CN114719746A - 一种激光三角测量系统的测量方法、装置及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光三角测量系统标定方法、装置及介质，激光三角测量系统包括激光发射器、相机以及上位机，测量方法包括以下步骤：激光发射器发射激光到被测物体表面；相机采集由被测物体表面反射的激光，获得光斑图像；获取光斑图像中光斑的坐标位置，根据坐标位置和预设的映射关系获取被测物体表面的移动距离；其中，所述映射关系通过对激光三角测量系统进行标定获得。本发明通过激光发射器、相机以及上位机组装一个简单的激光三角测量系统，可以在不同的场合下使用，且可以随时调整系统参数，适用性广、成本低。本发明可广泛应用于激光测量技术领域。

Description

一种激光三角测量系统的测量方法、装置及介质

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及一种激光三角测量系统标定方法、装置及介质。

背景技术

利用激光发射器，光敏传感器(CCD)可以集成组件一套激光三角测量系统，其可以实现对于物体位移或尺寸的非接触式测量。基本原理是：激光发射器发射一束激光，被测表面会反射激光光斑被光敏传感器检测到，当物体发生前后移动时，光敏传感器检测到的光斑位置也会发生变化，通过该变化可以计算出物体位移变化，基本原理如图1，其中集成系统中透镜和光敏传感器不平行。现在市场上做这种传感器的厂家有很多，已经可做成很小的集成式系统。

但是每个这种集成产品只有固定的量程和精度，也就是说，不同的应用场合下需要使用不同的传感器。如果需要针对固定的场合设计传感器，部分传感器产品的设计价格高达数万元，并且必须要厂家配套的数据处理系统，这无疑极大地增加了成本。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种低成本的激光三角测量系统的测量方法、装置及介质。

本发明所采用的技术方案是：

一种激光三角测量系统的测量方法，所述激光三角测量系统包括激光发射器、相机以及上位机，其中，相机中的透镜和光敏传感器平行；

所述激光三角测量系统的测量方法，包括以下步骤：

激光发射器发射激光到被测物体表面；

相机采集由被测物体表面反射的激光，获得光斑图像；

获取光斑图像中光斑的坐标位置，根据坐标位置和预设的映射关系获取被测物体表面的移动距离；

其中，所述映射关系通过对激光三角测量系统进行标定获得。

进一步地，所述测量方法还包括对激光三角测量系统进行标定的步骤：

构建激光三角测量模型；

对激光三角测量模型进行转换，获取映射关系的函数；

求解映射关系的函数的参数，实现激光三角测量系统的标定。

进一步地，所述激光三角测量模型的表达如下：

式中，S为被测物体的实际位移，S′为光斑位移；L为参考平面光斑到透镜中心的距离，L′为透镜到光斑成像的距离，β为参考平面反射光线和光敏传感器的夹角，γ为激光入射角，α为参考平面上光斑的反射角；其中，参考平面位于被测物体表面的上方。

进一步地，所述对激光三角测量模型进行转换，获取映射关系的函数，包括：

对激光三角测量模型进行转换，获得映射关系的表达式：

令

获得映射关系的函数如下：

SQ₁与SS′Q₂＝S′ 。

进一步地，所述求解映射关系的函数的参数，实现激光三角测量系统的标定，包括：

采用测量工具获取两组或两组以上数据，根据测量获得的数据获得矩阵方程：

令：

依据最小二乘法原理，得公式：min_L{(P-UQ)^T(P-UQ)}，对公式求导值为0时，解得Q为最优解，即：

Q＝(U^TU)^-1U^TP

获得Q₁、Q₂的值后，实现激光三角测量系统的标定。

进一步地，所述测量方法还包括获取相机参数的步骤：

在参考平面位置不变的情况下，沿着与参考平面平行的方向的平移相机；

获取平移相机后光斑在光斑图像上的位移h；

对平移相机后的激光三角测量系统进行标定，获得新的参数Q′₁、Q′₂；

根据参数Q₁、Q₂、Q′₁、Q′₂和h求解获得相机的像距d，即成像传感器到透镜中心的距离。

进一步地，所述激光三角测量系统为直射式激光三角测量系统，即γ＝0，Q₁和Q₂变表示为：

控制参考平面反射的光线垂直射入相机，此时β＝90°，d＝L，此时Q₁和Q₂变为：

相机平移后，对激光三角测量系统进行标定获得：

根据Q₁、Q₂和Q′₁的表达式获得以下公式(1)：

根据公式(1)求解获得像距d。

进一步地，为了降低误差，将Q′₂与公式(1)进行结合，获得公式(2)：

根据公式(2)求解像距d。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种激光三角测量系统的测量装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

本发明的有益效果是：本发明通过激光发射器、相机以及上位机组装一个简单的激光三角测量系统，可以在不同的场合下使用，且可以随时调整系统参数，适用性广、成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是集成系统中激光三角测量的原理示意图；

图2是本发明实施例中激光三角测量系统的示意图；

图3是本发明实施例中相机成像条件下的激光三角测量系统的原理图；

图4是本发明实施例中光斑图像成像在光敏传感器的中心位置的示意图；

图5是本发明实施例中相机平移前后对比图示意图；

图6是本发明实施例中测量方法的步骤流程图；

图7是本发明实施例中激光三角测量系统的表达及计算参数的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图2所示，本实施例提供一种低成本的激光三角测量系统，包括激光发射器、工业相机、千分尺，PC上位机。激光发射器的作用是发射激光到被测物体表面，工业相机的作用是检测反射到的光斑，千分尺的作用是标定测量系统，PC上位机的作用是处理图像信息。这里对千分尺的作用进行详细阐述：在测量系统搭建好了之后，我们需要确定它能不能测量，测量的精度是多少。这时候我们就需要一个基准，千分尺就是我们的基准。该千分尺的精度为0.001毫米，即±0.001mm。这里需要注意的是，除了使用千分尺，也可使用其他的测量工具，这些方案应该落入本专利的保护范围。

基于上述的一种激光三角测量系统，如图6所示，本实施例还提供一种测量方法，包括以下步骤：

S1、激光发射器发射激光到被测物体表面；

S2、相机采集由被测物体表面反射的激光，获得光斑图像；

S3、获取光斑图像中光斑的坐标位置，根据坐标位置和预设的映射关系获取被测物体表面的移动距离。

步骤S2中，采用图像处理技术，对图像中的光斑进行定位，进而获得坐标信息。

步骤S3中所述的映射关系指的是一个函数，这个函数的自变量就是光斑的坐标值，函数值就是物体的实际位移值。这个“映射关系”需要人为确定，确定这个“映射关系”的过程就是系统标定方法。系统标定的好坏直接决定了系统测量的精度。

以下对系统标定进行详细解释说明。

(1)激光三角测量的详细原理。

图3为相机成像条件下的激光三角测量系统的原理图，相机的透镜和光敏传感器平行。

当待测平面位于参考平面下方时，可以得到以下几何关系。

AC＝ABcos(γ+α) (2)

A′C′＝S′cosβ (3)

B′C′＝S′sinβ (4)

BC＝ABsin(γ+α) (5)

将式(2)-(6)代入式(1)得：

将(7)式化简得：

上式(7)中，S为物体实际位移，S′为对应的光斑位移。L为参考平面光斑到透镜中心的距离，L′为对应透镜到光斑成像的距离，β为参考平面反射光线和光敏传感器的夹角，γ为激光入射角，α为参考平面上光斑的反射角，d为相机的像距，即成像传感器到透镜中心的距离。至此，我们得到了实际物体位移和光斑位移的几何关系，这一关系也就是之前提到的“映射关系”。值得一提的是，该式是在被测平面在参考平面下方的情况。当被测平面在参考平面上方时，可以用类似的几何关系得到，即：将分母的减号变为加号：

(2)激光三角测量系统标定

基于上述已经得到了“映射关系”，但是可以看到公式中有很多未知量我们无法准确得知，但是可以肯定的是，这些未知量都为常量。所以我们对公式(9)进行如下操作：

将公式转化：

SL′sin(γ+α)+SS′sin(α+β+γ)＝S′Lsinβcosγ (10)

上式，L为参考平面光斑到透镜中心的距离，L′为对应透镜到光斑成像的距离，β为参考平面反射光线和光敏传感器的夹角，γ为激光入射角，α为参考平面上光斑的反射角。当确定好参考平面后，L、L′、β、γ、α为常量，我们可以令：

SQ₁+SS′Q₂＝S′ (14)

所以为了求出Q₁、Q₂的值，我们只需要2组数据。但是为了增加其测量精度，我们使用多于2组的数据。将方程变为矩阵形式：

令：

依据最小二乘法原理，其公式如下：

min_L{(P-UQ)^T(P-UQ)}

上式求导值为0时，解得Q为最优解，即：

得到Q₁、Q₂之后我们就可以通过公式(14)得到图像光斑位移和实际物体位移的关系，这样就完成了系统的标定。

(3)具体参数的估计

完成了上述激光三角测量系统的表达，就可以进行测量了。但是我们往往还想要知道参考平面物距L、像距d、反射角α等参数。参见图7接下来介绍的就是这些内参及外参的估计方法。

由于斜入射激光三角的应用局限性(即γ＞0)，本实施例研究的都为直射式激光三角测量系统(即γ＝0)。则Q₁和Q₂变为：

在不考虑相机畸变误差的情况下，当参考平面上反射的光斑图像刚好成像在相机成像平面即光敏传感器的中心位置，如图4所示。

此时β＝90°，d＝L，此时Q₁和Q₂变为：

接下来我们将相机远离激光传感器的方向平移一段距离，如图5所示。

当相机平移一段距离之后，利用上述的系统标定方法，可以由公式(12)和(13)得到相应的Q′₁和Q′₂：

由图5可得几何关系：

Lcosα＝L₂cos(α+θ) (23)

上式h为参考平面条件下，相机平移后对应光斑像素的位移。θ为相机平移对应的角度变化，L₂为参考平面光斑到透镜中心的距离，L′₂为对应透镜到光斑成像的距离。

将公式(20)、(21)和(23)代入公式(18)和(19)可得：

将式(24)除以式(16)得：

结合式(22)和(26)可得：

结合式(27)、(16)、(17)、(22)可得：

此时可以得到d的值，但是结果的误差往往较大，为了降低误差，我们将Q′₂的值也需要利用上来。

根据结合公式(24)和(25)，可以得到：

化简可得：

将公式(22)、(16)、(17)代入得：

将公式(31)代入公式(28)得：

式(32)中Q′₁、Q′₂、Q₁、Q₂可通过上述中的标定方法得到，h可根据相机前后平移的光斑位置移动得到，前提是前后移动的参考平面一致。

至此就可以得到相机的像距d。d已知后可通过式(16)、(17)得到α和L，相应的L₂、L′₂、θ也就很容易得到。

综上所述，本实施例相对于现有技术，具有以下优点及有益效果：

1)本实施例提供的激光三角测量系统可以应用于不同的场景中，可以在不同的场合下使用，且可以随时调整系统参数，调整后只需要进行一次简单的标定即可使用，而市面上的传感器无法调整。另外，将公式中的5个常量打包成两个常量Q₁和Q₂，操作简单方便。应用不同的场景时，我们会调整该系统的一些参数，比如说相机拍摄的角度、激光发射的角度、相机的焦距等等。这些参数在现实中很难得到一个准确的值，将其打包成两个常量后，每次调整只需要进行一次简单的标定试验即可。

2)标定方法结合了矩阵最小二乘法，从而可以很快速精确的得到结果。在同样的量程和对应的精度下，该方法应用的激光三角测量系统的成本更低。

3)只需要结合标定方法再加上移动相机(基于相对运动，移动激光器也可)，不需要复杂的算法，简单进行相应计算即可得到。通过这些参数我们也可以估计被测物体和相机的相对位置关系。

本实施例还提供了一种激光三角测量系统的测量装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现图6所示的方法。

本实施例的一种激光三角测量系统的测量装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种激光三角测量系统的测量方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图6所示的方法。

本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种低光照图像增强处理方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种激光三角测量系统的测量方法，其特征在于，所述激光三角测量系统包括激光发射器、相机以及上位机，其中，相机中的透镜和光敏传感器平行；

所述激光三角测量系统的测量方法，包括以下步骤：

激光发射器发射激光到被测物体表面；

相机采集由被测物体表面反射的激光，获得光斑图像；

获取光斑图像中光斑的坐标位置，根据坐标位置和预设的映射关系获取被测物体表面的移动距离；

其中，所述映射关系通过对激光三角测量系统进行标定获得。

2.根据权利要求1所述的一种激光三角测量系统的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括对激光三角测量系统进行标定的步骤：

构建激光三角测量模型；

对激光三角测量模型进行转换，获取映射关系的函数；

求解映射关系的函数的参数，实现激光三角测量系统的标定。

3.根据权利要求2所述的一种激光三角测量系统的测量方法，其特征在于，所述激光三角测量模型的表达如下：

式中，S为被测物体的实际位移，S′为光斑位移；L为参考平面光斑到透镜中心的距离，L′为透镜到光斑成像的距离，β为参考平面反射光线和光敏传感器的夹角，γ为激光入射角，α为参考平面上光斑的反射角；其中，参考平面位于被测物体表面的上方。

4.根据权利要求3所述的一种激光三角测量系统的测量方法，其特征在于，所述对激光三角测量模型进行转换，获取映射关系的函数，包括：

对激光三角测量模型进行转换，获得映射关系的表达式：

令

获得映射关系的函数如下：

SQ₁+SS′Q₂＝S′。

5.根据权利要求4所述的一种激光三角测量系统的测量方法，其特征在于，所述求解映射关系的函数的参数，实现激光三角测量系统的标定，包括：

采用测量工具获取两组或两组以上数据，根据测量获得的数据获得矩阵方程：

令：

依据最小二乘法原理，得公式：min_L{(P-UQ)^T(P-UQ)}，对公式求导值为0时，解得Q为最优解，即：

Q＝(U^TU)^-1U^TP

求解获得Q₁、Q₂的值后，实现激光三角测量系统的标定。

6.根据权利要求5所述的一种激光三角测量系统的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括获取相机参数的步骤：

在参考平面位置不变的情况下，沿着与参考平面平行的方向的平移相机；

获取平移相机后光斑在光斑图像上的位移h；

对平移相机后的激光三角测量系统进行标定，获得新的参数Q′₁、Q′₂；

根据参数Q₁、Q₂、Q′₁、Q′₂和h求解获得相机的像距d，即成像传感器到透镜中心的距离。

7.根据权利要求6所述的一种激光三角测量系统的测量方法，其特征在于，所述激光三角测量系统为直射式激光三角测量系统，即γ＝0，Q₁和Q₂的表示式为：

控制参考平面反射的光线垂直射入相机，此时β＝90°，d＝L，此时Q₁和Q₂的表达式为：

相机平移后，对激光三角测量系统进行标定获得：

根据Q₁、Q₂和Q′₁的表达式获得公式(1)：

根据公式(1)求解获得像距d。

8.根据权利要求7所述的一种激光三角测量系统的测量方法，其特征在于，为了降低误差，将Q′₂与公式(1)进行结合，获得公式(2)：

根据公式(2)求解获得像距d。

9.一种激光三角测量系统的测量装置，其特征在于，包括：、长度测量工具

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-8任一项所述方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-8任一项所述方法。

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