CN109579701A - 基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法 - Google Patents
基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法，属于图像测量技术领域。首先，根据相机和光平面的位置关系，建立世界坐标系；其次，通过标定确定相机内参、顶尖连线方程和光平面方程，确定世界坐标系与相机坐标系之间的转换关系；再次，在世界坐标系的基础上，建立局部坐标系并求解出相机采集的光条中心点在局部坐标系O l— X l Y l 平面的投影坐标；最后，在局部坐标系计算出消除了投影畸变的椭圆中心点坐标。消除了在理论图像坐标系计算椭圆中心点时产生的投影畸变误差。提高了轴径的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及图像测量技术领域，特别涉及一种基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法。
背景技术
基于结构光的视觉测量系统在回转体零件的尺寸测量中有着十分广泛的应用。比如在轴径的视觉检测中，需要在轴的表面上发射结构光以获取轴的椭圆形截面，通过对椭圆形截面上的光条中心点进行椭圆拟合计算，以获得被测轴径。在椭圆拟合时，通常将椭圆中心坐标作为约束条件来提高拟合的精度，但实际上由于投影畸变的存在，传统投影变换求得的椭圆中心坐标存在一定的畸变误差，降低了拟合精度。传统的椭圆中心的获取方法为：根据视觉检测模型求解出光平面与顶尖连线方程的交点坐标，该点坐标和光学中心的连线与理论图像坐标系Op—xpyp平面的交点即认为是理论图像坐标系下的椭圆中心，然而在实际计算中这种方法求得的椭圆中心点坐标与光条中心点在理论图像平面拟合求得的椭圆中心点坐标存在较大的差异，常常认为这是由于在投影过程中产生了投影畸变导致的。通常只有在测量时保证光平面与相机光轴垂直才可以消除投影畸变，但是实际中很难保证光平面的位置严格符合条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法，解决了现有视觉测量系统中存在的椭圆中心存在的投影畸变的问题。本发明可以提高轴径的视觉检测精度。本发明建立了局部坐标系，在局部坐标系下计算椭圆中心点坐标，消除了在理论图像坐标系计算椭圆中心点时产生的投影畸变误差。同时本发明提供了将光条中心点投影到局部坐标系Ol—XlYl平面的计算方法，以椭圆的中心点坐标作为约束条件对投影到局部坐标系的光条中心点进行拟合，可以提高轴径的测量精度。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法，包括如下步骤：
步骤(1)根据光平面与相机的位置关系，建立世界坐标系；
步骤(2)根据标定的相机内参、顶尖连线方程和光平面方程，确定世界坐标系与相机坐标系之间的转换关系；
步骤(3)求解出相机采集的光条中心点在局部坐标系Ol—XlYl平面的投影坐标；
步骤(4)计算出局部坐标系下的椭圆中心点坐标，消除投影畸变。
步骤(1)所述的建立世界坐标系，具体是：世界坐标系的原点选在相机光心，即与相机坐标系原点重合；世界坐标系的Ow—XwYw面与光平面平行，Z轴指向垂直于光平面；光平面与被测轴的交线为椭圆，设X轴与椭圆长轴平行，Y轴与椭圆短轴平行。
步骤(2)所述的根据标定的相机内参、顶尖连线方程和光平面方程，确定世界坐标系与相机坐标系之间的转换关系，具体步骤如下：
步骤(2.1)相机的标定采用张正友提出的相机平面标定算法，利用检测得到的角点像素坐标和世界坐标求解相机内参、畸变系数；
步骤(2.2)顶尖连线方程的标定方法是通过夹具将标定板装夹在车床的顶尖之间，拍摄标定板的图像，旋转15度、30度、45度，分别拍摄标定板的图像，求解标定板的角点像素坐标和世界坐标，分别计算出标定板所在的空间平面在相机坐标系下的方程，空间平面的交线即为顶尖连线方程；
步骤(2.3)结构光光平面方程的标定方法是将结构光照射在平面标靶上，提取平面标靶上的光条中心点坐标，改变平面标靶的位姿，再次提取平面标靶上的光条中心点坐标，经过4-6次拍摄，对获得的光条中心点坐标进行拟合，求解出光平面方程；
步骤(2.4)根据标定得到的结构光光平面方程、顶尖连线方程和世界坐标系的构建方法，计算世界坐标系的各个坐标轴在相机坐标系的方向余弦；通过方向余弦表示出世界坐标系和相机坐标系的转换关系。
步骤(3)所述的求解出相机采集的光条中心点在局部坐标系Ol—XlYl平面的投影坐标，具体步骤如下：
步骤(3.1)建立局部坐标系，局部坐标系的原点选在世界坐标系下点(0,0,1)的位置，Z轴与世界坐标系重合，局部坐标系的X轴方向与世界坐标系的X轴方向一致，Y轴方向与世界坐标系的Y轴方向一致；
步骤(3.2)根据局部坐标系的建立方法，求解出相机坐标系和局部坐标系的转换矩阵，求出光条中心点在局部坐标系下的三维坐标；
步骤(3.3)在局部坐标系下，分别求出各个光条中心点与点(0,0,-1)连接形成的各个空间直方程；
步骤(3.4)求解各个空间直方程与局部坐标系Ol—XlYl平面的交点，即为光条中心点在局部坐标系下的投影坐标。
步骤(4)所述的计算出局部坐标系下的椭圆中心点坐标，是通过对光平面和顶尖连线的交点坐标进行空间坐标变换得到的。
本发明的有益效果在于：
1、避免了实际测量时保证光平面和相机光轴垂直的严格条件，更利于实际应用。
2、有效的消除了测量中由投影导致的畸变误差。
3、对比该方法求得的椭圆中心坐标和在局部坐标系下对光条中心点进行椭圆拟合得到的中心点坐标，横坐标误差小于0.0020mm，纵坐标误差小于0.0015mm。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的顶尖连线方程的标定示意图；
图2为本发明的结构光光平面方程标定示意图；
图3为本发明的视觉测量模型中各个坐标系关系示意图。
图中：1、标定板；2、夹具；3、车床顶尖；4、平面标靶；5、结构光平面；6、结构光光源。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图3所示，本发明的基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法，包括如下步骤：
步骤(1)根据光平面与相机的位置关系，建立世界坐标系：
世界坐标系的原点选在相机光心，即与相机坐标系原点重合；世界坐标系的Ow—XwYw面与光平面平行，Z轴指向垂直于光平面；光平面与被测轴的交线为椭圆，设X轴与椭圆长轴平行，Y轴与椭圆短轴平行。
步骤(2)通过标定确定相机内参、顶尖连线方程和光平面方程，确定世界坐标系与相机坐标系之间的转换关系，具体步骤如下：
(2.1)相机的标定采用张正友提出的相机平面标定算法，利用检测得到的角点像素坐标和世界坐标求解相机内参、畸变系数；
(2.2)顶尖连线方程的标定方法是通过夹具将标定板装夹在车床的顶尖之间，拍摄标定板的图像，旋转15度、30度、45度，分别拍摄标定板的图像，求解标定板的角点像素坐标和世界坐标，分别计算出标定板所在的空间平面在相机坐标系下的方程，空间平面的交线即为顶尖连线方程；
(2.3)结构光光平面方程的标定方法是将结构光照射在平面标靶上，提取平面标靶上的光条中心点坐标，改变平面标靶的位姿，再次提取平面标靶上的光条中心点坐标，经过4-6次拍摄，对获得的光条中心点坐标进行拟合，求解出光平面方程；
(2.4)根据标定得到的结构光光平面方程、顶尖连线方程和步骤1)世界坐标系的构建方法，计算世界坐标系的各个坐标轴在相机坐标系的方向余弦；通过方向余弦表示出世界坐标系和相机坐标系的转换关系。
步骤(3)在世界坐标系的基础上，建立局部坐标系并求解出相机采集的光条中心点在局部坐标系Ol—XlYl平面的投影坐标，具体步骤如下：
(3.1)建立局部坐标系，局部坐标系的原点选在世界坐标系下点(0,0,1)的位置，Z轴与世界坐标系重合，局部坐标系的X轴方向与世界坐标系的X轴方向一致，Y轴方向与世界坐标系的Y轴方向一致；
(3.2)根据局部坐标系的建立方法，求解出相机坐标系和局部坐标系的转换矩阵，求出光条中心点在局部坐标系下的三维坐标；
(3.3)在局部坐标系下，分别求出各个光条中心点与点(0,0,-1)连接形成的各个空间直方程；
(3.4)求解各个空间直方程与局部坐标系Ol—XlYl平面的交点，即为光条中心点在局部坐标系下的投影坐标。
步骤(4)在局部坐标系下计算出消除了投影畸变的椭圆中心点坐标，该坐标是通过对光平面和顶尖连线的交点坐标进行空间坐标变换得到的。
实施例：
1.世界坐标系的建立方法：
世界坐标系的原点选在相机光心，即与相机坐标系原点重合。世界坐标系的Ow—XwYw坐标面与光平面平行，Z轴指向垂直于光平面。光平面与被测轴的交为椭圆，设X轴与椭圆长轴平行，Y轴与椭圆短轴平行。
2.根据标定的相机内参、顶尖连线方程和光平面方程，确定世界坐标系与相机坐标系之间的转换关系。具体步骤如下：
2.1顶尖连线方程的标定方法是通过夹具2将标定板1装夹在车床顶尖3之间，拍摄标定板1的图像，旋转一定角度再次拍摄标定板的图像，求解标定板角点的像素坐标和世界坐标，计算出标定板所在平面在相机坐v标系下的方程，两次拍摄并计算得到的空间平面交线即为顶尖连线方程，顶尖连线方程标定过程示意图如图1所示，相机坐标系下的顶尖连线方程表示为：
2.2结构光平面5的光平面方程的标定方法是将结构光光源6照射在平面标靶4上，提取平面标靶4上的光条中心点坐标，改变平面标靶4的位姿，再次提取平面标靶上的光条中心点坐标，经过多次拍摄，对获得的光条中心点坐标进行拟合，求解出光平面方程。光平面方程标定示意图如图2所示，相机坐标系下的光平面方程表示为：
Ax+By+Cz+1＝0 (2)
2.3世界坐标系和相机坐标系的转换方法如下：
(1)世界坐标系的Z轴在相机坐标系的方向余弦
由光平面方程(1)式，可得世界坐标系的Z轴在相机坐标系的方向余弦：
(2)世界坐标系的X轴在相机坐标系的方向余弦
由顶尖连线方程得过顶尖连线的平面束方程为：
在过顶尖连线的平面束中，存在一个平面与光平面垂直，此时：
该平面与光平面的交方程的方向向量即为世界坐标系X轴的方向向量：
令
可得世界坐标系的X轴在相机坐标系的方向余弦：
(3)世界坐标系的Y轴在相机坐标系的方向余弦
令
可得世界坐标系的Y轴在相机坐标系的方向余弦：
根据张正友提出的相机平面标定算法，利用检测得到的角点像素坐标和世界坐标求解出相机内参矩阵A、畸变系数k1、k2、p1、p2，因此世界坐标系(Ow—XwYwZw)，相机坐标系(Oc—XcYcZc)，理论图像坐标系(Op—xpyp)和像素坐标系(O—uv)之间存在如下关系：
其中(xu,yu)为理想图像坐标，(xd,yd)为实际图像坐标。
3、求解出相机采集的光条中心点在局部坐标系Ol—XlYl平面的投影坐标，具体步骤如下：
3.1建立局部坐标系，局部坐标系的原点选在世界坐标系下点(0,0,1)的位置，Z轴与世界坐标系重合，局部坐标系的X轴方向与世界坐标系的X轴方向一致，Y轴方向与世界坐标系的Y轴方向一致。局部坐标系(Ol—XlYlZl)与世界坐标系(Ow—XwYwZw)存在如下转换关系：
综上所述，视觉测量模型中世界坐标系，相机坐标系，理论图像坐标系和局部坐标系的位置关系示意图如图3所示。
3.2根据坐标变换关系，求出光条中心点在局部坐标系下的三维坐标，局部坐标系的光条中心点坐标表示为：
3.3求出各个光条中心点与点(0,0,-1)连接形成的各个空间直方程，第i个光条中心点与相机光学中心连形成的空间直方程表示为：
3.4求解各个空间直方程与局部坐标系Ol—XlYl平面的交点即为光条中心点在局部坐标系下的投影坐标。
4.计算出局部坐标系下的椭圆中心点坐标，具体方法为：
4.1利用步骤2.1和步骤2.2求出的顶尖连线方程和结构光光平面方程，线面的交点即为椭圆中心点在相机坐标系下的坐标。
4.2根据坐标变换关系，求得世界坐标系下椭圆中心点坐标：
4.3局部坐标系下消除了投影畸变的椭圆中心点的坐标为
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤（1）根据光平面与相机的位置关系，建立世界坐标系；
步骤（2）根据标定的相机内参、顶尖连线方程和光平面方程，确定世界坐标系与相机坐标系之间的转换关系；
步骤（3）求解出相机采集的光条中心点在局部坐标系O l— X l Y l 平面的投影坐标；
步骤（4）计算出局部坐标系下的椭圆中心点坐标，消除投影畸变。
2.根据权利要求1所述的基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法，其特征在于：步骤（1）所述的建立世界坐标系，具体是：世界坐标系的原点选在相机光心，即与相机坐标系原点重合；世界坐标系的O w— X w Y w 面与光平面平行，Z轴指向垂直于光平面；光平面与被测轴的交线为椭圆，设X轴与椭圆长轴平行，Y轴与椭圆短轴平行。
3.根据权利要求1所述的基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法，其特征在于：步骤（2）所述的根据标定的相机内参、顶尖连线方程和光平面方程，确定世界坐标系与相机坐标系之间的转换关系，具体步骤如下：
步骤（2.1）相机的标定采用张正友提出的相机平面标定算法，利用检测得到的角点像素坐标和世界坐标求解相机内参、畸变系数；
步骤（2.2）顶尖连线方程的标定方法是通过夹具将标定板装夹在车床的顶尖之间，拍摄标定板的图像，旋转15度、30度、45度，分别拍摄标定板的图像，求解标定板的角点像素坐标和世界坐标，分别计算出标定板所在的空间平面在相机坐标系下的方程，空间平面的交线即为顶尖连线方程；
步骤（2.3）结构光光平面方程的标定方法是将结构光照射在平面标靶上，提取平面标靶上的光条中心点坐标，改变平面标靶的位姿，再次提取平面标靶上的光条中心点坐标，经过4-6次拍摄，对获得的光条中心点坐标进行拟合，求解出光平面方程；
步骤（2.4）根据标定得到的结构光光平面方程、顶尖连线方程和世界坐标系的构建方法，计算世界坐标系的各个坐标轴在相机坐标系的方向余弦；通过方向余弦表示出世界坐标系和相机坐标系的转换关系。
4.根据权利要求1所述的基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法，其特征在于：步骤（3）所述的求解出相机采集的光条中心点在局部坐标系O l— X l Y l 平面的投影坐标，具体步骤如下：
步骤（3.1）建立局部坐标系，局部坐标系的原点选在世界坐标系下点（0,0,1）的位置，Z轴与世界坐标系重合，局部坐标系的X轴方向与世界坐标系的X轴方向一致，Y轴方向与世界坐标系的Y轴方向一致；
步骤（3.2）根据局部坐标系的建立方法，求解出相机坐标系和局部坐标系的转换矩阵，求出光条中心点在局部坐标系下的三维坐标；
步骤（3.3）在局部坐标系下，分别求出各个光条中心点与点（0,0,-1）连接形成的各个空间直方程；
步骤（3.4）求解各个空间直方程与局部坐标系O l— X l Y l 平面的交点，即为光条中心点在局部坐标系下的投影坐标。
5.根据权利要求1所述的基于结构光视觉测量系统的椭圆中心投影畸变消除方法，其特征在于：步骤（4）所述的计算出局部坐标系下的椭圆中心点坐标，是通过对光平面和顶尖连线的交点坐标进行空间坐标变换得到的。
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