CN110360929B - 高速线扫描传感器及其标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高速线扫描传感器，一种高速线扫描传感器，包括线阵相机、一维扫描振镜；线阵相机和一维扫描振镜左右间隔一个距离设置；一维扫描振镜激光发射侧与线阵相机激光接收侧位于同一侧；一维扫描振镜能够在其扫描角度范围内发出扫描激光线；在每个扫描角度扫描激光线经过被测物体表面反射，反射激光线在线阵相机的成像面成像。进一步地，该高速线扫描传感器一次扫描一行，一维扫描振镜能够通过编码控制激光点亮度；一次扫描在被测物体表面形成一条编码线图案；本发明弥补了现有线结构光传感器在测量速度方面的不足。
Description
技术领域
本发明涉及机器视觉三维测量技术领域，具体涉及一种高速线扫描传感器及其标定方法。
背景技术
近年来随着工业技术的发展，对真实世界三维结构的测量需求也越来越广泛。其中在结构光方面主要发展出了点结构光技术，线结构光技术及面结构光技术。线结构光传感器主要通过面阵相机和线激光器构成，通过标定确定线激光平面在相机坐标系下的位姿关系，从而通过三角法实现三维测量。但是由于面阵相机拍摄速度受到限制，这导致线结构光传感器在高速运动的物体表面的三维测量受到限制。
线阵相机拍摄图像的速度较高，适用于高速运动物体表面的图像获取。一维MEMS扫描振镜能够实现在行方向上的光点高速扫描。结合线阵相机和一维MEMS扫描振镜的高速特点可用于构建高速线扫描传感器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种高速线扫描传感器，通过一维MEMS扫描振镜构建振镜扫描点结构光系统，从而实现高速线扫描，弥补了现有线结构光传感器在测量速度方面的不足。本发明还提出了高速线扫描传感器的标定方法。本发明采用的技术方案是：
一种高速线扫描传感器，包括线阵相机、一维扫描振镜；
线阵相机和一维扫描振镜左右间隔一个距离设置；一维扫描振镜激光发射侧与线阵相机激光接收侧位于同一侧；
一维扫描振镜能够在其扫描角度范围内发出扫描激光线；在每个扫描角度扫描激光线经过被测物体表面反射，反射激光线在线阵相机的成像面成像。
进一步地，该高速线扫描传感器一次扫描一行，一维扫描振镜能够通过编码控制激光点亮度；一次扫描在被测物体表面形成一条编码线图案；
将高速线扫描传感器放置在一维移动平台上，通过一维移动可获得被测物体表面的三维坐标信息。
进一步地，一维扫描振镜角度分辨率达到0.001度。
进一步地，一维扫描振镜采用一维MEMS扫描振镜。
一种高速线扫描传感器的标定方法，包括：
步骤S1，线阵相机内参数标定，用于确定线阵相机成像面上像素所表示的反射激光线方向；
步骤S2，标定线阵相机成像面上像素与扫描振镜扫描点的对应关系；
一维扫描振镜进行行扫描，对每个扫描点的亮度进行编码，线阵相机拍摄一维扫描振镜投射的编码线图案，对编码线图案进行相应解码确定线阵相机成像面上像素与扫描振镜扫描点的对应关系；
步骤S3，一维扫描振镜扫描激光线方向标定，通过多位置平面标定法进行标定；
建立线阵相机坐标系xoy；原点o为线阵相机的光心；x坐标轴平行于线阵相机成像面，y坐标轴垂直于线阵相机成像面；成像面与原点o距离为一倍焦距f；
标定平面平行于成像面；标定平面距原点o的初始距离为h0；
在一扫描角度，扫描激光线与标定平面相交于扫描点w1，相应的反射激光线在线阵相机成像面上成像于点p0；
标定平面沿线阵相机坐标系xoy的oy方向移动，移动距离为h1，扫描激光线与标定平面相交于扫描点w2，相应的反射激光线在线阵相机成像面上成像于点p1；
标定平面再次沿线阵相机坐标系xoy的oy方向移动，移动距离为h2，扫描激光线与标定平面相交于扫描点w3，相应的反射激光线在线阵相机成像面上成像于点p2；
在线阵相机坐标系xoy中，根据已知量点p0、p1、p2的坐标，初始距离h0、移动距离h1、h2和焦距f，根据坐标关系求解得到扫描点w1、w2、w3在线阵相机坐标系xoy中的坐标；
通过扫描点w1、w2、w3所确定的直线方向，即该扫描角度扫描激光线在线阵相机坐标系xoy中的方向；
重复步骤S3，确定所有扫描角度下扫描激光线方向。
进一步地，步骤S2中，编码方法采用相移码或格雷码，对编码线图案相应进行相移解码或格雷码解码。
本发明的优点在于：本发明通过线阵相机和一维MEMS扫描振镜构建高速线扫描传感器能极大的提高线扫描的扫描速度，通过多平面位置标定法标定在每个扫描角度下组成点结构光测量系统的激光线方向后即可用于三维测量；相比传统线结构光传感器系统具有体积小、能耗低的优点，本发明所构建的高速线扫描传感器结构将更紧凑，集成性更高。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图。
图2为本发明的扫描点亮度编码和解码示意图。
图3为本发明的高速线扫描传感器标定方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提出的一种高速线扫描传感器，包括线阵相机1、一维扫描振镜2；一维扫描振镜2优选采用一维MEMS扫描振镜，体积更小；一维扫描振镜2可以通过编码控制激光点亮度；
线阵相机1和一维扫描振镜2左右间隔一个距离设置；例如线阵相机1和一维扫描振镜2均固定在一个一维移动平台上；维扫描振镜2激光发射侧与线阵相机1激光接收侧位于同一侧；
一维扫描振镜2能够在其扫描角度范围内发出扫描激光线a，一维扫描振镜2能够实现高速行扫描，角度分辨率可以达到0.001度；在每个扫描角度扫描激光线a经过被测物体表面3反射，反射激光线b在线阵相机2的成像面成像；
该高速线扫描传感器可一次扫描一行，一次扫描在被测物体表面3形成一条编码线图案（在最小扫描角度至最大扫描角度之间）；将高速线扫描传感器放置在一维移动平台上，通过一维移动可获得被测物体表面的三维坐标信息；
高速线扫描传感器的标定方法，包括：
步骤S1，线阵相机内参数标定，用于确定线阵相机成像面上像素所表示的反射激光线方向；
线阵相机内参数标定方法可采用多维高精度内方位元素标定方法，主要确定镜头焦距及畸变等参数，用于确定线阵相机成像面上像素所表示的反射激光线方向；这部分不是本发明的重点，仅作简单介绍；
步骤S2，标定线阵相机成像面上像素与扫描振镜扫描点的对应关系；
一维扫描振镜进行行扫描，对每个扫描点的亮度进行编码，编码方法采用相移码或格雷码，亮度图像如图2所示；线阵相机拍摄一维扫描振镜投射的编码线图案，对编码线图案进行相应解码确定线阵相机成像面上像素与扫描振镜扫描点的对应关系；
步骤S3，一维扫描振镜扫描激光线方向标定，通过多位置平面标定法进行标定；如图3所示；
建立线阵相机坐标系xoy；原点o为线阵相机的光心；x坐标轴平行于线阵相机成像面，y坐标轴垂直于线阵相机成像面；成像面与原点o距离为一倍焦距f；
标定平面平行于成像面；标定平面距原点o的初始距离为h0；
在一扫描角度，如图3中的扫描角度1，扫描激光线与标定平面相交于扫描点w1，相应的反射激光线在线阵相机成像面上成像于点p0；
标定平面沿线阵相机坐标系xoy的oy方向移动，移动距离为h1，扫描激光线与标定平面相交于扫描点w2，相应的反射激光线在线阵相机成像面上成像于点p1；
标定平面再次沿线阵相机坐标系xoy的oy方向移动，移动距离为h2，扫描激光线与标定平面相交于扫描点w3，相应的反射激光线在线阵相机成像面上成像于点p2；
在线阵相机坐标系xoy中，根据已知量点p0、p1、p2的坐标，初始距离h0、移动距离h1、h2和焦距f，根据坐标关系求解得到扫描点w1、w2、w3在线阵相机坐标系xoy中的坐标；例如一种简单的求解方法是通过两个直角三角形相似来求解，如图中的Δop0o′∽ Δow1o′′；
通过扫描点w1、w2、w3所确定的直线方向，即该扫描角度扫描激光线在线阵相机坐标系xoy中的方向；三个点所确定的扫描激光线方向更加精确。
重复步骤S3，确定所有扫描角度下扫描激光线方向。
扫描激光线方向确定后，即可通过三角法确定被测物体表面三维信息。
最后应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种高速线扫描传感器的标定方法，适用于一种高速线扫描传感器，所述高速线扫描传感器包括：线阵相机、一维扫描振镜；
线阵相机和一维扫描振镜左右间隔一个距离设置；一维扫描振镜激光发射侧与线阵相机激光接收侧位于同一侧；
一维扫描振镜能够在其扫描角度范围内发出扫描激光线；在每个扫描角度扫描激光线经过被测物体表面反射，反射激光线在线阵相机的成像面成像；
该高速线扫描传感器一次扫描一行，一维扫描振镜能够通过编码控制激光点亮度；一次扫描在被测物体表面形成一条编码线图案；
将高速线扫描传感器放置在一维移动平台上，通过一维移动可获得被测物体表面的三维坐标信息；
一维扫描振镜采用一维MEMS扫描振镜；
其特征在于，所述标定方法包括：
步骤S1，线阵相机内参数标定，用于确定线阵相机成像面上像素所表示的反射激光线方向；
步骤S2，标定线阵相机成像面上像素与扫描振镜扫描点的对应关系；
一维扫描振镜进行行扫描，对每个扫描点的亮度进行编码，线阵相机拍摄一维扫描振镜投射的编码线图案，对编码线图案进行相应解码确定线阵相机成像面上像素与扫描振镜扫描点的对应关系；
步骤S3，一维扫描振镜扫描激光线方向标定，通过多位置平面标定法进行标定；
建立线阵相机坐标系xoy；原点o为线阵相机的光心；x坐标轴平行于线阵相机成像面，y坐标轴垂直于线阵相机成像面；成像面与原点o距离为一倍焦距f；
标定平面平行于成像面；标定平面距原点o的初始距离为h0；
在一扫描角度，扫描激光线与标定平面相交于扫描点w1，相应的反射激光线在线阵相机成像面上成像于点p0；
标定平面沿线阵相机坐标系xoy的oy方向移动，移动距离为h1，扫描激光线与标定平面相交于扫描点w2，相应的反射激光线在线阵相机成像面上成像于点p1；
标定平面再次沿线阵相机坐标系xoy的oy方向移动，移动距离为h2，扫描激光线与标定平面相交于扫描点w3，相应的反射激光线在线阵相机成像面上成像于点p2；
在线阵相机坐标系xoy中，根据已知量点p0、p1、p2的坐标，初始距离h0、移动距离h1、h2和焦距f，根据坐标关系求解得到扫描点w1、w2、w3在线阵相机坐标系xoy中的坐标；
通过扫描点w1、w2、w3所确定的直线方向，即该扫描角度扫描激光线在线阵相机坐标系xoy中的方向；
重复步骤S3，确定所有扫描角度下扫描激光线方向。
2.如权利要求1所述的高速线扫描传感器的标定方法，其特征在于，
步骤S2中，编码方法采用相移码或格雷码，对编码线图案相应进行相移解码或格雷码解码。
3.如权利要求1所述的高速线扫描传感器的标定方法，其特征在于，
一维扫描振镜(2)角度分辨率达到0.001度。
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