CN115638738A - 一种阶梯靶标及利用其对线结构光传感器精度评价的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阶梯靶标及利用其进行线结构光传感器精度评价的方法；该阶梯靶标包括设置在底面上多级台阶，每级台阶的踏面与立面的夹角为100～150°；立面与踏面相交的边记为棱边；所有棱边相互平行，且在垂直于棱边的方向上设有一条、两条或多条标记线。利用如上阶梯靶标进行线结构光传感器精度评价的方法包括如下步骤：1)向阶梯靶标表面投射激光条，激光条与标记线重合；2)采集激光条图像，获取棱边交点的三维坐标；3)重复步骤2)多次；4)依次求取单张图片中同一激光条上两棱边点的间距，再将其与标准值进行比较获取偏差值，依据偏差值评价线结构光传感器的精度。该方法操作简单、所需采集图像数量少，且测量精度高。

Description

一种阶梯靶标及利用其对线结构光传感器精度评价的方法

技术领域

本发明涉及工业制造中的自动化视觉检测领域，具体涉及一种阶梯靶标及利用其进行线结构光传感器精度评价的方法。

背景技术

线结构光传感器主要由线结构光投射器、镜头和相机组成。线结构光传感器需要经过标定之后才能使用，标定包括相机内参矩阵、畸变矩阵和光平面参数矩阵的标定。相机标定方法包括：传统摄像机标定方法、主动视觉摄像机标定方法和摄像机自标定方法。相机标定完成后，并不能直接把该传感器发到现场使用，因为，在此之前，客户会要求提供传感器测量精度相关的指标，测量精度是反映传感器质量的重要指标之一。因此，进行传感器精度的测量是很有必要的。

传统的精度测量方法通常需要依赖高精度的第三方测量仪器(如经纬仪、关节臂、跟踪仪等)，这类方法不利用传感器产品化的生产。

中国专利CN110953988 A提供了一种基于立体孔靶标块对线结构光传感器精度进行评价的方法，但在实际测量时存在一些不足：1)调试要求高：测量人员在调节靶标和传感器位姿时，要求光平面尽可能的穿过所有阶梯面上的孔心；2)图像采集复杂：要先后分别采集20张亮图(靶标孔的图像)和20张暗图(靶标孔两侧的光条图像)；3)测量失败率高：由于1)的操作不规范，很有可能导致2)中采集的暗图中，某个孔左侧或右侧的光条凸显极短，最终会激光条中心点提取的稳定性或只能提取到极少的中心点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种阶梯靶标及利用其进行线结构光传感器精度评价的方法；其操作简单、所需采集图像数量少，且测量精度高。

为此，本发明技术方案如下：

一种阶梯靶标，包括设置在底面上多级台阶，每级台阶都包括一个踏面和一个立面；所有立面均垂直于底面；所述踏面与立面的夹角为100～150°，优选所述踏面与立面的夹角为110～130°；所述立面与踏面相交的边记为棱边；所有棱边相互平行，且在垂直于棱边的方向上设有一条、两条或多条标记线，每条所述标记线均通过所有台阶的踏面和立面。

利用如上所述阶梯靶标进行线结构光传感器精度评价的方法，所述线结构光传感器包括一个相机和一个投影仪，或者一个相机和一个激光发射器；包括如下步骤：

1)所述投影仪或激光发射器向所述阶梯靶标表面投射激光条，每条所述激光条与单条所述标记线重合；

2)所述相机采集投射在所述阶梯靶标上的激光条的图像，获取点A的三维坐标；所述点A为所述激光条与棱边交点，或者是相邻立面、踏面的标记线的延长线在棱边位置的交点；单张图像上在同一光条上的所述点A至少有2个；记同一张图像上、同一光条上的点A为一组；

3)重复步骤2)多次，获取多组点A的三维坐标；

4)依次求取各组点A中两点之间间距，再将其与标准值进行比较获取偏差值，依据偏差值评价所述线结构光传感器的精度。

进一步，通过以下步骤获取所述点A的三维坐标：

①从图片上获取光条上的所有点，记为点集I，按照其在阶梯靶标上每个台阶的踏面、立面进行分段；

②将分段后点集I中的点转换到相机坐标系下，获取各点的三维坐标；

③利用步骤②得到的不同段的点的三维坐标分别进行直线拟合，相邻两条直线的交点的三维坐标即为点A的三维坐标。

进一步，所述步骤4)中标准值的获取方法为：通过三坐标或影像仪获取阶梯靶标上点A的三维坐标，再获取的同组点A中两点之间的间距。

进一步，所述阶梯靶标的总高度≥待评价的所述线结构光传感器的相机的视场宽度；

所述阶梯靶标的所有踏面的总宽度×cosθ≥待评价的所述线结构光传感器的深度测量范围；其中θ为待评价的所述线结构光传感器的相机的交汇角。

本发明提供的阶梯靶标及利用其进行线结构光传感器精度评价的方法具有如下优点：

1)操作简单、方便：测量人员只需保证待评价结构光传感器的光平面沿着标记线即可满足采图要求，调试要求低；

2)图像采集简捷：只需一次性连续采集20张光条图像，即能在保证测试精度的前提下完成测试；

3)测量精度高：算法原理简单、不涉及复杂运算，鲁棒性强。

附图说明

图1为适用于单线结构光传感器精度评价的阶梯靶标结构示意图；

图2为图1中阶梯靶标的左视图；

图3为适用于多线结构光传感器精度评价的阶梯靶标结构示意图；

图4为使用图1中阶梯靶标进行检测得到的实测图；

图5为具体实施方式中点A的获取方法。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

实施例1

如图1所示，一种阶梯靶标，包括设置在底面上多级台阶，每级台阶都包括一个踏面和一个立面；所有立面均垂直于底面；踏面与立面的夹角为150°，只要能满足视觉传感器的采图要求，夹角在100～150°之间可选，优选踏面与立面的夹角为110～130°；立面与踏面相交的边记为棱边(为了保证阶梯靶标在使用过程中操作人员的人身安全，图1中的棱边处已进行倒角)；所有棱边相互平行，且在垂直于棱边的方向上设有一条标记线，每条标记线均通过所有台阶的踏面和立面(图1中的标记线即为图中位于台阶中间位置的那条线)。

利用如上阶梯靶标进行线结构光传感器精度评价的方法，线结构光传感器包括一个相机和一个投影仪，或者一个相机和一个激光发射器；包括如下步骤：

1)投影仪或激光发射器向阶梯靶标表面投射激光，形成一条激光条，该激光条图1中阶梯靶标表面的标记线重合；

2)相机采集投射在阶梯靶标上的激光条的图像，获取点A的三维坐标；

点A为激光条与棱边交点，在使用图1所示阶梯靶标时，点A为相邻立面、踏面的标记线的延长线在棱边位置的交点；因最终评估精度时是利用两点间距离来评估，所以单张图像上在同一光条上的点A至少有2个；记同一张图像上、同一光条上的点A为一组；

3)重复步骤2)多次，获取多组点A的三维坐标；

4)依次求取各组点A中两点之间间距，再将其与标准值进行比较获取偏差值，依据偏差值评价线结构光传感器的精度。而本步使用的标准值的获取方法为：通过三坐标或影像仪预先获取的阶梯靶标上点A的三维坐标，再获取的同组点A中两点之间的间距。

通过以下步骤获取点A的三维坐标：

①从图片上获取光条上的所有点，记为点集I，按照其在阶梯靶标上每个台阶的踏面、立面进行分段；

②将分段后点集I中的点转换到相机坐标系下，获取各点的三维坐标；

③利用步骤②得到的不同段的点的三维坐标分别进行直线拟合，相邻两条直线的交点的三维坐标即为点A的三维坐标，如图5所示。

为了保证图片中点A的数量能够满足评估需求，阶梯靶标的总高度≥待评价的线结构光传感器的相机的视场宽度；

阶梯靶标的所有踏面的总宽度×cosθ≥待评价的线结构光传感器的深度测量范围；其中θ为待评价的线结构光传感器的相机的交汇角。

保持图1所示阶梯靶标与线结构光传感器相对位置不变，连续采图20张，记图内点A编号分别为3#～8#；依次计算任意两个点A间距的测量最大值、测量最小值、测量均值及标准差，统计任意两点A间的最大误差，利用多组最大误差求取线结构光传感器的测量误差，本实施例采用

计算线结构光传感器的测量误差。对于线结构光传感器的测量误差也可以采用其他数学统计方法计算测量误差。

实施例2

如图2所示，一种阶梯靶标，包括设置在底面上多级台阶，每级台阶都包括一个踏面和一个立面；所有立面均垂直于底面；踏面与立面的夹角为150°，只要能满足视觉传感器的采图要求，夹角在100～150°之间可选，优选踏面与立面的夹角为110～130°；立面与踏面相交的边记为棱边(为了保证阶梯靶标在使用过程中操作人员的人身安全，图2中的棱边处已进行倒角)；所有棱边相互平行，且在垂直于棱边的方向上设有多条标记线，每条标记线均通过所有台阶的踏面和立面(图2中的标记线即为图中位于台阶中间位置的那条线)。

利用如上阶梯靶标进行线结构光传感器精度评价的方法，线结构光传感器包括一个相机和一个投影仪，或者一个相机和一个激光发射器；包括如下步骤：

1)投影仪或激光发射器向阶梯靶标表面投射激光形成多条相互平行的激光条，每条激光条均与单条标记线重合；

2)相机采集投射在阶梯靶标上的激光条的图像，获取点A的三维坐标；

点A为激光条与棱边交点，在使用图2所示阶梯靶标时，点A为相邻立面、踏面的标记线的延长线在棱边位置的交点(注：实际使用的靶标棱边处若未进行倒角，点A即为激光条与棱边交点)；因最终评估精度时是利用两点间距离来评估，所以单张图像上在同一光条上的点A至少有2个；记同一张图像上、同一光条上的点A为一组；

3)重复步骤2)多次，获取多组点A的三维坐标；

4)依次求取各组点A中两点之间间距，再将其与标准值进行比较获取偏差值，依据偏差值评价线结构光传感器的精度。本步使用的标准值的获取方法为：通过三坐标或影像仪预先获取的阶梯靶标上点A的三维坐标，再获取的同组点A中两点之间的间距。

通过以下步骤获取点A的三维坐标：

①从图片上获取光条上的所有点，记为点集I，按照其在阶梯靶标上每个台阶的踏面、立面进行分段；

②将分段后点集I中的点转换到相机坐标系下，获取各点的三维坐标；

③利用步骤②得到的不同段的点的三维坐标分别进行直线拟合，相邻两条直线的交点的三维坐标即为点A的三维坐标，如图5所示。

为了保证图片中点A的数量能够满足评估需求，阶梯靶标的总高度≥待评价的线结构光传感器的相机的视场宽度；

阶梯靶标的所有踏面的总宽度×cosθ≥待评价的线结构光传感器的深度测量范围；其中θ为待评价的线结构光传感器的相机的交汇角。

该阶梯靶标加工要求简单，标定时工作人员仅需保证光条对齐标记线即可开始采集图像，采集图像数量仅需20张即能在保证测试精度的前提下完成测试；算法原理简单，不涉及复杂运算，易于实现。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (7)

1.一种阶梯靶标，包括设置在底面上多级台阶，每级台阶都包括一个踏面和一个立面；所有立面均垂直于底面；其特征在于：所述踏面与立面的夹角为100～150°；所述立面与踏面相交的边记为棱边；所有棱边相互平行，且在垂直于棱边的方向上设有一条、两条或多条标记线，每条所述标记线均通过所有台阶的踏面和立面。

2.如权利要求1所述阶梯靶标，其特征在于：所述棱边被倒角。

3.如权利要求1所述阶梯靶标，其特征在于：所述踏面与立面的夹角为110～130°。

4.利用如权利要求1或2或3所述阶梯靶标进行线结构光传感器精度评价的方法，所述线结构光传感器包括一个相机和一个投影仪，或者一个相机和一个激光发射器；其特征在于包括如下步骤：

1)所述投影仪或激光发射器向所述阶梯靶标表面投射激光条，每条所述激光条与单条所述标记线重合；

2)所述相机采集投射在所述阶梯靶标上的激光条的图像，获取点A的三维坐标；所述点A为所述激光条与棱边交点，或者是相邻立面、踏面的标记线的延长线在棱边位置的交点；单张图像上在同一光条上的所述点A至少有2个；记同一张图像上、同一光条上的点A为一组；

3)重复步骤2)多次，获取多组点A的三维坐标；

4)依次求取各组点A中两点之间间距，再将其与标准值进行比较获取偏差值，依据偏差值评价所述线结构光传感器的精度。

5.如权利要求4所述方法，其特征在于：通过以下步骤获取所述点A的三维坐标：

①从图片上获取光条上的所有点，记为点集I，按照其在阶梯靶标上每个台阶的踏面、立面进行分段；

②将分段后点集I中的点转换到相机坐标系下，获取各点的三维坐标；

③利用步骤②得到的不同段的点的三维坐标分别进行直线拟合，相邻两条直线的交点的三维坐标即为点A的三维坐标。

6.如权利要求4所述方法，其特征在于：所述步骤4)中标准值的获取方法为：通过三坐标或影像仪获取阶梯靶标上点A的三维坐标，再获取的同组点A中两点之间的间距。

7.如权利要求4所述方法，其特征在于：所述阶梯靶标的总高度≥待评价的所述线结构光传感器的相机的视场宽度；

所述阶梯靶标的所有踏面的总宽度×cosθ≥待评价的所述线结构光传感器的深度测量范围；其中θ为待评价的所述线结构光传感器的相机的交汇角。

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