CN113074666A - 一种基于线结构激光器的物体点云尺寸测量设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于线结构激光器的物体点云尺寸测量设备及方法，属于激光和计算机视觉领域。包括：线结构激光器，标准标定物块，棋盘格标定板，灰度摄像机和电脑上位机。利用标定的比例因子和激光光平面，对物体进行比例测量及激光平面特征点三维坐标提取，获取数据后，使用计算机进行图像坐标处理，得到物体表面每一点的真实高度信息，整个系统固定于稳定铁架台上，相对位置固定，工作性能稳定，因其结构简单，组成较少，实现相对容易，具有优异的稳定性。

Description

一种基于线结构激光器的物体点云尺寸测量设备及方法

技术领域

本发明属于激光和计算机视觉领域，尤其涉及激光线的采集和激光三角测量的坐标运算处理，给出了一种简便可行的物体激光测量方法。

背景技术

随着计算机的普及使用，及计算机视觉的兴起，使用图像处理技术对物体的尺寸进行测量的技术也越发重要，在工业制造，检测产品品质，管控物品质量，结合三维重建技术进行物体表面检测也尤为重要。人们对物体测量的方便快捷实现需求越加强烈，而传统现有尺寸测量系统一部分测量精度不高，测量结果不够稳定，另外一部分由于设备复杂，购买相对昂贵，不易进行简便测量而使用市场不大，故结构简单，测量结果精确的尺寸检测设备展示出其巨大的应用潜能。其具有容易操作，性能平稳，结构简单，成本低廉的优点。被广泛应用于工业检测，食物检测，以及生物医学检测系统。在科学研究领域，等比例测量法，激光三角法测量，双目视觉测量法，空间相位测量法等测量方式。本文使用等比例测量方式及激光三角测量法进行实现，实验装备在工业及食品物体检测中均有着重要的作用。

线结构激光是能够出射线性激光的简便激光器，可使其照射在检测物体表面，对物体表面点进行标定，有便于摄像头的采集和计算。线结构激光具有良好的出射特性，较好的光束质量，较汇聚的光束宽度，是进行物体标定非常优良的选择。摄像头我们选用灰度摄像头，可以进行较快的读取图片和节省储存空间。

发明内容：

为了解决简便的物体测量，降低成本和实现难度的问题，本发明提出使用线结构光和摄像头进行物体测量的设备。以便实现容易便捷的激光测量方案。难点在于使用线激光进行标定以后，对图像上面的点进行提取，对相机进行坐标标定，对激光平面进行求解和对坐标点进行求解等。

为实现上述目的，本发明给出如下方案：

一种基于线结构激光器的物体点云尺寸测量设备，通过铁架结构进行搭建，使得摄像机(采用单目摄像机)和线激光器间隔处于同一高度，固定于铁架上端，在激光器正下方放置物体，使线激光器对其进行照射标定，在线激光器照射激光作用于物体时，激光形成激光平面；摄像机对激光与放置的物体的作用图进行图像采集，形成的后在计算机中进行图像处理运算求出具体坐标和尺寸。

一种简便的激光物体测量技术：基于线结构激光物体测量设备的进行等比例方式进行测试的方式：

首先，使用线激光器对标准物块进行照射标定，投影通过灰度相机成像在电脑终端处显示；通过对图像进行二值化处理，得到仅含有激光标定线的图片，后对其进行灰度重心提取处理，目的是使得目标线细化，有利于进行尺寸检测；灰度重心法原理即为检测同一横坐标下有灰度值的不同纵坐标像素点；其横坐标不变，纵坐标为有激光处所有像素点纵坐标与像素值的乘积加和除以所有的像素值加和，得出细化曲线；

然后，放置的物体为标准物块，将激光线下放置一标准2cm*2cm*2cm的物块，在对其进行成像，则出现在图像上的部分像素点则被抬高了一段位移；通过求解基底曲线和抬高曲线的图像像素距离，可以知道2cm距离对应的尺寸为相应像素点个数；

最后，那么后续进行实验测量时，保证基底线不动，而测量出抬高曲线的像素距离值，即可换算出物体表面每一点的距离。

作为优选，使用物块为严格制造标准尺寸物块。

作为优选，摄像机为灰度相机usb3.0传输口。

作为优选，实验架为铁质架子，上有固定安装相机和激光器的位置。

另外一种实现方式，一种简便的激光物体测量技术：基于线结构激光物体测量设备进行基于激光三角法进行测试的方式：

首先使用棋盘格标定板放置于激光线下方，进行标定，检测出每一个角点位置，并进行世界坐标系的标定；使用opencv计算机视觉图像库对像素坐标和相应三维世界坐标进行坐标变换求解出变换矩阵和相机内外参数。

然后拍摄若干张棋盘格照片，再在每一张图片同一位置照射激光进行拍摄，对于有无激光条纹的相应棋盘格照片，提取出激光条纹曲线，标定板所在位置规定其世界坐标系下方程为Z_w＝0，通过世界坐标系和相机坐标系转换关系求得其相机坐标系下的平面方程；又由于激光线位于标定板平面上，所以其相机下的三维坐标满足靶平面在相机坐标系下平面方程；故可以求得激光线上每一点在相机坐标系下的三维坐标，即可求得线激光平面方程，此方程为在相机坐标系下的方程；

最后，当进行物体测量时，物体表面被照射，物体表面每一点均在已标定的激光平面之上，通过摄像机拍摄的图像像素坐标转换到相机坐标系下，即可得出每一点的相机坐标系下的三维坐标，再对基准线进行同样的坐标变换，得出基准线在相机坐标系下的三维坐标，两个坐标一对比就可以求出相应的测量距离了。

本发明提出使用线结构激光器和摄像头进行激光三角和等比例测量，求解物体的真实尺寸。利用线激光器可以进行物体的照射标定，利用棋盘格标定板可以进行相机的内外参数求解。同时需要使用固定架将两个物体进行固定，使其相对位置不发生变化。同时将相机通过usb3.0接口与上位机相连，保证传输速度较快，上位机使用VS和opencv进行编程，处理快速，操作易行。本发明设计简单、成本低廉、结构紧凑、同时测量速度和准确率较高，性能稳定易于实现商品产业化。

附图说明：

图1为实施例1基于等比例方式进行线结构激光物体测量设备的结构示意图

图2为实施例2基于激光三角法进行线结构激光物体测量设备的结构示意图

其中，图1：1.线结构激光器，2.激光平面，3.标定标准物块，4.相机成像平面5.摄像机，6.电脑上位机

图2：1.线结构激光器，2.激光平面，3.标定板和线激光条纹，4.相机成像平面5.摄像机，6.电脑上位机

具体实施方式：

为了使本发明的目的、方案和实施更加完整明确，以下结合几个附图和实施例，对发明做进一步的说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，但不限定本发明。

实施例1

如图1基于等比例方式进行线结构激光物体测量设备的结构示意图所示，提供了一种基于等比例方式的结构激光物体测量技术及设备。包括：图1中1.线结构激光器，采用532nm红光激光器，标识明显，光束质量较好；2.激光平面，为线结构激光器所出射的激光平面；3.标定标准物块，为标准物块物体，尺寸一定，可以用来进行标定；4.相机成像平面，用来进行编程图像处理操作；5.摄像机，为灰度相机，采集速度最快210fps；6.电脑上位机。

通过使用标准物块进行标定，得出像素点距离和实际距离的比例因子，通过激光照射在标定物块上获得激光条纹。再通过摄像机获取激光条纹，进行灰度提取，提取出激光特征点细线。通过编程处理得到被测物体处像素点提高的高度，便可进行计算获得测量结果。

设备中线结构激光用于照射物体进行标定，物块用于进行物体测量和等比例因子的求解，被测物体应放置于线激光正下方，使用相机进行图像的采集，上位机电脑进行编程

实施例1的工作原理为：

通过对标定物块的计算，已获得由像素坐标差到真实距离的比例因子大小。通过使用激光照射得到被测物体的表面像素信息，计算物体表面像素高度值，除以比例因子后即可得到所求数据信息。

实施例2

如图2所示，本发明实施例提供了一种基于激光三角法进行线结构激光物体测量设备，包括：图2中：1.线结构激光器，用于进行激光的照射和物体的标定；2.激光平面，用于进行激光平面的标定，激光线的求解，特征点坐标的求解；3.标定板和线激光条纹，用于进行激光平面的标定和靶平面的计算4.相机成像平面用于获取图片5.摄像机，6.电脑上位机进行图像处理编程操作。

通过线结构激光照射在标定板表面，用摄像头进行获取，在计算机终端进行分析，再将有无激光条纹的标定板置于激光线下方，分别进行标定和提取激光线，使用摄像头获取激光线条纹，并应用计算机进行处理，通过usb3.0传输线实时传输视频图像数据。激光器被固定于铁架旋扣处，使用4.2V,800mA电源供电，摄像头位于铁架与激光器同高度的另一侧灰度拍摄，通过usb接口与电脑相连，用于传输数据，通过电脑编程进行图像处理。

实施例2的工作原理为：

首先将标定板放置于铁架下方，使用线激光器对其进行照射，通过摄像机获取棋盘格标定板的角点坐标，从而进行相机内参矩阵和外参矩阵的标定，然后由于标定板在世界坐标系下的平面方程为Z_w＝0，所以有了标定好的旋转平移矩可直接进行世界坐标系和相机坐标系的转换，从而求出靶平面在相机坐标系下平面方程。再通过拍摄有激光条纹和无激光条纹的棋盘格标定板图像得出激光条纹的像素坐标，因为激光条纹位于靶平面内，所以满足靶平面在相机坐标系下的方程。所以可以求解激光条纹在相机坐标系下的方程，多次测量得到多组激光条纹方程，因为每一条激光条纹都在激光平面内，联立这几条激光条纹直线方程，进行最小二乘法的拟合即可拟合出激光平面方程，之后使用物体进行测量使，物体上表面信息会由于激光的照射而显现，由于这些点都在激光平面内部，故可通过像素坐标转化为相机坐标系下的三维坐标，即可求出测量数据值。

本发明利用线结构激光器和摄像头实现了简便可行的物体测量设备系统，整体设备紧凑高效，不需要额外的控制器件，特别是使用标准支撑架对激光器和相机进行位置固定。使得结构稳定，测量精确，实现容易，成本低廉。能长时间且稳定准确的进行测量。本发明设计简单、结构紧密、成本低廉，并且测量输出稳定性高，有利于便捷的物体测量，容易实现产品化，产业化发展。

Claims (3)

1.一种基于线结构激光器的物体点云尺寸测量设备，其特征在于，通过铁架结构进行搭建，使得摄像机和线激光器间隔处于同一高度，固定于铁架上端，在激光器正下方放置物体，使线激光器对其进行照射标定，在线激光器照射激光作用于物体时，激光形成激光平面；摄像机对激光与放置的物体的作用图进行图像采集，形成的后在计算机中进行图像处理运算求出具体坐标和尺寸。

2.采用权利要求1所述的测量设备进行等比例方式进行测试的方式，其特征在于，包括以下步骤：

首先，使用线激光器对标准物块进行照射标定，投影通过灰度相机成像在电脑终端处显示；通过对图像进行二值化处理，得到仅含有激光标定线的图片，后对其进行灰度重心提取处理，目的是使得目标线细化，有利于进行尺寸检测；灰度重心法原理即为检测同一横坐标下有灰度值的不同纵坐标像素点；其横坐标不变，纵坐标为有激光处所有像素点纵坐标与像素值的乘积加和除以所有的像素值加和，得出细化曲线；

然后，放置的物体为标准物块，将激光线下放置一标准2cm*2cm*2cm的物块，在对其进行成像，则出现在图像上的部分像素点则被抬高了一段位移；通过求解基底曲线和抬高曲线的图像像素距离，可以知道2cm距离对应的尺寸为相应像素点个数；

最后，那么后续进行实验测量时，保证基底线不动，而测量出抬高曲线的像素距离值，即可换算出物体表面每一点的距离。

3.采用权利要求1所述的测量设备进行基于激光三角法进行测试的方式，其特征在于，包括以下步骤：

首先使用棋盘格标定板放置于激光线下方，进行标定，检测出每一个角点位置，并进行世界坐标系的标定；使用opencv计算机视觉图像库对像素坐标和相应三维世界坐标进行坐标变换求解出变换矩阵和相机内外参数；

然后拍摄若干张棋盘格照片，再在每一张图片同一位置照射激光进行拍摄，对于有无激光条纹的相应棋盘格照片，提取出激光条纹曲线，标定板所在位置规定其世界坐标系下方程为Z_w＝0，通过世界坐标系和相机坐标系转换关系求得其相机坐标系下的平面方程；又由于激光线位于标定板平面上，所以其相机下的三维坐标满足靶平面在相机坐标系下平面方程；故可以求得激光线上每一点在相机坐标系下的三维坐标，即可求得线激光平面方程，此方程为在相机坐标系下的方程；

最后，当进行物体测量时，物体表面被照射，物体表面每一点均在已标定的激光平面之上，通过摄像机拍摄的图像像素坐标转换到相机坐标系下，即可得出每一点的相机坐标系下的三维坐标，再对基准线进行同样的坐标变换，得出基准线在相机坐标系下的三维坐标，两个坐标一对比就可以求出相应的测量距离了。

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