CN115218822A - 一种激光轮廓测量仪的标定方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种大视场激光轮廓测量仪的标定方法，包括将线激光轮廓测量仪系统模型，参数化为一个多项式映射函数B＝AX，将激光光平面或曲面在图像平面上的像素坐标A，通过多项式系数X映射到相机坐标系下的空间坐标B。通过对系统的标定获取A和B的观测值，从而求解得到X，实现激光轮廓测量仪的标定。本方法不涉及激光光平面方程的标定，因此不会受激光平面畸变影响，适用于大视场下有畸变和无畸变的线激光系统的精确标定。

Description

一种激光轮廓测量仪的标定方法

技术领域

本发明涉及激光轮廓测量仪的标定技术，尤其涉及一种激光轮廓测量仪的标定方法。

背景技术

随着我国制造工业的迅速发展，线激光轮廓测量仪越来越广泛地应用于3D工业智能制造领域。线激光轮廓测量仪是一个激光发射器和一个2D相机传感器组成的光学精密系统。激光发射器投射出一个标准光平面，通过系统标定获得该光平面方程参数，从而计算该光平面投射在物体表面的激光线的空间3D坐标。

在工业大场景应用中，由于受到制造成本限制，激光发射器在大视场投射范围(例如1.5m-3m)，往往投射出的是一个非标准的带有畸变的曲面，从而使常规的光平面标定方法不再适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光轮廓测量仪的标定方法，该方法基于多项式变换，与系统几何模型无关，且不涉及激光光平面方程的求解，因此不会受激光平面畸变影响，适用于大视场下有畸变和无畸变的线激光系统的精确标定。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种激光轮廓测量仪的标定方法，包括：

S1、将线激光轮廓测量仪系统模型参数化为一个多项式映射函数B＝AX，将激光光平面或曲面在图像平面上的像素坐标A通过多项式系数X映射到相机坐标系下的空间坐标B；

S2、通过对系统的标定获取A和B的观测值；

S3、求解得到X，实现激光轮廓测量仪的标定。

在一实施例中，所述S1包括：

S11、建立激光光平面或曲面在图像平面上的像素坐标(u，v)与相机坐标系下的空间坐标xyz的映射函数模型xyz＝f(u，v)；

S12、将映射函数模型f(u，v)参数化为一个K阶线性多项式：

x＝a₁u^k+a₂v^k+a₃u^k-1v+a₄uv^k-1+…+a_n-2u+a_n-1v+a_n

y＝b₁u^k+b₂v^k+b₃u^k-1v+b₄uv^k-1+…+b_n-2u+b_n-1v+b_n

z＝c₁u^k+c₂v^k+c₃u^k-1v+c₄uv^k-1+…+c_n-2u+c_n-1v+c_n

s.t.(u，v)∈P(π_l)；

其中，P(π_l)是激光光平面或曲面在相机像平面上的投影；

S13、令B＝[x，y，z]，A＝[u^k v^k u^k-1v uv^k-1 … u v]，

将上式改写为B＝AX。

在一实施例中，所述S2包括：

S21、将标定板摆放N个不同位姿，拍摄N个标定板图像；

S22、每拍摄一张标定板图像后，保持标定板当前位置不变，将激光线清晰地打在标定板上，再拍摄一张激光标定板图像，共拍摄N个激光标定板图像；

S23、根据N个标定板图像，计算相机的内参M、镜头畸变系数D和标定板到相机的外参[R，7]；

S24、根据相机内参M和镜头畸变系数D，对N个激光标定板图像去畸变；

S25、对去畸变后的激光标定板图像提取激光线的像素坐标(u_i，v_i)，将(u_i，v_i)变换成[u^k v^k u^k-1v uv^k-1 … u v]的形式，即获得了A的观测值；

S26、根据标定过程中得到的标定板平面与相机成像平面的单应矩阵H，计算激光线的齐次坐标(u_i，v_i，1)在世界坐标系下的坐标(x_w，y_w，z_w)，

(x_w，y_w，z_w)＝H(u_i，v_i，1)^T；

S27、根据标定过程中得到的标定板坐标到相机坐标的外参变换矩阵[R，7]，将(x_w，y_w，z_w)转换到相机坐标系下的坐标(x_c，y_c，z_c)：

(x_c，y_c，z_c)＝R(x_w，y_w，z_w)+T

即获得了B的观测值。

在一实施例中，所述S2中采用标定板坐标系作为世界坐标系。

在一实施例中，所述S3中，通过最小二乘法求解X：

X＝(A^TA)^-1A^TB。

在一实施例中，所述S3中，通过最小化一个目标函数L，求解X：

X^*＝argmin_XL(X)。

本发明实施例的有益效果是：通过采用一种新的基于多项式变换的标定方法，与系统几何模型无关，且该方法不涉及激光光平面方程的求解，因此不会受激光平面畸变影响，适用于大视场下有畸变和无畸变的线激光系统的精确标定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是本申请实施例的方法流程图；

图2是本申请实施例的标定过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

如图1所示，本申请实施例提供了一种激光轮廓测量仪的标定方法，包括：

S1、将线激光轮廓测量仪系统模型参数化为一个多项式映射函数B＝AX，将激光光平面或曲面在图像平面上的像素坐标A通过多项式系数X映射到相机坐标系下的空间坐标B；

S1具体包括：

S11、建立激光光平面或曲面在图像平面上的像素坐标(u，v)与相机坐标系下的空间坐标xyz的映射函数模型xyz＝f(u，v)，其中，(u，v)受到激光平面或曲面约束，是激光平面或曲面在相机的像平面上的投影。

S12、将映射函数模型f(u，v)参数化为一个K阶线性多项式：

x＝a₁u^k+a₂v^k+a₃u^k-1v+a₄uv^k-1+…+a_n-2u+a_n-1v+a_n

y＝b₁u^k+b₂v^k+b₃u^k-1v+b₄uv^k-1+…+b_n-2u+b_n-1v+b_n

z＝c₁u^k+c₂v^k+c₃u^k-1v+c₄uv^k-1+…+c_n-2u+c_n-1v+c_n

s.t.(u，v)∈P(π_l)；

其中，P(π_l)是激光光平面或曲面在相机像平面上的投影；

S13、令B＝[x，y，z]，A＝[u^k v^k u^k-1v uv^k-1 … u v]，

从而可以将上述K阶线性多项式改写为B＝AX。

在可能的实施例中，当K＝3时，系统可以表示为：

B＝[X，Y，Z]，A＝[u³ v³ u²v uv² u² v² uv u v 1]，

即系统方程为：

x＝a₁u³+a₂v³+a₃u²v+a₄uv²+a₅u²+a₆v²+a₇uv+a₈u+a₉v+a₁₀

y＝b₁u³+b₂v³+b₃u²v+b₄uv²+b₅u²+b₆v²+b₇uv+b₈u+b₉v+b₁₀

z＝c₁u³+c₂v³+c₃u²v+c₄uv²+c₅u²+c₆v²+c₇uv+c₈u+c₉v+c₁₀

s.t.(u，v)∈P(π_l)。

S2、通过对系统的标定获取A和B的观测值；

S2具体包括：

S21、如图2所示，采用棋盘格标定板为系统的标定工具，将激光线投射到标定板上，将标定板摆放N个不同位姿，拍摄N个标定板图像；

S22、每拍摄一张标定板图像后，保持标定板当前位置不变，将激光线清晰地打在标定板上，再拍摄一张激光标定板图像，共拍摄N个激光标定板图像；

S23、根据N个标定板图像，计算相机的内参M、镜头畸变系数D和标定板到相机的外参[R，7]；

S24、根据相机内参M和镜头畸变系数D，对N个激光标定板图像去畸变；

S25、对去畸变后的激光标定板图像提取激光线的像素坐标(u_i，v_i)，将(u_i，v_i)变换成[u^k v^k u^k-1v uv^k-1 … u v]的形式，即获得了A的观测值；

S26、根据标定过程中得到的标定板平面与相机成像平面的单应矩阵H，计算激光线的齐次坐标(u_i，v_i，1)在世界坐标系下的坐标(x_w，y_w，z_w)，

(x_w，y_w，z_w)＝H(u_i，v_i，1)^T；

S27、根据标定过程中得到的标定板坐标到相机坐标的外参变换矩阵[R，7]，将(x_w，y_w，z_w)转换到相机坐标系下的坐标(x_c，y_c，z_c)：

(x_c，y_c，z_c)＝R(x_w，y_w，z_w)+T，即获得了B的观测值。

在S2的上述标定过程中，采用标定板坐标系作为世界坐标系。

S3、求解得到X，实现激光轮廓测量仪的标定。

S3中，可以通过最小二乘法求解X：

X＝(A^TA)^-1A^TB。

也可以通过最小化一个目标函数L，通过L-M非线性优化迭代求解X：

X^*＝argmin_XL(X)。

在得到X的解X^＊后，即完成了系统的标定。

综上所述，本申请实施例提供了一种新的基于多项式变换的激光轮廓测量仪的标定方法，与系统几何模型无关，且该方法不涉及激光光平面方程的求解，因此不会受激光平面畸变影响，特别适用于大视场下有畸变和无畸变的线激光系统的精确标定。需要特别说明的是，本方法不限于大视场下的激光轮廓仪的标定，对于小视场下的激光轮廓仪的标定同样适用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种激光轮廓测量仪的标定方法，其特征在于，包括：

S1、将线激光轮廓测量仪系统模型参数化为一个多项式映射函数B＝AX，将激光光平面或曲面在图像平面上的像素坐标A通过多项式系数X映射到相机坐标系下的空间坐标B；

S2、通过对系统的标定获取A和B的观测值；

S3、求解得到X，实现激光轮廓测量仪的标定。

2.根据权利要求1所述的激光轮廓测量仪的标定方法，其特征在于，所述S1包括：

S11、建立激光光平面或曲面在图像平面上的像素坐标(u，v)与相机坐标系下的空间坐标xyz的映射函数模型xyz＝f(u，v)；

S12、将映射函数模型f(u，v)参数化为一个K阶线性多项式：

x＝a₁u^k+a₂v^k+a₃u^k-1v+a₄uv^k-1+...+a_n-2u+a_n-1v+a_n

y＝b₁u^k+b₂v^k+b₃u^k-1v+b₄uv^k-1+...+b_n-2u+b_n-1v+b_n

z＝c₁u^k+c₂v^k+c₃u^k-1v+c₄uv^k-1+...+c_n-2u+c_n-1v+c_n

s.t.(u，v)∈P(π_l)；

其中，P(π_l)是激光光平面或曲面在相机像平面上的投影；

S13、令B＝[x，y，z]，A＝[u^k v^k u^k-1v uv^k-1 ... u v]，

将上述K阶线性多项式改写为B＝AX。

3.根据权利要求2所述的激光轮廓测量仪的标定方法，其特征在于，所述S2包括：

S21、将标定板摆放N个不同位姿，拍摄N个标定板图像；

S22、每拍摄一张标定板图像后，保持标定板当前位置不变，将激光线清晰地打在标定板上，再拍摄一张激光标定板图像，共拍摄N个激光标定板图像；

S23、根据N个标定板图像，计算相机的内参M、镜头畸变系数D和标定板到相机的外参[R，7]；

S24、根据相机内参M和镜头畸变系数D，对N个激光标定板图像去畸变；

S25、对去畸变后的激光标定板图像提取激光线的像素坐标(u_i，v_i)，将(u_i，v_i)变换成[u^k v^k u^k-1v uv^k-1 ... u v]的形式，即获得了A的观测值；

S26、根据标定过程中得到的标定板平面与相机成像平面的单应矩阵H，计算激光线的齐次坐标(u_i，v_i，1)在世界坐标系下的坐标(x_w，y_w，z_w)，(x_w，y_w，z_w)＝H(u_i，v_i，1)^T；

S27、根据标定过程中得到的标定板坐标到相机坐标的外参变换矩阵[R，7]，将(x_w，y_w，z_w)转换到相机坐标系下的坐标(x_c，y_c，z_c)：(x_c，y_c，z_c)＝R(x_w，y_w，z_w)+T，即获得了B的观测值。

4.根据权利要求3所述的激光轮廓测量仪的标定方法，其特征在于，所述S2中采用标定板坐标系作为世界坐标系。

5.根据权利要求4所述的激光轮廓测量仪的标定方法，其特征在于，所述S3中，通过最小二乘法求解X：

X＝(A^TA)^-1A^TB。

6.根据权利要求4所述的激光轮廓测量仪的标定方法，其特征在于，所述S3中，通过最小化一个目标函数L，求解X：

X^*＝argmin_xL(X)。

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