CN110030926A - 激光束空间位姿的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光束空间位姿的标定方法，包括下列步骤：采用带有远心镜头的相机和靶平面构建激光束标定装置，相机正对靶平面，靶平面上设置两个靶球和四个等径阴影圆；以三坐标测量机的坐标系为世界坐标系，利用三坐标测量机对靶平面参数进行测量，得到靶平面的法向量以及靶平面上任意一点的坐标；计算靶球球心在靶平面上投影点的坐标；建立视点坐标系；利用相机采集靶平面图像，通过质心法提取得到靶平面图像上激光点、靶球投影圆心以及四个阴影圆圆心的像素坐标，使四个阴影圆圆心作为图像透视校正的控制点；建立空间点坐标与空间点在投影面内投影坐标的关系；得到激光点在世界坐标系下的三维空间坐标；拟合出激光束的空间位姿。

Description

激光束空间位姿的标定方法

技术领域

本发明涉及一种精密测量系统，特别涉及一种由激光器和电控旋转台搭建的坐标测量系统激光束空间位姿的标定方法。

背景技术

为了完成非接触式三维坐标测量，将激光器与电控旋转台组合，搭建了基于角度-角度交会的坐标测量系统，该系统类似于经纬仪测量系统，由两个测量单元组成，每个测量单元由两个独立的一维电控旋转台和一个激光器构成。装配测量单元时采用专利申请(基于非正交轴系激光经纬仪的测量方法，201410850221.8)提出的“三轴”架构，分别命名两个旋转平台为水平转台和竖直转台，对应旋转中心轴为竖直轴和水平轴，激光器的激光束为测量轴。

在测量过程中，测量单元的激光束交会于待测点，然后根据两个测量单元水平转台和垂直转台的旋转角度来解算待测点的三维空间坐标，所以激光束空间位姿标定的准确性对于测量结果的精度是至关重要的。

相关论文文献(①毕超,房建国,刘京亮,刘勇,李成玮.基于球形目标的激光位移传感器光束方向标定[J].光学精密工程,2015,23(3):678-685；②JunhuaSun,JieZhang,ZhenLiuand GuangjunZhang.Avisionmeasurementmodeloflaserdisplacementsensoranditscalibrationmethod[J].Optics&LasersinEngineering,2013,51(12):1344-1352.)中提出了激光束的标定方法，但只标定出激光束的方向矢量，并不能确定其空间位置，若对实验器材的要求严格，则不适合广泛运用，因此，需要继续研究激光束的标定方法。

发明内容

为克服现有技术的不足，满足实现方便，较高精度激光束标定的需要，本发明提供一种用于激光束空间位姿的标定方法。利用该方法，可以采用带有远心镜头的相机和靶平面构建成激光束标定装置，并加上三坐标测量机的配合，就可实现对激光束空间位姿的标定。以透视投影模型为基础，建立空间三维坐标与投影面上二维坐标的联系，实现坐标在不同坐标系间的转换。三坐标测量机获取靶平面的参数，相机记录靶平面的图像，根据坐标转换关系，可由激光点在靶平面图像上的二维坐标得到激光点的空间三维坐标，多次变动激光束标定装置的位置，得到激光束上多个点的空间坐标，对这些点进行线性拟合，就能直接得出激光束在空间中的直线方程，实现激光束空间位姿的精确标定。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种激光束空间位姿的标定方法，包括下列步骤：

(1)采用带有远心镜头的相机和靶平面构建激光束标定装置，相机正对靶平面，靶平面上设置两个靶球和四个等径阴影圆，阴影圆圆心连线构成正方形，并且靶球与阴影圆都在相机的视场内；

(2)以三坐标测量机的坐标系为世界坐标系o_w-x_wy_wz_w，利用三坐标测量机对靶平面参数进行测量，得到靶平面的法向量以及靶平面上任意一点的坐标，从而得到靶平面在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的方程；

(3)利用三坐标测量机测量靶球球心P₁、P₂坐标，然后计算靶球球心P₁、P₂在靶平面上投影点p₁、p₂的坐标；

(4)建立视点坐标系o_v-x_vy_vz_v，使z_v轴与靶平面垂直，在视点坐标系下，o_v点与p₁点的x坐标、y坐标相同，确定世界坐标系o_w-x_wy_wz_w与视点坐标系o_v-x_vy_vz_v之间的转换关系；

(5)利用相机采集靶平面图像，通过质心法提取得到靶平面图像上激光点、靶球投影圆心以及四个阴影圆圆心的像素坐标，使四个阴影圆圆心p_i1、p_i2、p_i3、p_i4作为图像透视校正的控制点，采用基于双灭点的图像透视校正方法对靶平面图像进行处理，以使靶平面与像平面平行，保证像素坐标的准确性；

(6)建立图像坐标系o′-u′v′，使u′轴平行于x_v轴，在像素坐标系下，o′点与p′点u坐标、v坐标相同，然后确定像素坐标系o-uv与图像坐标系o′-u′v′之间的转换关系；

(7)激光点的像素坐标已知，根据像素坐标系o-uv与图像坐标系o′-u′v′之间的转换关系，得到激光点在图像坐标系o′-u′v′下的坐标；

(8)建立空间点坐标与空间点在投影面内投影坐标的关系，此处即为图像坐标与视点坐标的关系，从而由激光点的图像坐标得到激光点在视点坐标系下的三维坐标；

(9)根据视点坐标系o_v-x_vy_vz_v与世界坐标系o_w-x_wy_wz_w之间的转换关系，得到激光点在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的三维空间坐标；

(10)多次改变激光束标定装置的位置，重复步骤(2)～(9)，得到激光束上多个点的空间坐标，最后根据这些点直线拟合出激光束的空间位姿。

本发明可为激光器提供方法简便，精度较高的激光束空间位姿标定新方法，以实现构建非接触式空间三坐标激光测量系统。

附图说明

图1为激光束空间位姿标定过程的示意图。其中，o_w-x_wy_wz_w为世界坐标系，o_v-x_vy_vz_v为视点坐标系，o-uv为像素坐标系，o′-u′v′为图像坐标系，点P₁、P₂是两个靶球的球心，点p₁、p₂是靶球球心在靶平面上的投影点，p_l是激光点。图2为图像校正原理图。其中，o-uv为像素坐标系，p_i1、p_i2、p_i3、p_i4是用于图像透视校正的四个控制点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，靶平面上点p₁、p₂、p_l投影到像平面上分别为点p₁′、p′₂、p_l′。

为了表述更加清楚，各点在各坐标系中的坐标表示如表1所示：

表1

(1)采用带有远心镜头的相机和靶平面构建激光束标定装置，相机正对靶平面，靶平面上设置有两个靶球和四个等径阴影圆，其位置分布没有特殊要求，只需满足阴影圆圆心连线可构成正方形，并且靶球与阴影圆都在相机的视场内；

(2)以三坐标测量机的坐标系为世界坐标系o_w-x_wy_wz_w，利用三坐标测量机对靶平面参数进行测量，得到靶平面的法向量以及靶平面上任意一点的坐标，从而得到靶平面在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的方程，方程为：

l(x_w-x′_w)+m(y_w-y′_w)+n(z_w-z′_w)＝0

其中V＝(l,m,n)为靶平面法向量，p(x′_w,y′_w,z′_w)为靶平面上一点。

(3)靶平面上固定有两个靶球，利用三坐标测量机测量靶球球心P₁、P₂坐标，然后计算球心P₁、P₂在靶平面上投影点p₁、p₂的坐标，计算公式为：

式中d₁、d₂计算公式如下：

d₁＝|l(X_w1-x′_w)+m(Y_w1-y′_w)+n(Z_w1-z′_w)|

d₂＝|l(X_w2-x′_w)+m(Y_w2-y′_w)+n(Z_w2-z′_w)|

(4)建立视点坐标系o_v-x_vy_vz_v，使z_v轴与靶平面垂直，在视点坐标系下，o_v点与p₁点的x坐标、y坐标相同，确定世界坐标系o_w-x_wy_wz_w与视点坐标系o_v-x_vy_vz_v之间的转换关系，转换关系为：

其中：

故点p₁、p₂在视点坐标系下的坐标为：

(5)利用相机采集靶平面图像，通过质心法提取得到靶平面图像上激光点、靶球投影圆心以及四个阴影圆圆心的像素坐标，使四个阴影圆圆心p_i1、p_i2、p_i3、p_i4作为图像透视校正的控制点，采用基于双灭点的图像透视校正方法对靶平面图像进行处理，以使靶平面与像平面平行，保证像素坐标的准确性；

基于双灭点的图像透视校正方法原理如图2所示，处理步骤如下：

第一步：旋转图像使p_i3p_i4与u轴平行，根据p_i1、p_i2、p_i3、p_i4四个点的图像坐标，可以求出透视投影的灭点(mu,mv)坐标；

第二步：进行u方向校正时，v方向的坐标保持不变，u方向校正的公式为：

第三步：对v方向校正时，u方向的坐标保持不变，v方向校正的公式为：

第四步：在u轴和v轴方向上校正后，p_i1p_i3与p_i2p_i4平行。但是p_i1p_i2与p_i3p_i4并不平行。则需要对图像进行90°旋转，再次进行u轴和v轴方向的校正。

第五步：校正完成以后，得到点p₁′、p′₂的像素坐标；

(6)建立图像坐标系o′-u′v′，使u′轴平行于x_v轴，在像素坐标系下，o′点与p′点u坐标、v坐标相同，然后确定像素坐标系o-uv与图像坐标系o′-u′v′之间的转换关系，转换关系为:

其中：

(7)激光点的像素坐标已知，根据像素坐标系o-uv与图像坐标系o′-u′v′之间的转换关系，得到激光点在图像坐标系o′-u′v′下的坐标：

(8)像平面与靶平面平行,可知：z′_v0＝z′_v1＝z′_v2，根据透视投影模型可建立如下关系：

将p₁、p′₁或p₂、p′₂坐标代入上式可求得z′_v0，接下来将p_l、p′_l坐标代入上式，求取激光点在视点坐标系o_v-x_vy_vz_v下的坐标：

(9)根据视点坐标系o_v-x_vy_vz_v与世界坐标系o_w-x_wy_wz_w之间的转换关系，得到激光点在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的三维空间坐标：

(10)多次改变激光束标定装置的位置，重复步骤(2)～(9)，得到激光束上多个点的空间坐标，最后根据这些点直线拟合出激光束的空间位姿。

Claims (1)

1.一种激光束空间位姿的标定方法，包括下列步骤：

(1)采用带有远心镜头的相机和靶平面构建激光束标定装置，相机正对靶平面，靶平面上设置两个靶球和四个等径阴影圆，阴影圆圆心连线构成正方形，并且靶球与阴影圆都在相机的视场内；

(2)以三坐标测量机的坐标系为世界坐标系o_w-x_wy_wz_w，利用三坐标测量机对靶平面参数进行测量，得到靶平面的法向量以及靶平面上任意一点的坐标，从而得到靶平面在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的方程；

(3)利用三坐标测量机测量靶球球心P₁、P₂坐标，然后计算靶球球心P₁、P₂在靶平面上投影点p₁、p₂的坐标；

(4)建立视点坐标系o_v-x_vy_vz_v，使z_v轴与靶平面垂直，在视点坐标系下，o_v点与p₁点的x坐标、y坐标相同，确定世界坐标系o_w-x_wy_wz_w与视点坐标系o_v-x_vy_vz_v之间的转换关系；

(5)利用相机采集靶平面图像，通过质心法提取得到靶平面图像上激光点、靶球投影圆心以及四个阴影圆圆心的像素坐标，使四个阴影圆圆心p_i1、p_i2、p_i3、p_i4作为图像透视校正的控制点，采用基于双灭点的图像透视校正方法对靶平面图像进行处理，以使靶平面与像平面平行，保证像素坐标的准确性；

(6)建立图像坐标系o′-u′v′，使u′轴平行于x_v轴，在像素坐标系下，o′点与p′点u坐标、v坐标相同，然后确定像素坐标系o-uv与图像坐标系o′-u′v′之间的转换关系；

(7)激光点的像素坐标已知，根据像素坐标系o-uv与图像坐标系o′-u′v′之间的转换关系，得到激光点在图像坐标系o′-u′v′下的坐标；

(8)建立空间点坐标与空间点在投影面内投影坐标的关系，此处即为图像坐标与视点坐标的关系，从而由激光点的图像坐标得到激光点在视点坐标系下的三维坐标；

(9)根据视点坐标系o_v-x_vy_vz_v与世界坐标系o_w-x_wy_wz_w之间的转换关系，得到激光点在世界坐标系o_w-x_wy_wz_w下的三维空间坐标；

(10)多次改变激光束标定装置的位置，重复步骤(2)～(9)，得到激光束上多个点的空间坐标，最后根据这些点直线拟合出激光束的空间位姿。