CN108682035B - 一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法 - Google Patents

一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108682035B
CN108682035B CN201810221247.4A CN201810221247A CN108682035B CN 108682035 B CN108682035 B CN 108682035B CN 201810221247 A CN201810221247 A CN 201810221247A CN 108682035 B CN108682035 B CN 108682035B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
image
camera
coordinate system
matrix
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810221247.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108682035A (zh
Inventor
刘聪
刘晓鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN201810221247.4A priority Critical patent/CN108682035B/zh
Publication of CN108682035A publication Critical patent/CN108682035A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108682035B publication Critical patent/CN108682035B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/80—Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法，首先在任意非平面物体上制作若干特征点，任意选择其中一对特征点，测量其之间的距离；然后在标定物另一侧设置光学反射镜，利用激光器发射一字激光束投影到标定物上，利用相机采集内含标定物及激光光条实像和虚像的图像；接着建立世界坐标系，根据特征点距离、激光光条实像和虚像坐标，计算相机坐标系与世界坐标系的位置关系，精确估计相对旋转矩阵和相对平移矩阵；最后求解光条的世界坐标，计算激光空间平面方程。本发明方法利用光学平面镜采集单幅图像即可实现光刀系统中激光空间平面的计算，具有简单、实用等优点。

Description

一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法
技术领域
本发明涉及光刀系统标定技术，尤其是涉及一种基于光学平面镜的单步光刀系统激光空间平面方程计算方法。
背景技术
光刀系统的标定是测量的前提条件，包括相机标定和激光平面标定两个过程，其中最主要的是激光空间平面方程的标定计算。已有的光刀系统标定方法至少需要三步才能实现光刀系统的标定，算法复杂，难以实现。此外，在旋转件三维形貌测量中，现有光刀系统标定方法无法实现旋转轴的计算，最终只能得到断面三维数据，限制了光刀系统在高精度旋转件三维测量中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法，操作简单灵活，易于实现。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、标定物制备：在任意非平面物体上制作若干特征点，任意选择其中一对特征点，测量其之间的距离；
步骤2、光刀系统成像：在标定物另一侧设置光学反射镜，利用激光器发射一字激光束投影到标定物上，利用相机采集内含标定物及激光光条实像和虚像的图像；
步骤3、坐标系建立：建立世界坐标系，根据特征点距离、激光光条实像和虚像坐标，计算相机坐标系与世界坐标系的位置关系，估计相对旋转矩阵和相对平移矩阵；
步骤4、激光空间平面方程确定：求解光条的世界坐标，计算激光空间平面方程。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)本发明通过单相机外加光学反射镜辅助，只需一步即可实现光刀系统标定；2)本发明不需要制作高精度平面标定板，任意非平面特征物体均可作为标定物，简单灵活；3)本发明由于采用单步即可标定，可以实现旋转物体的旋转轴标定；4)相比于传统接触式形貌测量方法，本发明具有无损、非接触、高精度等优点。
附图说明
图1为本发明测量装置示意图。
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明方案作进一步的说明。
如图1所示，光刀系统，由一个相机和一个激光器组成，激光头前固定有一柱面镜，其中相机用于采集图像，激光器用于产生一字激光束。相机与激光器水平布置时，一字激光束应调整为竖直方向，相机与激光器竖直布置时，一字激光束应调整为水平方向。
单步光刀系统激光空间平面方程计算方法，包括以下步骤：
步骤1、标定物制备：在任意非平面物体上制作若干纹理特征点，同时采用定量长度测量工具如直尺、游标卡尺或者千分尺等测量标定物上某任意两点之间的距离l1。
步骤2、光刀系统成像：搭建如图1所示的光刀系统，在标定物另一侧设置光学反射镜，利用相机可同时观察到标定物的实像及反射镜里的虚像，利用激光器将激光光条投影到标定物表面的实像及在反射镜里的虚像上，采用合适的曝光时间等相机参数保存单幅内含标定物及激光光条实像和虚像的图像。
步骤3、坐标系建立：建立世界坐标系，根据特征点距离、激光光条实像和虚像坐标，计算相机坐标系与世界坐标系的位置关系，估计相对旋转矩阵和相对平移矩阵。采用图像处理算法寻找图像中的特征点或者标识点，设ui、vi为标定板实像中第i个特征点的图像坐标，ui'、vi'为标定板虚像中第i个特征点的图像坐标，相机的内部参数矩阵为
Figure BDA0001600046240000021
其初值为出厂参数，在反射镜平面上建立世界坐标系，设垂直于激光平面的方向设置为世界坐标系的X轴，相机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵
Figure BDA0001600046240000022
则可以通过如下公式优化求解旋转矩阵R：
(yixi'-xiyi')(R3R7-R4R6)+(xi'-xi)(R3R8-R5R6)+(yi'-yi)(R4R8-R5R7)＝0
其中，xi＝(ui-cx)/fx，yi＝(vi-cy)/fy，xi'＝(ui'-cx)/fx，yi'＝(vi'-cy)/fy。
采用Levenberg-Marquardt算法进行迭代优化，可以精确估计相机的内部参数矩阵A及旋转矩阵R。
计算相对旋转矩阵：
Figure BDA0001600046240000031
归一化相对平移矩阵：
Figure BDA0001600046240000032
其中，I为单位矩阵；
求解相对平移矩阵：
Figure BDA0001600046240000033
其中，s＝l1/l2，l1为标定物两点之间的实际距离，l2为利用相对旋转矩阵R'及归一化相对平移矩阵
Figure BDA0001600046240000038
进行三维重构确定的两点距离。
步骤4、激光空间平面方程确定：求解光条的世界坐标，计算激光空间平面方程。首先求图像中对应点所在直线的交点，称之为灭点；然后利用图像边缘轮廓算法寻找光条实像与虚像的图像坐标，将待求光条实像的图像点与灭点通过直线连接，通过插值算法求得直线与虚像图像的交点坐标；最后根据光条实像与虚像的对应图像坐标、相机内部参数矩阵、相对旋转矩阵及平移矩阵求解光条的三维空间坐标，光条的三维空间坐标[Xi Yi Zi]的求解公式为：
Figure BDA0001600046240000034
其中，
Figure BDA0001600046240000035
为光条实像的图像坐标，
Figure BDA0001600046240000036
为对应光条虚像的图像坐标。
激光空间平面方程计算公式如下：
Figure BDA0001600046240000037
采用矩阵求解等算法即可得到激光空间平面的方程系数a、b、c，确定激光空间平面方程：aX+bY+cZ+1＝0。

Claims (7)

1.一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、标定物制备：在任意非平面物体上制作若干特征点，任意选择其中一对特征点，测量其之间的距离；
步骤2、光刀系统成像：在标定物另一侧设置光学反射镜，利用激光器发射一字激光束投影到标定物上，利用相机采集内含标定物及激光光条实像和虚像的图像；
步骤3、坐标系建立：建立世界坐标系，根据特征点距离、激光光条实像和虚像坐标，计算相机坐标系与世界坐标系的位置关系，估计相对旋转矩阵和相对平移矩阵；
步骤4、激光空间平面方程确定：求解光条的世界坐标，计算激光空间平面方程；
步骤4计算光条世界坐标的具体方法如下：
首先求图像中对应点所在直线的交点，称之为灭点；然后利用图像边缘轮廓算法寻找光条实像与虚像的图像坐标，将待求光条实像的图像点与灭点通过直线连接，通过插值算法求得直线与虚像图像的交点坐标；最后根据光条实像与虚像的对应图像坐标、相机内部参数矩阵、相对旋转矩阵及平移矩阵求解光条的三维空间坐标，光条的三维空间坐标[Xi YiZi]的求解公式为：
Figure FDA0003163125830000011
其中，
Figure FDA0003163125830000012
Figure FDA0003163125830000013
为光条实像的图像坐标，
Figure FDA0003163125830000014
为对应光条虚像的图像坐标，
Figure FDA0003163125830000015
为相机的内部参数矩阵，
Figure FDA0003163125830000016
为相对旋转矩阵，
Figure FDA0003163125830000017
为相对平移矩阵。
2.根据权利要求1所述的单步光刀系统激光空间平面方程计算方法，其特征在于，所述步骤2采用单个相机采集单幅图像。
3.根据权利要求1所述的单步光刀系统激光空间平面方程计算方法，其特征在于，所述步骤2当相机与激光器水平布置时，调整一字激光束为竖直方向，当相机与激光器竖直布置时，调整一字激光束应为水平方向。
4.根据权利要求1所述的单步光刀系统激光空间平面方程计算方法，其特征在于，所述步骤3计算相机坐标系与世界坐标系位置关系的具体方法如下：
设标定板实像中第i个特征点的图像坐标为ui、vi，标定板虚像中第i个特征点的图像坐标为ui′、vi′，相机的内部参数矩阵为
Figure FDA0003163125830000021
其初值为出厂参数，在反射镜平面上建立世界坐标系，设垂直于激光平面的方向为世界坐标系的X轴，相机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵为
Figure FDA0003163125830000022
则通过如下公式进行Levenberg-Marquardt算法迭代优化，估计相机的内部参数矩阵A及旋转矩阵R：
(yix′i-xiy′i)(R3R7-R4R6)+(x′i-xi)(R3R8-R5R6)+(y′i-yi)(R4R8-R5R7)＝0其中，xi＝(ui-cx)/fx，yi＝(vi-cy)/fy，xi′＝(ui′-cx)/fx，yi′＝(vi′-cy)/fy。
5.根据权利要求1所述的单步光刀系统激光空间平面方程计算方法，其特征在于，所述步骤3计算相对旋转矩阵的公式如下：
Figure FDA0003163125830000023
其中，R′为相对旋转矩阵，R为相机坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵。
6.根据权利要求1所述的单步光刀系统激光空间平面方程计算方法，其特征在于，所述步骤3计算相对平移矩阵的具体方法如下：
归一化相对平移矩阵：
Figure FDA0003163125830000024
其中，
Figure FDA0003163125830000025
为归一化相对平移矩阵，R′为相对旋转矩阵，I为单位矩阵；
求解相对平移矩阵：
Figure FDA0003163125830000026
其中，s＝l1/l2，l1为标定物两点之间的实际距离，l2为利用相对旋转矩阵R′及归一化相对平移矩阵
Figure FDA0003163125830000027
进行三维重构确定的两点距离。
7.根据权利要求1所述的单步光刀系统激光空间平面方程计算方法，其特征在于，步骤4确定激光空间平面方程的公式如下：
Figure FDA0003163125830000031
其中，[Xi Yi Zi]为光条第i个三维空间坐标，求解激光空间平面的方程系数a、b、c，即可确定激光空间平面方程：aX+bY+cZ+1＝0。
CN201810221247.4A 2018-03-17 2018-03-17 一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法 Active CN108682035B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810221247.4A CN108682035B (zh) 2018-03-17 2018-03-17 一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810221247.4A CN108682035B (zh) 2018-03-17 2018-03-17 一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108682035A CN108682035A (zh) 2018-10-19
CN108682035B true CN108682035B (zh) 2021-11-09

Family

ID=63799222

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810221247.4A Active CN108682035B (zh) 2018-03-17 2018-03-17 一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108682035B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109556528B (zh) * 2018-10-30 2021-09-03 南京理工大学 一种单相机三维视频引伸计及测量方法
CN113310433A (zh) * 2021-05-27 2021-08-27 伏燕军 基于线结构光的虚拟双目立体视觉测量方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107121109A (zh) * 2017-06-12 2017-09-01 北京航空航天大学 一种基于前镀膜平面镜的结构光参数标定装置及方法
CN107578464A (zh) * 2017-06-30 2018-01-12 长沙湘计海盾科技有限公司 一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法
CN107687821A (zh) * 2017-08-24 2018-02-13 南京理工大学 用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107121109A (zh) * 2017-06-12 2017-09-01 北京航空航天大学 一种基于前镀膜平面镜的结构光参数标定装置及方法
CN107578464A (zh) * 2017-06-30 2018-01-12 长沙湘计海盾科技有限公司 一种基于线激光扫描的传送带工件三维轮廓测量方法
CN107687821A (zh) * 2017-08-24 2018-02-13 南京理工大学 用于深孔洞旋转件形貌测量的多相机光刀系统标定方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108682035A (zh) 2018-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110296667B (zh) 基于线结构光多角度投影的高反射表面三维测量方法
US8803943B2 (en) Formation apparatus using digital image correlation
CN111192235B (zh) 一种基于单目视觉模型和透视变换的图像测量方法
CN107588721A (zh) 一种基于双目视觉的零件多尺寸的测量方法及系统
CN109579695B (zh) 一种基于异构立体视觉的零件测量方法
CN110310331B (zh) 一种基于直线特征与点云特征结合的位姿估计方法
CN109297436A (zh) 双目线激光立体测量基准标定方法
CN104748683A (zh) 一种数控机床工件在线自动测量装置及测量方法
CN113744351B (zh) 基于多介质折射成像的水下结构光测量标定方法及系统
CN110702025B (zh) 一种光栅式双目立体视觉三维测量系统及方法
CN111353997B (zh) 一种基于条纹投影的实时三维面型缺陷检测方法
CN108682035B (zh) 一种单步光刀系统激光空间平面方程计算方法
Yin et al. Analysis and simplification of lens distortion model for the Scheimpflug imaging system calibration
CN109506629B (zh) 一种水下核燃料组件检测装置旋转中心标定的方法
CN109773589B (zh) 对工件表面进行在线测量和加工导引的方法及装置、设备
CN109360267B (zh) 一种薄物体快速三维重建方法
Bergström et al. Automatic in-line inspection of shape based on photogrammetry
CN113393413B (zh) 基于单目与双目视觉协同的水域面积测量方法和系统
CN109373901B (zh) 位于平面上的孔的中心位置的计算方法
CN108907897B (zh) 化铣胶膜刻形的在机视觉检测方法
CN110966937A (zh) 一种基于激光视觉传感的大型构件三维构形拼接方法
CN105528788B (zh) 相对位姿参数的标定方法、装置和确定三维形状的装置
CN112116665B (zh) 一种结构光传感器标定方法
CN114170321A (zh) 一种基于测距的相机自标定方法及系统
Xie et al. Development of a multi-view laser scanning sensor for reverse engineering

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant