CN115482276A - 一种基于相移偏折测量系统的高精度标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于相移偏折测量系统的高精度标定方法，其包括：S₁、标定相机内参。S₂、在轨道内固定好标定玻璃板，调整并输入标定参数。S₃、标定相机外参，相机在指定位置拍摄标定玻璃板图片，计算出标定位置的外参、工作距离和分辨率。S₄、标定几何参数，构造特征点，通过坐标系转换求构造特征点在显示屏坐标系下的齐次坐标矩阵。S₅、拍摄构造的特征点和标定玻璃板特征点，构造特征点在显示屏坐标系下的齐次坐标矩阵。S₆、拍摄标定玻璃板，求解显示屏坐标系到相机坐标系的转换矩阵。本发明是一种低成本的标定方法，满足了测量系统大视场的检测要求并提高了检测装置的检测精度。

Description

一种基于相移偏折测量系统的高精度标定方法

技术领域

本发明涉及三维测量系统标定技术领域，尤其涉及一种基于相移偏折测量系统的高精度标定方法。

背景技术

为解决高反射物体表面测量日益增长需求，相移偏折术由于其具有高精度、测量范围大、非接触性等特点，近年来被广泛关注和研究，而相移偏折测量系统的标定是影响其测量精度的重要因素。针对测量系统中标定难的问题，本发明研究了一种新的系统标定方法。该方法通过构造特征点,引入摄影测量系统作为转换中介得到显示屏坐标系与相机坐标系之间的转换关系，最终实现基于相移偏折测量的高精度标定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服相移偏折测量系统中显示屏和相机位姿关系标定难的问题，提供一种通过在显示屏上构造特征点的方法引入摄影测量系统坐标系作为转换中介，建立显示屏坐标系及相机坐标系的转换关系，实现显示屏和相机的标定。

本发明通过下述技术方案解决上述技术问题：一种基于相移偏折术的检测系统的标定方法，该方法采用标定装置，包括工业相机，LCD（Liquid Crystal Display）显示屏，工控机，标定玻璃板，光源，轨道及X,Y,Z轴运动控制平台，该标定方法包括：S₁、标定工业相机的内参，调整好工业相机的工作距离，在相机的焦距范围内调整标定玻璃板的角度，相机收集m张图像传给工控机，工控机根据标定玻璃板的图像计算出相机的内参。S₂、在轨道内固定好标定玻璃板，调整并输入期望的分辨率参数R _x ，R _y 、标定范围、标定玻璃板参数、光源参数及图像预处理参数。S₃、标定工业相机的外参，运动控制平台控制相机到指定的位置拍摄标定玻璃板的图片，工控机根据图像计算出相机的外参，同时计算出该位置的工作距离Di并确定分辨率R _xi ，R _yi ，其中i代表了标定位置的索引号。S₄、标定系统的几何参数，在显示屏边缘构造n个反光特征点，显示屏显示标定图案，固定工业相机的位置，设置不同的曝光值，提取构造特征点和标定图案特征点在相机坐标系下的齐次坐标矩阵，通过坐标系转换求得构造特征点在显示屏坐标系下的齐次坐标矩阵M_{r_lcd}。S₅、拍摄构造的特征点和标定玻璃板的特征点，提取对应在摄影测量坐标系下的齐次坐标矩阵M_{r_phg}、M_{c_phg}，经过变换得到显示屏坐标系到摄影测量坐标系的转换矩阵。S₆、拍摄标定玻璃板，提取标定玻璃板特征点在相机坐标系下的坐标矩阵M_{c_cam}，结合M_{c_phg}，经变换得到摄影测量坐标系到相机坐标系的转换矩阵，进一步求解显示屏坐标系到相机坐标系的转换矩阵。

其中，步骤S₁包括：S₇、为了保证运动控制平台的标定精度，X,Y方向使用伺服控制平台，Z方向使用步进控制平台，利用步进电机的力矩锁定特性来避免相机在Z方向因为重力作用带来的扰动。S₈、为了保证检测系统的定位精度，标定玻璃板标定点的间距最大为5mm，理论上间距越小精度越高。S₉、为了满足内参计算算法的条件，相机收集的标定玻璃板图像m至少为6，收集的图像越多理论精度越高，相应的计算时间也会更久。

其中，步骤S₂包括：S₁₀、测量系统期望的分辨率越小，整个系统的定位精度以及标定玻璃板的规格工艺越高。S₁₁、本方法支持的图像处理参数包含双边二值化参数以及图像开、闭运算等参数。S₁₂、光源参数包括R，G，B三色光源及白光，不同的光源会直接影响标定点的定位，本方法支持R，G，B及白光按照一定比例合成的光源。

其中，步骤S₃包括：S₁₃、在外参标定开始时，系统自动检验设定的参数是否合适，系统自动将测量范围分配为若干宫格，宫格的数量可设置，运动控制平台控制相机到指定的宫格位置进行取像然后计算外参，当检测出的标定点数量和设定的标定点数量不符合时，系统会给予提示并中断标定，操作员需要再次进行参数确认。S₁₄、正式开始标定的过程中，当检测出的标定点数量和设定的标定点数量不符合时，系统会记录该位置，然后继续后续的标定工作，待标定完成后，系统会提醒操作员标定失败点的位置，操作员针对标定失败点重新标定，而不需要全范围重新标定。S₁₅、比较分辨率R _xi ，R _yi 和期望分辨率R _x ，R _y 的大小，如果R _xi ，R _yi 和R _x ，R _y 的差值大于设定的阈值，控制调整相机工作距离D _i ，重新计算该位置的分辨率，如果差值在设定阈值范围内，移动到下一个标定点进行标定。S₁₆、不断循环迭代执行S₁₅，直到分辨率R _xi ，R _yi 和期望分辨率的R _x ，R _y 的差异小于指定阈值，记录该点的外参、马达X,Y坐标和工作距离D _i ，然后移动到下一个标定点进行标定。

其中，步骤S₄包括：S₁₇、为保证显示屏坐标系与摄影测量系统坐标系转换的高精度标定，构造的特征点要特征清晰且与摄影测量用的特征点具有相同的光学性质。S₁₈、通过提前获取这些特征点在显示屏坐标系下的坐标代替显示屏显示的图案特征。S₁₉、为了保证构造特征点与LCD显示屏标定图案亮度一致，相机拍摄位置固定设置不同的曝光值进行拍摄。

本发明的积极进步效果在于：提供了简单的标定方式，无需更多硬件装置，通过提取构造特征点引入摄影测量系统作为转换中介的方式进行标定，提高了检测装备的检测精度。

附图说明

图1为本发明采用的标定装置的示意图。

图2为本发明采用的标定流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的标定装置包括X,Y,Z轴运动控制平台，轨道，工业面阵相机，LCD显示屏及工控机，为了保证运动控制平台的标定精度，XY方向使用伺服控制平台，Z方向使用步进控制平台，利用步进电机的力矩锁定特性来避免相机在Z方向因为重力作用带来的扰动。为了保证检测装备的定位精度，标定玻璃板标定点的间距至少为5mm，间距越小理论精度越高。下面对本发明进行详细说明：

S₁、标定工业相机的内参，调整好工业相机的工作距离，在相机的焦距范围内调整标定玻璃板的角度，相机收集m张图像传给工控机，工控机根据标定玻璃板的图像计算出相机的内参；

S₂、在轨道内固定好标定玻璃板，调整并输入期望的分辨率参数R _x ，R _y 、标定范围、标定玻璃板参数、光源参数及图像预处理参数；

S₃、标定工业相机的外参，运动控制平台控制相机到指定的位置拍摄标定玻璃板的图片，工控机根据图像计算出相机的外参，同时计算出该位置的工作距离D _i 并确定分辨率R _xi ，R _yi ，其中i代表了标定位置的索引号；

S₄、标定系统的几何参数，在显示屏边缘构造n个反光特征点，显示屏显示标定图案，固定工业相机的位置，设置不同的曝光值，提取构造特征点和标定图案特征点在相机坐标系下的齐次坐标矩阵，通过坐标系转换求得构造特征点在显示屏坐标系下的齐次坐标矩阵M_{r_lcd}；

S₅、拍摄构造的特征点和标定玻璃板的特征点，提取对应在摄影测量坐标系下的齐次坐标矩阵M_{r_phg}、M_{c_phg}，经过变换得到显示屏坐标系到摄影测量坐标系的转换矩阵；

S₆、拍摄标定玻璃板，提取标定玻璃板特征点在相机坐标系下的坐标矩阵M_{c_cam}，结合M_{c_phg}，经变换得到摄影测量坐标系到相机坐标系的转换矩阵，进一步求解显示屏坐标系到相机坐标系的转换矩阵。

综上所述，本发明提供了简单的标定方式，无需更多硬件装置，通过提取构造特征点引入摄影测量系统作为转换中介的方式进行标定，满足了测量系统大视场的检测要求并提高了检测装置的检测精度。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于相移偏折测量系统的高精度标定方法，该方法采用一种标定装置，包括工业相机，LCD（Liquid Crystal Display）显示屏，工控机，标定玻璃板，光源，轨道及X,Y,Z轴运动控制平台等，该标定方法包括：

S₁、标定工业相机的内参，调整好工业相机的工作距离，在相机的焦距范围内调整标定玻璃板的角度，相机收集m张图像传给工控机，工控机根据标定玻璃板的图像计算出相机的内参；

S₂、在轨道内固定好标定玻璃板，调整并输入期望的分辨率参数R _x ，R _y 、标定范围、标定玻璃板参数、光源参数及图像预处理参数；

S₃、标定工业相机的外参，运动控制平台控制相机到指定的位置拍摄标定玻璃板的图片，工控机根据图像计算出相机的外参，同时计算出该位置的工作距离D _i 并确定分辨率R _xi ，R _yi ，其中i代表了标定位置的索引号；

S₄、标定系统的几何参数，在显示屏边缘构造n个反光特征点，显示屏显示标定图案，固定工业相机的位置，设置不同的曝光值，提取构造特征点和标定图案特征点在相机坐标系下的齐次坐标矩阵，通过坐标系转换求得构造特征点在显示屏坐标系下的齐次坐标矩阵M_{r_lcd}；

S₅、拍摄构造的特征点和标定玻璃板的特征点，提取对应在摄影测量坐标系下的齐次坐标矩阵M_{r_phg}、M_{c_phg}，经过变换得到显示屏坐标系到摄影测量坐标系的转换矩阵；

S₆、拍摄标定玻璃板，提取标定玻璃板特征点在相机坐标系下的坐标矩阵M_{c_cam}，结合M_{c_phg}，经变换得到摄影测量坐标系到相机坐标系的转换矩阵，进一步求解显示屏坐标系到相机坐标系的转换矩阵。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S₁包括：

S₇、为了保证运动控制平台的标定精度，X、Y方向使用伺服控制平台，Z方向使用步进控制平台，利用步进电机的力矩锁定特性来避免相机在Z方向因为重力作用带来的扰动；

S₈、为了保证检测系统的定位精度，标定玻璃板标定点的间距最大为5mm，理论上间距越小精度越高；

S₉、为了满足内参计算算法的条件，相机收集的标定玻璃板图像m至少为6，收集的图像越多理论精度越高，但相应的计算时间也会更久。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S₂包括：

S₁₀、测量系统期望的分辨率越小，整个系统的定位精度以及标定玻璃板的规格工艺越高；

S₁₁、本方法支持的图像处理参数包含双边二值化参数以及图像开、闭运算等参数；

S₁₂、光源参数包括R，G，B三色光源及白光，不同的光源会直接影响标定点的定位，本方法支持R，G，B及白光按照一定比例合成的光源。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S₃包括：

S₁₃、在外参标定开始时，系统自动检验设定的参数是否合适，系统自动将测量范围分配为若干宫格，宫格的数量可设置，运动控制平台控制相机到指定的宫格位置进行取像然后计算外参，当检测出的标定点数量和设定的标定点数量不符合时，系统会给予提示并中断标定，操作员需要再次进行参数确认；

S₁₄、正式开始标定的过程中，当检测出的标定点数量和设定的标定点数量不符合时，系统会记录该位置，然后继续后续的标定工作，待标定完成后，系统会提醒操作员标定失败点的位置，操作员针对标定失败点重新标定，而不需要全范围重新标定；

S₁₅、比较分辨率R _xi ，R _yi 和期望分辨率R _x ，R _y 的大小，如果R _xi ，R _yi 和R _x ，R _y 的差值大于设定的阈值，控制调整相机工作距离D _i ，重新计算该位置的分辨率，如果差值在设定阈值范围内，移动到下一个标定点进行标定；

S₁₆、不断循环迭代执行S₁₅，直到分辨率Rxi，Ryi和期望分辨率的R _x ，R _y 的差异小于指定阈值，记录该点的外参、马达X,Y坐标和工作距离Di，然后移动到下一个标定点进行标定。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S₄包括：

S₁₇、为保证显示屏坐标系与摄影测量系统坐标系转换的高精度标定，构造的特征点要特征清晰且与摄影测量用的特征点具有相同的光学性质；

S₁₈、通过提前获取这些特征点在显示屏坐标系下的坐标代替显示屏显示的图案特征；

S₁₉、为了保证构造特征点与LCD显示屏标定图案亮度一致，相机拍摄位置固定设置不同的曝光值进行拍摄。

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