述直线点坐标在所述世界坐标系下的坐标，[nx，ny，nz]为所述世界坐标系的X轴在所述图像坐标系中的方向向量，[ox，oy，oz]为所述世界坐标系的Y轴在所述图像坐标系中的方向向量，[ax，ay，az]为所述世界坐标系的Z轴在所述坐标系中的方向向量，[px，py，pz]为所述世界坐标系的原点在所述图像坐标系中的方向向量。
其中，步骤S4具体为，所述直线点坐标分别与所述相机坐标系的原点连线便可确定10个直线方程。
设则所述直线方程为，
由所述相机外参方程，便可确定出标定板平面在所述相机坐标系下的平面方程，所述平面方程为
ax(x-px)+ay(y-py)+az(z-pz)＝0
其中，(x,y,z)为所述棋盘格标定板平面上平面点所述相机坐标系下的坐标。
联立所述直线方程和所述平面方程，即可求得激光点在所述相机坐标系下的三维坐标，设为(xwn，ywn，zwn)，n为单次步骤S2中选取的所述离散点坐标数量。
所述棋盘格标定板2保持不变，调整所述激光器3从而变动所述线激光4打在所述棋盘格标定板上的位置，并重复以上步骤S2-S6若干次，对所取得的所有激光点的三维坐标进行拟合，从而拟合出在所述相机坐标系下的结构光平面方程，
W＝AU+BV+C
其中，A、B、C分别为结构光平面方程参数；(U,V,W)为所述结构光平面上平面点在所述相机坐标系下的坐标。
通过A、B、C参数计算公式，利用最小二乘法便可求出光平面方程参数A、B、C；其中A、B、C参数计算公式为：
其中，i＝n×m；其中n为单次步骤S2中选取的所述离散点坐标数量；m为步骤S5的次数。
通过本发明基于线结构光的标定方法以及所述标定方法中公式的计算，可进行一键标定，标定原理简单,可用于工业现场标定，降低了标定过程中的复杂度，提高了标定效率、标定速度及实用性。
实施例二
实施例二在实施例一的基础上进行进一步改进，改进之处在于，实施例二中本发明基于线结构光的标定方法包括以下步骤：
S1，对所述相机1进行内外参数标定；
S2，利用所述相机1采集由所述激光器3打在所述棋盘格标定板2内的所述线激光4，所述激光器3与所述棋盘格标定板2的夹角为45°。
S3，由图像处理计算出所述线激光4的中心线点坐标，并按100-1000随机选出15个直线点坐标。
S4，15个直线点的坐标分别与所述图像坐标系原点o连线便可确定15个直线方程。
S5，15个直线方程与由所述相机1的外参确定的棋盘格平面方程联立求解便可确定出这15个直线点的三维坐标。
S6，将所述激光线4旋转一个任意角度并重复以上过程，将所有的点联立求解，便可拟合出结构光平面的方程。
实施例三
实施例三在实施例一的基础上进行进一步改进，如图2所示，改进之处在于，实施例三中本发明基于线结构光的标定方法包括以下步骤：
S1，对所述相机1进行内外参数标定；
S2，利用所述相机1采集由所述激光器3打在所述棋盘格标定板2内的所述线激光4，所述激光器3与所述棋盘格标定板2的夹角为30°；
S3，由图像处理计算出所述线激光4的点阵激光点的坐标，并按30-1000随机选出10个直线点坐标；
S4，10个直线点的坐标分别与所述图像坐标系原点o连线便可确定10个直线方程；
S5，10个直线方程与由所述相机1的外参确定的棋盘格平面方程联立求解便可确定出这10个直线点的三维坐标；
S6，将所述激光线4旋转一个任意角度并重复以上过程，将所有的点联立求解，便可拟合出结构光平面的方程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于线结构光的标定方法，其特征在于，包括步骤：
S1，将棋盘格标定板设置于相机的视场内，激光器发出的激光位于所述棋盘格标定板内；建立图像坐标系oxyz，所述图像坐标系的原点o为所述相机传感器的中心；建立相机坐标系OXYZ，所述相机坐标系的原点O为所述相机的光心，所述相机坐标系与所述图像坐标系共Z轴方向；建立世界坐标系OwXwYwZw(XW,YW,ZW)；并对所述相机进行内外参数标定；
S2，利用所述相机采集由所述激光器打在所述棋盘格标定板内的所述激光，提取出若干所述离散点坐标；
S3，所述离散点坐标分别与所述图像坐标系原点连线确定若干直线方程；
S4，所述直线方程与由所述相机外参确定的棋盘格平面方程联立求解确定出所述离散点在所述相机坐标系下的三维坐标；
S5，将所述激光器旋转角度并重复步骤S2-S4；
S6，重复步骤S5二次以上，并将所有的所述离散点三维坐标联立求解，拟合出在所述相机坐标系下的结构光平面方程。
2.如权利要求1所述的基于线结构光的标定方法，其特征在于，所述相机的内参方程为
其中，kc为二阶径向畸变系数；r为在所述相机传感器上所述离散点在成像平面的成像点到成像平面原点的距离，(Xf,Yf,1)为所述离散点在所述图像坐标系下的坐标，(X,Y,Z)为所述离散点在所述相机坐标系下的坐标，fc1、fc2、cc1、cc2为所述相机内参参数；
所述相机的外参方程为
其中，(XW,YW,ZW)为所述离散点在所述世界坐标系下的坐标，[nx，ny，nz为所述世界坐标系的X轴在所述图像坐标系中的方向向量，[ox，oy，oz]为所述世界坐标系的Y轴在所述图像坐标系中的方向向量，[ax，ay，az]为所述世界坐标系的Z轴在所述坐标系中的方向向量，[px，py，pz]为所述世界坐标系的原点在所述图像坐标系中的方向向量。
3.如权利要求2所述的基于线结构光的标定方法，其特征在于，所述激光器发出线激光，由图像处理计算出所述线激光的中心线点坐标，并按300-1000的像素坐标范围随机选定所述线激光上的若干所述离散点坐标。
4.如权利要求2所述的基于线结构光的标定方法，其特征在于，所述激光器发出点阵激光，由图像处理提取出所述点阵激光的所有离散点坐标，将所有所述离散点坐标按300-1000的像素坐标范围随机选定若干所述离散点坐标。
5.如权利要求3或4所述的基于线结构光的标定方法，其特征在于，所述离散点坐标分别与所述相机坐标系的原点连线确定若干直线方程；
设所述直线方程参数则所述直线方程为，
6.如权利要求5所述的基于线结构光的标定方法，其特征在于，由所述相机外参方程确定出所述棋盘格标定板平面在所述相机坐标系下的平面方程，所述平面方程为
ax(x-px)+ay(y-py)+az(z-pz)＝0
其中，(x,y,z)为所述棋盘格标定板平面上平面点在所述相机坐标系下的坐标。
7.如权利要求6所述的基于线结构光的标定方法，其特征在于，联立所述直线方程和所述平面方程，得出所述离散点在所述相机坐标系下的三维坐标，设为(xwn，ywn，zwn)，n为单次步骤S2中选取的所述离散点坐标数量。
8.如权利要求7所述的基于线结构光的标定方法，其特征在于，所述棋盘格标定板保持不变，调整所述激光器从而变动所述激光打在所述棋盘格标定板上的位置，并重复以上步骤S2-S4若干次，对所取得的所有激光点的三维坐标进行拟合，从而拟合出在所述相机坐标系下的结构光平面方程，
W＝AU+BV+C
其中，A、B、C分别为结构光平面方程参数；(U,V,W)为所述结构光平面上平面点在所述相机坐标系下的坐标。
通过A、B、C参数计算公式，利用最小二乘法便可求出光平面方程参数A、B、C，从而得出在所述相机坐标系下的所述结构光平面方程。
9.如权利要求8所述的基于线结构光的标定方法，其特征在于，所述A、B、C参数计算公式为，
其中，i＝n×m；其中n为单次步骤S2中选取的所述离散点坐标数量；m为步骤S5的次数。
10.如权利要求1所述的基于线结构光的标定方法，其特征在于，所述激光器与所述棋盘格标定板的夹角为30°～60°。
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