CN113155084A - 基于激光十字标准线辅助的双目视觉测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光十字标准线辅助的双目视觉测距装置及方法，涉及计算机视觉及测距计算领域。本发明采用变宽度、变功率的十字激光线，可以根据测量物体的远近进行调节，保证十字成像清晰度；应用保形快速形态细化方法，保证所求十字线交点为中心单像素，确保双目相机测量特征点准确对应，进而提高了测量精度。应用高精度三坐标测量机进行左右相机坐标系的标定，通过给定移动距离的不同位置十字中心相机坐标值，应用最小二乘参数估计，实现左右相机坐标关系的标定。在测量时，利用空间矢量三角形原理，将直线参数化，利用一维优化搜索求测量点位置坐标。相比普通双目测距，特征点准确无误，测量精度高，远距离高精度测量有明显优势。

Description

基于激光十字标准线辅助的双目视觉测距装置及方法

技术领域

本发明属机器视觉测距技术领域，提出一种基于激光十字线双目测距方法，本发明主要应用于高精度非接触测量领域

背景技术

视觉测距相比与其他测距方法具有成本低、适用范围广的优势，具有非常好的发展前景。目前双目视觉测距，基于特征点匹配和小孔成像原理，获取对应特征点的视差，应用三角形原理求取距离。受特征点识别精度以及相机成像的非线性的影响，测量的精度和可靠性都不尽人意。

发明内容

本发明的目的在于克服双目视觉特征点提取的困难，增加可变线宽的激光十字投影线，以十字交叉点为特征点进行测量计算；对于相机成像的非线性特征进行实验测量和标定；由此可大大提高双目测距的精度和适用范围。为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：激光十字线辅助双目测距装置，包括计算机1、激光控制器2、左相机3、激光发射器4、右相机6、机架5。

左右相机及激光发射器安装在机架上，激光发射器安装在左右相机中间，左右相机及发射器的中心线在同一平面。

激光发射器可发射高精度标准十字线投影光，其亮度通过激光控制器输出功率控制，十字线宽可以调节，通过步进电机转动激光发射器镜头实现；左、右相机通过usb线直接和计算机连接，激光控制器通过网线和计算机连接；计算机通过相机驱动程序直接获取相机图像；计算机通过网线控制激光器，实现激光输出功率控制及激光发射器镜头调节步进电机的转角控制。

技术方案包括以下步骤：

步骤1：将测量装置安装在三坐标测量机上；

步骤2：对左右相机进行标定，获得相机的内参数；

步骤3：在三坐标测量机工作台面放置一标准陶瓷块，保证激光线成像好且不产生高亮反光。

步骤4：三坐标在z方向移动定位10个位置，在每个位置，左右相机均拍摄两张图片，一张为开启激光器有十字线的图像，另一张为未开启激光器的没有十字线的图像；

步骤5：对图像集进行图像处理获取十字交叉点相机坐标值；

步骤6：建立图2所示系统标定坐标系，以左相机坐标系为基准坐标系；在左相机坐标系中，设定三坐标移动向量为Z_M(x_M,y_M,z_M)，右相机原点坐标Ocr(x_ocr,y_ocr,z_ocr)，右相机X轴向量Xcr(x_crx,y_crx,z_crx)，右相机Y轴向量Ycr(x_cry,y_cry,z_cry),右相机Z轴向量为Xcr叉乘Ycr：

左相机移动Li,十字中心点在左相机成像坐标变化为：

待求的变量有：x_ml、y_ml、z_ml,、x_wl、y_wl、z_wl六个，这里采用最小二乘法，用20个标定位置的数据求取,即下列平方和最小。

上式分别对上x_ml、y_ml、z_ml,、x_wl、y_wl、z_wl求偏导得线性方程组，则可求出六个参数。

同理可求出右相机的六个参数：x_mr、y_mr、z_mlr、x_wr、y_wr、z_wr

同一个m点在两个坐标系的差即得到右相机原点在左相机坐标系的值：

将右相机坐标转换至左相机坐标，测量十字中心点坐标：

测量机移动向量：

联列上述2式得6元一次线性方程组，解方程则得到变量：(x_crx,y_crx,z_crx)及(x_cry,y_cry,z_cry)，完成标定。

步骤7：测距，求任一位置时，十字投影线中心的坐标值(在左相机坐标系的值)；

任一位置点，对左右相机获取的图像处理，可得到十字线中心点的相机坐标，左相机坐标 (u_ml,v_ml,F),右相机坐标(u_mr,v_mr,F),将右相机向量转换至左相机：

设交点m距离右相机原点为t,则坐标点为：

一维搜索t，当下列向量叉乘的模为零时，得到问题的解t_m。

将t_m代入式(7)则可得到十字激光投影中心坐标值及距离。

采用上述技术方案所产生的的有益效果在于：

本发明提供的一种基于激光十字标准线辅助的双目视觉测距方法，相比普通双目测距，特征点准确无误，数据处理速度快，测量精度高，相比单点光斑辅助测距，中心点位由两条线交会获取，远距离测量更容易捕获，增加变线宽的激光十字线，能测量的范围进一步扩大，实现大量称的高精度测量。

附图说明

图1是本发明激光十字线辅助双目测距装置示意图。

图2是本发明激光十字线辅助双目测距装置标定示意图。

图3双目相机坐标系示意图。

图4双目相机标定原理示意图

图1中：1计算机，2激光控制器，3左相机，4激光器，5机架，6右相机；

图2中：1激光十字线辅助双目测距装置，2三坐标测量机，3陶瓷平板；

图3中：O_clX_clY_clZ_cl,为左相机坐标系，O_crX_crY_crZ_cr,为右相机坐标系，Zw为测量机移动向量， (u_ml,v_ml)(u_mr,v_mr)成像面坐标值已经换算为相机坐标值以mm为单位；

图4中：(x_wl,y_wl,z_wl)、(x_wr,y_wr,z_wr)为三坐标移动向量在左右相机坐标系中的值，(x_ml,y_ml,z_ml)、(x_mr,y_mr,z_mr)为标定初始位置激光十字交叉点在左、右相机坐标系中的值，Li为第i点三坐标测量机相对初始位的移动距离，(u_mli,v_mli)(u_mri,v_mri)第i位十字交叉点左、右相机坐标值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

步骤1：将激光十字标准线辅助双目视觉测量装置安装在三坐标测量机上；保证标定位移的高精度，定位精度可以达到0.1微米。

步骤2：对左右相机进行标定，获得相机的内参数；控制三坐标测量机带动测量装置，相对工作台上的棋盘格远近上下左右前后各方位随机定位20个位置，左右相机在定位位置拍摄图片，获取20张标定图像，然后利用张定友标定法，获取左右相机的内参数焦距、像素坐标和物理坐标的转换系数、畸变系数；

步骤3：在三坐标测量机工作台面放置一标准陶瓷板，平面度达到00级，保证激光线成像好且不产生高亮反光。

步骤4：三坐标在z方向移动定位20个位置，由镜头距陶瓷标准板距离50mm开始，每次增加15mm进行定位，左右相机均拍摄两张图片，一张为开启激光器有十字线的图像，另一张为未开启激光器的没有十字线的图像；

步骤5：对图像集进行图像处理获取十字交叉点相机坐标值；左右相机在同一位置有获取的开激光线和未开激光线两张图片，进行差分运算，获得十字线图像；使用保形快速形态细化求十字线的交点，获得像素坐标值，进而利用相机内参转化为相机坐标；

步骤6：建立图2所示系统标定坐标系，以左相机坐标系为基准坐标系；在左相机坐标系中，设定三坐标移动向量为Z_M(x_M,y_M,z_M)，右相机原点坐标Ocr(x_ocr,y_ocr,z_ocr)，右相机X轴向量Xcr(x_crx,y_crx,z_crx)，右相机Y轴向量Ycr(x_cry,y_cry,z_cry),右相机Z轴向量为Xcr叉乘Ycr：

左相机移动Li,十字中心点在左相机成像坐标变化为：

待求的变量有：x_ml、y_ml、z_ml,、x_wl、y_wl、z_wl六个，这里采用最小二乘法，用20个标定位置的数据求取,即下列平方和最小。

上式分别对上x_ml、y_ml、z_ml,、x_wl、y_wl、z_wl求偏导得线性方程组，则可求出六个参数。

同理可求出右相机的六个参数：x_mr、y_mr、z_mlr、x_wr、y_wr、z_wr

同一个m点在两个坐标系的差即得到右相机原点在左相机坐标系的值：

将右相机坐标转换至左相机坐标，测量十字中心点坐标：

测量机移动向量：

联列上述2式得6元一次线性方程组，解方程则得到变量：(x_crx,y_crx,z_crx)及(x_cry,y_cry,z_cry)，完成标定。

步骤7：测距，求任一位置时，十字投影线中心的坐标值(在左相机坐标系的值)；

任一位置点，拍摄图像，首先对图像进行激光十字成像质量，如果成像不清晰，十字线图像处理后不连续，则调节激光控制器，增大功率，同时调节激光器镜头电机，增大十字线宽度，确保十字线图像清晰可辩。对左右相机获取的图像处理，可得到十字线中心点的相机坐标，左相机坐标(u_ml,v_ml,F),右相机坐标(u_mr,v_mr,F),将右相机向量转换至左相机：

设交点m距离右相机原点为t,则坐标点为：

一维搜索t，当下列向量叉乘的模为零时，得到问题的解t_m。

将t_m代入式(7)则可得到十字激光投影中心坐标值及距离。

Claims (6)

1.激光十字线辅助的双目测距装置。其特征在于，包括包括计算机1、激光控制器2、左相机3、激光发射器4、右相机6、机架5。

左相机3、右相机6及激光发射器4安装在机架5上，激光发射器4安装在左相机3和右相机6的中间位置，左相机3、右相机6及激光发射器4的中心线在同一平面。

所述激光发射器4可发射高精度标准十字线投影光，其亮度通过激光控制器2输出功率控制，十字线宽可以调节，通过步进电机转动激光发射器4的调焦镜头实现，当被测物体远时，将十字线宽增大，当物体近时将线宽减小，保证十字成像精确可见；左、右相机通过usb线直接和计算机1连接，激光控制器2通过网线和计算机连接；计算机1通过相机驱动程序直接获取左相机3及右相机6图像；计算机1通过网线控制激光器4，实现激光输出功率控制及激光发射器镜头调节步进电机的转角控制。

2.根据权利1所述的激光十字线辅助的双目测距装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：将激光十字标准线辅助双目视觉测量装置安装在三坐标测量机上；保证标定位移的高精度，定位精度可以达到0.1微米。

步骤2：对左右相机进行标定，获得相机的内参数；控制三坐标测量机带动测量装置，相对工作台上的棋盘格远近上下左右前后各方位随机定位20个位置，左右相机在定位位置拍摄图片，获取20张标定图像，然后利用张定友标定法，获取左右相机的内参数焦距、像素坐标和物理坐标的转换系数、畸变系数；

步骤3：在三坐标测量机工作台面放置一标准陶瓷板，平面度达到00级，保证激光线成像好且不产生高亮反光。

步骤4：三坐标在z方向移动定位20个位置，由镜头距陶瓷标准板距离50mm开始，每次增加15mm进行定位，左右相机均拍摄两张图片，一张为开启激光器有十字线的图像，另一张为未开启激光器的没有十字线的图像；

步骤5：对图像集进行图像处理获取十字交叉点相机坐标值；左右相机在同一位置有获取的开激光线和未开激光线两张图片，进行差分运算，获得十字线图像；使用保形快速形态细化求十字线的交点，获得像素坐标值，进而利用相机内参转化为相机坐标；

步骤6：建立图2所示系统标定坐标系，以左相机坐标系为基准坐标系；在左相机坐标系中，设定三坐标移动向量为Z_M(x_M,y_M,z_M)，右相机原点坐标Ocr(x_ocr,y_ocr,z_ocr)，右相机X轴向量Xcr(x_crx,y_crx,z_crx)，右相机Y轴向量Ycr(x_cry,y_cry,z_cry),右相机Z轴向量为Xcr叉乘Ycr：

左相机移动Li,十字中心点在左相机成像坐标变化为：

待求的变量有：x_ml、y_ml、z_ml,、x_wl、y_wl、z_wl六个，这里采用最小二乘法，用20个标定位置的数据求取,即下列平方和最小。

上式分别对上x_ml、y_ml、z_ml,、x_wl、y_wl、z_wl求偏导得线性方程组，则可求出六个参数。

同理可求出右相机的六个参数：x_mr、y_mr、z_mlr、x_wr、y_wr、z_wr

同一个m点在两个坐标系的差即得到右相机原点在左相机坐标系的值：

将右相机坐标转换至左相机坐标，测量十字中心点坐标：

测量机移动向量：

联列上述2式得6元一次线性方程组，解方程则得到变量：(x_crx,y_crx,z_crx)及(x_cry,y_cry,z_cry)，完成标定。

步骤7：测距，求任一位置时，十字投影线中心的坐标值(在左相机坐标系的值)；

任一位置点，对左右相机获取的图像处理，可得到十字线中心点的相机坐标，左相机坐标(u_ml,v_ml,F),右相机坐标(u_mr,v_mr,F),将右相机向量转换至左相机：

设交点m距离右相机原点为t,则坐标点为：

一维搜索t，当下列向量叉乘的模为零时，得到问题的解t_m。

将t_m代入式(7)则可得到十字激光投影中心坐标值及距离。

3.权利要求2所述的测量方法，步骤4拍摄有无激光投影线两张图像，通过差分运算可快速提取十字线图像，简化了运算，提高了处理速度。

4.权利要求2所述的测量方法，步骤5图像集处理中，在十字投影线细化处理中，采用保形快速形态细化方法，保证十字中心点提取的精度及鲁棒性，使测距重复精度在2米范围内达到0.01mm。

5.权利要求2所述的测量方法，步骤6相机坐标系及位置标定中，一是两个相机光轴的矢量任意布置，二是采用了最小二乘法参数估计法，保证算法的鲁棒性和计算结果的精确性。

6.权利要求2所述的测量方法，步骤7采用参数化一维优化搜索求测量点，提高了求测点的通用性和可靠性。

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