CN116295021A - 一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法 - Google Patents

一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法，包括S1：基于针孔成像原理的系统结构，建立相机焦距第一模型；S2，基于凸透镜成像原理的系统结构，建立相机焦距第二模型；S3：结合相机焦距第一模型和相机焦距第二模型，在针孔成像原理的系统结构中，计算相机与激光投射器之间的位置关系；S4：结合相机焦距第一模型和相机焦距第二模型，在凸透镜成像原理的系统结构，计算相机与激光投射器之间的位置关系。该发明相比于现有技术中凭经验调整的方式方法，可以能够直接计算出激光投射器与工业相机之间的最佳位置关系，提高扫描精度和数据处理效率。

Description

一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法
技术领域
本发明涉及视觉测量技术领域，具体涉及一种基于单目线结构光三维扫描系统的工业相机与激光投射器位置关系计算方法。
背景技术
单目线结构光三维扫描系统包含一个相机和一个激光投射器，结构光就是通过投射器投射到被测物体表面的主动结构信息，如激光条纹、格雷码、正弦条纹等；然后，通过单个或多个相机拍摄被测表面即得结构光图像；最后，基于三角测量原理经过图像三维解析计算从而实现三维重建。
对于单目线结构光三维扫描系统而言，系统结构的准确设计是实现三维扫描，确保扫描精度，提高扫描效率的前提。其中，关系到系统结构是否准确的关键在于激光投射器与工业相机的几何位置关系，在实现扫描的过程中，工业相机与激光投射器的不同位置、不同角度导致采集得到的激光线在靶标图像中的位置不同。
在实际测量中，由于工业相机零部件的加工和装配存在误差，在图像坐标系中，空间点的实际二维像素点与理想像素点坐标之间存在光学畸变误差，为了消除该误差，专利号为CN206740073U的现有技术中发明了一种可调相机间距和角度的结构光测量实验装置，该装置通过分体式的可调结构，实现了激光投射器与工业相机之间相对位置关系的调整，但是，由于没有明确的计算方法，只能不断“试错”，无法快速获得最准确的位置关系。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法，能够直接计算出激光投射器与工业相机之间的最佳位置关系。
本发明公开了如下技术方案：
本发明实施例提供了一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤S1：基于针孔成像原理的系统结构，建立相机焦距第一模型；
步骤S2，基于凸透镜成像原理的系统结构，建立相机焦距第二模型；
步骤S3：结合相机焦距第一模型和相机焦距第二模型，在针孔成像原理的系统结构中，计算相机与激光投射器之间的位置关系；
步骤S4：结合相机焦距第一模型和相机焦距第二模型，在凸透镜成像原理的系统结构，计算相机与激光投射器之间的位置关系。
进一步的，所述的方法还包括：
步骤S5：基于采集的工件幅面与相机相距，选取相机与激光投射器之间位置关系的最佳计算公式。
进一步的，步骤S1中，建立相机焦距第一模型的具体方法为：
定义针孔成像原理的系统结构参数；
建立相机焦距第一模型
Figure SMS_1
，其中，/>
Figure SMS_2
为相机焦距，/>
Figure SMS_3
为相距，/>
Figure SMS_4
为工业相机与工件距离，/>
Figure SMS_5
为需要检测的工件幅面长度或宽度。
进一步的，步骤S2中，建立相机焦距第二模型的具体方法为：
定义凸透镜成像原理的系统结构参数；
建立相机焦距第二模型
Figure SMS_6
，其中，/>
Figure SMS_7
为相机焦距，/>
Figure SMS_8
为相距，/>
Figure SMS_9
为工业相机与工件距离，/>
Figure SMS_10
为需要检测的工件幅面长度或宽度。
进一步的，步骤S3的具体计算过程为：
在凸透镜成像原理的系统结构中，计算出
Figure SMS_11
Figure SMS_12
；
在针孔成像原理的系统结构中，计算出
Figure SMS_13
Figure SMS_14
；
利用
Figure SMS_15
数值相等得到/>
Figure SMS_16
；
在针孔成像原理的系统结构中，计算相机与激光投射器之间的位置关系为
Figure SMS_17
。
进一步的，步骤S4的具体实现过程为：
在凸透镜成像原理的系统结构中，分别计算出
Figure SMS_18
Figure SMS_19
以及/>
Figure SMS_20
Figure SMS_21
；
利用
Figure SMS_22
数值相等得到/>
Figure SMS_23
；
在凸透镜成像原理的系统结构中，计算相机与激光投射器之间的位置关系为
Figure SMS_24
。
进一步的，步骤S5的实现过程为：
当采集的工件幅面远大于相距时，即
Figure SMS_25
，此时/>
Figure SMS_26
，采用/>
Figure SMS_27
来计算相机与激光投射器之间的位置关系，否则，采用/>
Figure SMS_28
来计算相机与激光投射器之间的位置关系。
本发明的有益效果：
相比于现有技术中结合经验不断调整的方法，本申请结合针孔成像原理的系统结构和凸透镜成像原理的系统结构，建立了两种系统结构下的相机焦距模型，并在此基础上分别计算出两种模型体系下相机与激光投射器之间的准确位置关系，结合此位置关系的计算公式，即可针对不同的相机和工件位置关系选取最佳的计算公式，有效提高扫描精度，弱化相机畸变对系统精度的影响，提高数据处理效率。
附图说明
图1为本发明方法实施例的流程图；
图2为本发明针孔成像原理的系统结构示意图；
图3为本发明凸透镜成像原理的系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本领域技术人员应当知晓，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而该些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的，除非在本发明明确提出了其中某些或某一具体实施例或实施方式无法与其他的实施例或实施方式进行关联设置或共同使用。同时，下述的具体实施例或实施方式仅作为最优化的设置方式，而不作为限定本发明的保护范围的理解。
如图1所示，本发明提供了一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤S1：基于图2所示的针孔成像原理的系统结构，建立相机焦距第一模型。
参见图2可知，针对针孔成像原理的系统结构，其具体参数设置为：工业相机与激光器的距离为
Figure SMS_31
，工业相机与工件距离为/>
Figure SMS_33
，需要检测的工件幅面长度或宽度为/>
Figure SMS_35
，相机焦距为/>
Figure SMS_30
，工业相机光心轴线与激光器投射出的平面的夹角设为/>
Figure SMS_32
，工业相机幅面夹角的一半设为/>
Figure SMS_34
，相距/>
Figure SMS_36
，/>
Figure SMS_29
。
由△AOB～△EOF得：
Figure SMS_37
，代入上述参数后得到/>
Figure SMS_38
，变形得到相机焦距第一模型为：/>
Figure SMS_39
。
步骤S2，基于图3所示的凸透镜成像原理的系统结构，建立相机焦距第二模型。
参见图3可知，针对凸透镜成像原理的系统结构，其具体设置为：凸透镜中心为
Figure SMS_48
，光线/>
Figure SMS_42
、/>
Figure SMS_44
经光的折射后与过镜头中心点的/>
Figure SMS_51
汇聚于点/>
Figure SMS_55
，过/>
Figure SMS_53
点作平行线与过光轴中心的线段/>
Figure SMS_56
的延长线交于点/>
Figure SMS_52
，/>
Figure SMS_57
点到右侧图像传感器平面的距离是b，并设/>
Figure SMS_40
，设相距为/>
Figure SMS_45
,/>
Figure SMS_43
，工业相机与激光器的距离为/>
Figure SMS_46
，工业相机与工件距离为/>
Figure SMS_49
，需要检测的工件幅面长度或宽度为/>
Figure SMS_54
，相机焦距为/>
Figure SMS_41
，工业相机光心轴线与激光器投射出的平面的夹角设为/>
Figure SMS_47
，工业相机幅面夹角的一半设为/>
Figure SMS_50
。
相机焦距第二模型的建立过程为：
由△AOB～△MON得：
Figure SMS_58
，即：/>
Figure SMS_59
；
由△AEB～△CEO得：
Figure SMS_60
；
由光的直线传播得：
Figure SMS_61
；
则
Figure SMS_62
可转化为：/>
Figure SMS_63
，即/>
Figure SMS_64
；
由此可得出：
Figure SMS_65
；
求解
Figure SMS_66
即可得出/>
Figure SMS_67
。
步骤S3：结合相机焦距第一模型和相机焦距第二模型，在针孔成像原理的系统结构中，计算相机与激光投射器之间的位置关系。
结合附图2和附图3，步骤S3的具体实现过程为：
在图3所示的△MON中，得到
Figure SMS_68
；
在图2所示的△AOB中，得到
Figure SMS_69
；
利用
Figure SMS_70
数值相等得到/>
Figure SMS_71
；
在图2所示的△DOF中，代入
Figure SMS_72
的计算公式可知，/>
Figure SMS_73
。
步骤S4：结合相机焦距第一模型和相机焦距第二模型，在凸透镜成像原理的系统结构，计算相机与激光投射器之间的位置关系。
结合附图2和附图3，步骤S4的具体实现过程为：
在图3所示的△AOB中，
Figure SMS_74
；
在图3中，由△AEB～△CEO可得，
Figure SMS_75
，则/>
Figure SMS_76
；
由此可得
Figure SMS_77
；
在图3所示的△MON中，
Figure SMS_78
；
利用
Figure SMS_79
数值相等得到/>
Figure SMS_80
；
相机与激光投射器之间的位置关系为
Figure SMS_81
。
步骤S5：基于采集的工件幅面与相机相距，选取相机与激光投射器之间位置关系的最佳计算公式。
利用步骤S中计算出的公式继续变换得到
Figure SMS_82
，若采集的工件幅面远大于相距，则/>
Figure SMS_83
可忽略不计，/>
Figure SMS_84
，可用公式/>
Figure SMS_85
计算，提高效率，否则，采用/>
Figure SMS_86
来计算，精度更高。
相机的型号确定后相距
Figure SMS_87
确定，/>
Figure SMS_88
为工件幅面大小，即实际需要扫描的实际物体大小，需要提前确认。相机的型号确定后，相机焦距/>
Figure SMS_89
确定，即可根据实际需求调节相机与激光器距离与角度。
需要注意的是，调整相机安装位置时，使相机大像素对应物体的长度或宽度较大的位置，从而使采集得到靶标图像上的激光数据在大像素方向，在同样距离下可扫描得到尽可能大的工件。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明的具体结构，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管说明书及附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
步骤S1：基于针孔成像原理的系统结构，建立相机焦距第一模型；
步骤S2，基于凸透镜成像原理的系统结构，建立相机焦距第二模型；
步骤S3：结合相机焦距第一模型和相机焦距第二模型，在针孔成像原理的系统结构中，计算相机与激光投射器之间的位置关系；
步骤S4：结合相机焦距第一模型和相机焦距第二模型，在凸透镜成像原理的系统结构中，计算相机与激光投射器之间的位置关系。
2.根据权利要求1所述的一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法，其特征在于，所述的方法还包括：
步骤S5：基于采集的工件幅面与相机相距，选取相机与激光投射器之间位置关系的最佳计算公式。
3.根据权利要求1所述的一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法，其特征在于，步骤S1中，建立相机焦距第一模型的具体方法为：
定义针孔成像原理的系统结构参数；
建立相机焦距第一模型为：
Figure QLYQS_1
，其中，/>
Figure QLYQS_2
为相机焦距，/>
Figure QLYQS_3
为相距，/>
Figure QLYQS_4
为工业相机与工件距离，/>
Figure QLYQS_5
为需要检测的工件幅面长度或宽度。
4.根据权利要求3所述的一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法，其特征在于，步骤S2中，建立相机焦距第二模型的具体方法为：
定义凸透镜成像原理的系统结构参数；
建立相机焦距第二模型为：
Figure QLYQS_6
，其中，/>
Figure QLYQS_7
为相机焦距，/>
Figure QLYQS_8
为相距，/>
Figure QLYQS_9
为工业相机与工件距离，/>
Figure QLYQS_10
为需要检测的工件幅面长度或宽度。
5.根据权利要求4所述的一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法，其特征在于，步骤S3的具体计算过程为：
在凸透镜成像原理的系统结构中计算
Figure QLYQS_11
，得到/>
Figure QLYQS_12
Figure QLYQS_13
；
在针孔成像原理的系统结构中计算
Figure QLYQS_14
，得到/>
Figure QLYQS_15
Figure QLYQS_16
；
利用
Figure QLYQS_17
数值相等，得到/>
Figure QLYQS_18
；
基于上述等式，在针孔成像原理的系统结构中，计算相机与激光投射器之间的位置关系为
Figure QLYQS_19
。
6.根据权利要求4所述的一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法，其特征在于，步骤S4的具体实现过程为：
在凸透镜成像原理的系统结构中，利用不同的夹角，计算出两个
Figure QLYQS_20
的值，分别为
Figure QLYQS_21
Figure QLYQS_22
以及/>
Figure QLYQS_23
Figure QLYQS_24
；
利用
Figure QLYQS_25
数值相等，得到/>
Figure QLYQS_26
；
基于上述等式，在凸透镜成像原理的系统结构中，计算相机与激光投射器之间的位置关系为
Figure QLYQS_27
。
7.根据权利要求2所述的一种单目线结构光系统中相机与激光器位置关系计算方法，其特征在于，步骤S5的实现过程为：
当采集的工件幅面远大于相距时，采用
Figure QLYQS_28
来计算相机与激光投射器之间的位置关系，否则，采用/>
Figure QLYQS_29
来计算相机与激光投射器之间的位置关系。
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