CN109297436B - 双目线激光立体测量基准标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种双目线激光立体测量基准标定方法，通过测量基准的标定，当使用双目线激光方法测量物体三维数据时，让双摄像机通过激光线获取的物体基于眼坐标系的三维信息转换成测量坐标系的物体实际三维信息，从而获取物体准确的三维信息。应用本发明的标定方法时，激光线以任意角度投射于物体表面均可通过标定计算眼坐标系与测量坐标系之间的转换关系，从而获取物体的实际三维信息，使双目线激光技术能更好地应用。

Description

双目线激光立体测量基准标定方法
技术领域
本发明属于机器视觉技术领域，具体而言涉及一种用于双目线激光立体测量的基准标定方法。
背景技术
经过几十年的发展，立体视觉在机器人视觉、物体识别、机械臂视觉引导和工业检测等方面的运用越来越广。在机器视觉的应用中，基于双摄像机的双目立体视觉模仿人的双目工作模式，能够提取物体的三维信息。由于普通的双目立体视觉对没有纹理或纹理很弱、边界模糊的物体无法可靠稳定地提取目标的三维信息，人们尝试将线激光和双目立体视觉技术相结合，利用线激光扫描物体表面得到包含物体三维信息的激光轮廓图，再由双目摄像机采集处理得到激光轮廓点云图，从而得到物体的三维信息。此双目线激光方法借助激光线能够稳定可靠地获取物体轮廓特征，但由于双目摄像机获取物体轮廓点位置坐标数据基于以双摄像机为原点的眼坐标系，而不是以物体所在坐标系为基准的测量坐标系，双摄像机通过激光获取的物体三维点数据与实际物体三维数据并不统一，导致物体实际三维信息获取失败。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种双目线激光立体测量基准标定方法，通过测量基准的标定，让双摄像机通过激光线获取的物体基于眼坐标系的三维信息转换成测量坐标系的物体实际三维信息，从而获取物体准确的三维信息。应用本发明的标定方法时，激光线以任意角度投射于物体表面均可通过标定计算眼坐标系与测量坐标系之间的转换关系，从而获取物体的实际三维信息，使双目线激光技术能更好地应用。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种双目线激光立体测量基准标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以待测物体所在平台为基准面，在基准面上方架设双摄像机及线激光发射器，使线激光发射器发射的线激光长度足够扫过待测物体上表面，而双摄像机能够摄取到激光线；
(2)在基准面上放置已知尺寸的标定块，此时线激光在标定块上表面留下一段激光线，在基准面上留下两段激光线，而双摄像机能够摄取到这些激光线；
(3)对双摄像机摄取的上述激光线位置信息进行分析，得到三段激光线上激光点在眼坐标系下的立体点坐标；
(4)利用这些立体点坐标拟合一个平面，得到该平面的法向量(a，b，-1)；
(5)将法向量旋转变换成
Figure BDA0001886331300000011
即将眼坐标系下拟合的平面在空间内旋转为与测量坐标系YZ平面平行；
(6)在旋转后的拟合平面内对激光线段作旋转变换，使激光线段与Y轴平行；
(7)计算已完成上述旋转变换的两种激光线段间距L；
(8)计算Z方向补偿系数kz＝H/L，其中H为标定块的高度值；
(9)测量待测物体三维数据时将得到的各点竖坐标值乘以补偿系数kz，得到物体实际三维数据。
本发明的有益效果是：提出了一种双目线激光立体测量基准标定方法，应用本发明的标定方法时，激光线以任意角度投射于物体表面均可通过标定计算眼坐标系与测量坐标系之间的转换关系，从而获取物体的实际三维信息，使双目线激光技术能更好地应用。
附图说明
图1为本发明的应用场景示意图；
图2为线激光在待测物体表面留下激光线的示意图；
图3为双摄像头所摄激光线组示意图。
图中：1.基准面；2.标定块；3.激光线；4.双摄像机；5.线激光发射器。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的内容作进一步说明。参见图1为本发明的一种双目线激光立体测量基准标定方法应用场景示意。本发明所针对的问题是：当使用双摄像头配合线激光测量物体三维数据时，由于双目摄像机获取物体轮廓点位置坐标数据基于以双摄像机为原点的眼坐标系，而不是以物体所在坐标系为基准的测量坐标系，双摄像机通过激光获取的物体三维点数据与实际物体三维数据并不统一，导致物体实际三维信息获取失败。通过一系列的旋转变换将眼坐标系下坐标数据转换成测量坐标系下坐标数据，再利用数学关系的转换将坐标数据转换成待测物体的实际三维数据。
本发明的具体方法包括以下步骤：
(1)以待测物体所在平台为基准面，在基准面上方架设双摄像机及线激光发射器，使线激光发射器发射的线激光长度足够扫过待测物体上表面，而双摄像机能够摄取到激光线；
(2)在基准面上放置已知尺寸的标定块，此时线激光在标定块上表面留下一段激光线，在基准面上留下两段激光线，而双摄像机能够摄取到这些激光线；
(3)对双摄像机摄取的上述激光线位置信息进行分析，得到三段激光线上激光点在眼坐标系下的立体点坐标；
(4)利用这些立体点坐标拟合一个平面，得到该平面的法向量(a，b，-1)；
(5)将法向量旋转变换成
Figure BDA0001886331300000031
即将眼坐标系下拟合的平面在空间内旋转为与测量坐标系YZ平面平行；
(6)在旋转后的拟合平面内对激光线段作旋转变换，使激光线段与Y轴平行；
(7)计算已完成上述旋转变换的两种激光线段间距L；
(8)计算Z方向补偿系数kz＝H/L，其中H为标定块的高度值；
(9)测量待测物体三维数据时将得到的各点竖坐标值乘以补偿系数kz，得到物体实际三维数据。
上述步骤(4)所述拟合平面及得到法向量的方法为：双摄像头摄取激光线上激光点位置信息后在眼坐标系下储存为三维坐标点，选择这些坐标点，这些激光点同属激光照射面在物体表面形成的截线，因此共面。利用这些坐标点数据拟合出空间中一个平面，即眼坐标系下激光的照射平面，同时可求得该平面的一个法向量(a，b，-1)。
上述步骤(5)、(6)所述旋转具体方法为：旋转变换运算过程中，对应于轴X、Y或Z作转角为θ的旋转变换，其旋转矩阵分别为：
Figure BDA0001886331300000032
Figure BDA0001886331300000033
Figure BDA0001886331300000034
当将平面法向量由(a，b，-1)旋转变换成
Figure BDA0001886331300000035
时，实际上所做的数学变换为法向量(a，b，-1)依次与上述旋转矩阵相乘，因此当已知旋转变化后的法向量为
Figure BDA0001886331300000036
Figure BDA0001886331300000037
时，可以反求出上述三旋转矩阵。利用所求出的三个旋转矩阵对平面上各点坐标进行旋转变换，就能将眼坐标系下拟合的平面在空间内旋转为与测量坐标系YZ平面平行。
下一步再次进行旋转变换，使上述旋转后平面内的激光线段旋转至与测量坐标系Y轴平行：由上述变换后激光线段上激光点坐标数据拟合一条直线，使激光线上各点到直线的距离相等，记该距离为b。取拟合直线的一个方向向量(0，m，n)，而与Y轴平行的直线方向向量为(0,1,0)，因此可求出此次旋转变换的旋转矩阵R(X，θ)，利用该旋转矩阵即可将上述旋转后平面内的激光线段旋转至与测量坐标系Y轴平行。
上述步骤(7)、(8)所述激光线段间距L、Z方向补偿系数计算方式为：双目线激光方法测量时得到的激光线间距离L与实际待测物体的高度H成比例，又标定块尺寸已知，因此可求得H与L的关系，即Z补偿系数kz＝H/L，利用补偿系数可换算出待测物体的各部分实际高度。在实际操作过程中，因所测激光线上激光点坐标数据有误差，因此在得到上述激光线上各点到拟合直线的距离b后，利用2b代替L，即：kz＝H/(2b)。

Claims (4)

1.一种双目线激光立体测量基准标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以待测物体所在平台为基准面，在基准面上方架设双摄像机及线激光发射器，使线激光发射器发射的线激光长度足够扫过待测物体上表面，而双摄像机能够摄取到激光线；
(2)在基准面上放置已知尺寸的标定块，此时线激光在标定块上表面留下一段激光线，在基准面上留下两段激光线，而双摄像机能够摄取到这些激光线；
(3)对双摄像机摄取的上述激光线位置信息进行分析，得到三段激光线上激光点在眼坐标系下的立体点坐标；
(4)利用这些立体点坐标拟合一个平面，得到该平面的法向量(a，b，-1)；
(5)将法向量旋转变换成
Figure FDA0003136115210000011
即将眼坐标系下拟合的平面在空间内旋转为与测量坐标系YZ平面平行；
(6)在旋转后的拟合平面内对激光线段作旋转变换，使激光线段与所述测量坐标系的Y轴平行；
(7)计算已完成上述旋转变换的两种激光线段间距L；
(8)计算所述测量坐标系的Z方向补偿系数kz＝H/L，其中H为标定块的高度值；
(9)测量待测物体三维数据时将得到的各点竖坐标值乘以补偿系数kz，得到物体实际高度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拟合平面及得到法向量的方法为：双摄像头摄取激光线上激光点位置信息后在眼坐标系下储存为三维坐标点，选择这些坐标点，这些激光点同属激光照射面在物体表面形成的截线，因此共面，利用这些坐标点数据拟合出空间中一个平面，即眼坐标系下激光的照射平面，同时可求得该平面的一个法向量(a，b，-1)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转变换具体方法为：
旋转变换运算过程中，对应于轴X、Y或Z作转角为θ的旋转变换，其旋转矩阵分别为：
Figure FDA0003136115210000012
Figure FDA0003136115210000013
Figure FDA0003136115210000021
当将平面法向量由(a，b，-1)旋转变换成
Figure FDA0003136115210000022
时，实际上所做的数学变换为法向量(a，b，-1)依次与上述旋转矩阵相乘，因此当已知旋转变化后的法向量为
Figure FDA0003136115210000023
Figure FDA0003136115210000024
时，可以反求出上述三旋转矩阵，利用所求出的三个旋转矩阵对平面上各点坐标进行旋转变换，就能将眼坐标系下拟合的平面在空间内旋转为与测量坐标系YZ平面平行；
由上述变换后激光线段上激光点坐标数据拟合一条直线，使激光线上各点到直线的距离相等，记该距离为b，取拟合直线的一个方向向量(0，m，n)，而与Y轴平行的直线方向向量为(0，1，0)，因此可求出此次旋转变换的旋转矩阵R(X，θ)，利用该旋转矩阵即可将上述旋转后平面内的激光线段旋转至与测量坐标系Y轴平行。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光线段间距L、Z方向补偿系数计算方式为：双目线激光方法测量时得到的激光线间距离L与实际待测物体的高度H成比例，又标定块尺寸已知，因此可求得H与L的关系，即Z补偿系数kz＝H/L，利用补偿系数可换算出待测物体各部分的实际高度，在实际操作过程中，因所测激光线上激光点坐标数据有误差，因此在得到上述激光线上各点到拟合直线的距离b后，利用2b代替L，即：kz＝H/(2b)。
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