CN116342718B - 一种线激光3d相机的标定方法、装置、存储介质及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线激光3D相机的标定方法、装置、存储介质及设备，其通过建立空间点与像素点之间的一一对应关系完成像素点到空间点的转换，从而实现三维相机的标定。该方法通过将激光线打在预先印有竖线的标定板上，能够方便准确地计算图像特征点；通过竖线间距已知的标定板以及位移装置获取激光线与标定板竖线交点对应的真实坐标；通过交点的图像坐标以及对应的世界坐标建立拟合模型，从而直接对3D相机进行标定，标定过程简单方便，节省人工与时间成本，且标定板结构简单，容易制作，能够保证精度。

Description

一种线激光3D相机的标定方法、装置、存储介质及设备

技术领域

本发明涉及线激光3D相机标定领域，特别涉及一种线激光3D相机的标定方法、装置、存储介质及设备。

背景技术

基于线激光的三维重建技术，主要是通过向物体表面投射激光，激光由于物体表面深度的变化以及可能的间隙而受到调制，表现在图像中则是光条发生了变化和不连续，变化的程度与深度成正比，不连续则显示出了物体表面的物理间隙。通过数学模型重建此调制过程，从而根据激光平面和物体外表面交线的二维激光条纹图像获得其三维坐标。由于其重建速度快、结构简单、精度高、抗干扰能力强的优点，被广泛应用于汽车生产、电子制造等各个领域中的产品尺寸检测、焊缝跟踪、工件轮廓测量、机器人轨迹引导等诸多场景中。

基于线激光的三维重建技术主要包括相机标定、激光条纹中心线提取、激光平面标定等部分，其中，激光条纹中心线提取有灰度重心法、基于Hessian矩阵的steger算法等众多成熟解决方案，而相机标定主要使用二维标靶的张氏标定法及其改良方法来完成。在相机以及激光面得到标定参数用于三维重建时，随着量程的增大，误差逐渐增大，因此还需要对其测量精度进行补偿。沙姆相机复杂的标定使得标定一次的时间成本是巨大的，想要实现量产通过人工拍图标定的方式是不现实的。

线激光3D相机，是一种基于三角测量原理，通过图像传感器，捕获激光发生器投射在物体表面的激光线信息，重构物体表面轮廓信息的三维相机，其主要由沙姆相机和线激光发生器组成。更精确地说，他将激光点投射到物体表面，然后通过传感器捕获其反射，进而通过相应转换，重构物体表面轮廓信息。传统线激光3D相机的标定主要包含三个步骤：沙姆相机的标定、激光面的标定、精度补偿，过程非常复杂，且各个标定过程中的误差相互间存在着一定的影响。

为了解决上述问题，本发明提出一种简便迅速的线激光三维相机标定方法与流程，其通过建立空间点与像素点之间的一一对应关系完成像素点到空间点的转换，从而实现三维相机的标定。

与本发明的技术方案相关的一些现有技术如下：

中国专利公开文件CN 115222823 A一种3D线激光相机光平面的标定方法中，通过预调整，将激光线直接打在圆点标定板的某一行特征点上，通过单轴移动，使激光线落在圆点标定板不同行的特征板上，以单轴移动距离+圆点标定板特征点内在位置关系确定真实三维信息。

中国专利公开文件CN 113487685 A线激光扫描相机的标定方法、装置、设备和存储介质中，通过棋盘格的四个格点定位激光线特征点，配合单轴移动距离确定真实三维信息。

中国专利公开文件CN 114066996 A一种三维测量设备的标定方法中，利用已知倾斜角度的圆点标定板，配合单轴位移台用于横向移动，间接改变打在标定板上激光线的轴向高度，以此来获得真实三维信息。

中国专利公开文件CN 111351461 A一种线激光相机的标定装置及标定方法中，利用等高的已知间距的标定尖点和标定狭缝，三维调节3D相机，使得激光线通过标定狭缝，且所有标定尖点均位于激光面上。因为激光与所有标定尖点相切，所以传感器仅需拍摄一张图片，提取标定尖点的像素坐标，即可得到激光平面与传感器平面的对应关系。

中国专利公开文件CN 109697736 A测量系统的标定方法、装置、电子设备及可读存储介质中，利用传感器拍摄激光器打到已知尺寸的台阶量块上，将激光线在台阶的边缘点作为特征点进行对应关系映射。

中国专利公开文件CN 107339938 A一种用于单目立体视觉自标定的异型标定，利用已知尺寸的异形结构件，以其边缘点作为特征点进行对应关系映射。

中国专利公开文件CN 115393442 A一种三维相机的标定方法、装置及标定系统，利用直角形标定块，将其直角顶点作为为特征点进行对应关系映射。

上述技术方案存在的主要问题在于：1、采用的标定板呈三维立体结构，制作复杂且难以保证精度；2、特征点提取复杂，且提取精度不高；3、只针对标定中的一步或几步，未形成3D相机标定的完整方案。

发明内容

本发明提出的一种线激光3D相机的标定方法、装置、存储介质及设备，可至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：

一种线激光3D相机的标定方法，该方法包括：

线激光器发射的线激光垂直照射在具有多条互相平行且间距已知的竖线的刻线标定板上，刻线标定板上的激光线与竖线垂直；

3D相机采集线激光照射在刻线标定板上的图像，获取激光线图；

根据所述激光线图，计算所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标；

刻线标定板沿着靠近或远离线激光器的方向多次移动，且移动距离已知；每次移动后，按照上述步骤计算所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标，进而得到所述激光线和所述竖线的交点的世界坐标；

根据所述图像坐标和所述世界坐标对3D相机进行标定。

进一步地，还包括对标定结果进行验证：

刻线标定板沿着靠近或远离线激光器的方向多次移动，且移动距离已知；每次移动后所述3D相机获取一张激光线图；

根据所述3D相机标定结果和所述激光线图，计算每次移动后所述激光线的世界坐标，获取每个激光线的检测高度；

根据刻线标定板的移动距离获取每个激光线的真实高度；

判断每个激光线的所述检测高度与所述真实高度之间的差值是否均小于设定阈值，若是，则本次3D相机标定成功；若否，则本次3D相机标定失败。

进一步地，所述根据所述激光线图，计算所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标，包括：

从所述激光线图上提取激光线中心点坐标；

根据所述激光线中心点纵坐标均值，截取所述激光线图上在所述纵坐标均值上下设定范围内的截取图像，提取所述截取图像中每一条竖线的横坐标粗略值；

根据所述横坐标粗略值和所述激光线中心点坐标，获取所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标粗略值；

根据所述交点的图像坐标粗略值，在所述激光线图中截取设定范围的图像，拟合激光线中心点坐标对应的直线方程；

根据所述交点的图像坐标粗略值，在所述截取图像中截取设定范围的单条竖线截取图像，并提取竖线中心点坐标，拟合竖线中心点坐标对应的直线方程；

计算所述激光线中心点坐标对应的直线方程和所述竖线对应的直线方程的交点坐标，获得所有所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标。

进一步地，所述从所述激光线图上提取激光线中心点坐标之前，还包括：

对所述激光线图依次进行高斯滤波、中值滤波、阈值化处理。

进一步地，还包括：

使用最小二乘法拟合激光线中心点坐标对应的直线方程、竖线中心点坐标对应的直线方程。

进一步地，所述得到所述激光线和所述竖线的交点的世界坐标，包括：

设沿着激光线的方向为X轴，选取任一竖线为X轴零点，根据已知的竖线间的间距，获取每个交点的X坐标值；

设刻线标定板沿着靠近或远离线激光器移动的方向为Z轴，选取任一位置为Z轴零点，根据已知的刻线标定板移动位置，获取每个交点的Z坐标值。

进一步地，所述根据所述图像坐标和所述世界坐标对3D相机进行标定，包括：

在图像坐标系中，设沿着激光线的方向为横坐标轴，垂直激光线的方向为纵坐标轴，所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标为(u,v)；

在世界坐标系中，所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标为(X,Z)；

根据相互对应的所述图像坐标(u,v)和所述世界坐标(X,Z)，拟合下式：

其中N为预设的最高项次数，a、b为标定参数。

另一方面，本发明还提出一种线激光3D相机的标定装置，用于对线激光3D相机进行标定包括：

刻线标定板，所述刻线标定板上具有多条互相平行且间距已知的竖线；所述刻线标定板可沿着靠近或远离线激光3D相机的方向移动；

所述线激光3D相机发射的线激光垂直照射在刻线标定板上，投射在刻线标定板上的激光线与竖线垂直；

上位机，用于执行上述的线激光3D相机的标定方法。

再一方面，本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述的线激光3D相机的标定方法。

又一方面，本发明还提出一种设备，包括线激光3D相机和与所述线激光3D相机相连的上位机，所述线激光3D相机使用上述的线激光3D相机的标定方法进行标定；

所述上位机用于控制所述线激光3D相机进行拍摄，并根据拍摄的图像，计算被拍摄物体的三维信息。

本发明通过将激光线打在预先印有竖线的标定板上，能够方便准确地计算像素特征点；通过竖线间距已知的标定板以及位移装置获取激光线与标定板竖线交点对应的真实坐标；通过交点的图像坐标以及对应的世界坐标建立拟合模型，从而直接对3D相机进行标定，标定过程简单方便，节省人工与时间成本，且标定板结构简单，容易制作，能够保证精度。

附图说明

图1是本发明实施例中的线激光3D相机的标定方法流程图；

图2是本发明实施例中的线激光3D相机的标定装置示意图；

图3是本发明实施例中线激光与刻线标定板上的竖线交点图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提出了一种线激光3D相机的标定方法，该标定方法依托于下述装置，如图2所示，包括：

标定平台，标定平台上安装有刻线标定板、线激光器和3D相机，其中线激光器和3D相机一起构成线激光3D相机。

刻线标定板上具有多条互相平行且间距已知的竖线，刻线标定板可沿着靠近或远离线激光器的方向移动，并能精确知道刻线标定板所在位置和每次移动的距离。

线激光器发射的线激光垂直照射在刻线标定板上，投射在刻线标定板上的激光线与竖线垂直，当刻线板移动时，投射的激光线应打在标定板相同位置。

基于上述装置，本实施例还应包括上位机，用于执行以下步骤对3D相机进行标定，如图1所示，包括：

步骤100、线激光器向刻线标定板发射线激光，同时三维相机采集照射在标定板上的激光线图像，刻线标定板包含若干间距已知且平行的竖线，且线激光器发射的激光平面应该垂直于刻线标定板，并且当激光线打在刻线标定板上时，激光线应垂直于刻线标定板的竖线。

步骤200、从所述激光线图中提取激光线与所有标定板竖线交点的图像坐标；设激光线图为I₁，所述步骤200具体包括：

S201、对I₁依次进行高斯滤波、中值滤波、阈值化，得到处理之后的图I₂；进行处理后的图像上激光线较为明显，便于进行提取中心点操作，提高了后续标定的精度。

S202、提取I₂中激光线中心点坐标，记为points；线激光器投射在物体上的线激光并非一条理想的直线，而是有一定宽度的激光线，此时需要提取激光线的中心点，再构成中心线，即为理想的激光线。对于提取激光线中心点的技术，常见的有灰度重心法、基于Hessian矩阵的steger算法等。

S203、根据I₂图像中间若干区域中心点坐标的纵坐标均值y，在I₁中截取出此均值上下设定的区域的图像，记为I₃。其中截取设定区域的图像，使得每条竖线都被截取与激光线相交的部分的线段，优选的，截取的设定区域为以纵坐标均值y为中心，上下各截取30-50个像素范围的图像。若不进行截取操作，则整个竖线数据量较大，远离激光线的竖线会变得非常暗，难以提取竖线中心点，且在图像上竖线并非理想的直线，反而增加了误差大小。

S204、对图像I₃进行处理，识别每一条网格竖线并确定每条网格竖线的粗略位置，在I₃中定位出每一条网格竖线所在横坐标的粗略值。

S205、遍历步骤S204中每一条竖线，对于当前竖线V_S，其对应图像中的横坐标的粗略值为u₀，因此可以在points中找到u₀对应的激光线纵坐标v₀。此时的(u_0,v₀)是激光线和竖线交点坐标的粗略值，该粗略值用于寻找合适的区域来求取交点坐标精确值。

S206、在I₃中提取(u₀，v₀)坐标上下左右设定区域内的竖线中心坐标，该设定区域包括每个激光线和竖线交点坐标的粗略值(u_0,v₀)所定位的竖线；去除激光线的影响，只保留没有激光线干扰的竖线中心坐标。此处提取竖线中心坐标与提取线激光中心坐标类似，由于竖线在图像上并非一条理想的直线，而是具有一定的宽度，故提取其中心点坐标构成的直线可视为理想的竖线。

S207、对S206中得到的坐标采用预设最小二乘法进行拟合，可得到竖线V_S对应的 直线方程；其中k_g和b_g是拟合系数。

S208、在points中找到横坐标在[u₀-Δu₀,u₀+Δu₀]范围内的坐标点，其中Δu₀为设定的像素范围，Δu₀优选地小于两条竖线之间的像素距离。

S209、对S208中得到的坐标点采用预设最小二乘法进行拟合可得到当前激光线段 的直线方程；其中k₁和k₂是拟合系数。

S210、计算S207和S209中两条直线的交点坐标p，p的坐标为(u,v)。此时的交点坐标p(u,v)才是激光线和竖线交点坐标的精确值，可用于后续相机的标定。

S211、重复步骤S205~S210，即可得到当前位置激光线与所有网格竖线的交点，这些点就是要求的交点的图像坐标，如图3所示。

步骤300、计算步骤200中每一个交点对应的真实世界坐标(X,Z)，具体包含以下步骤和方法：

S301、移动刻线标定板，移动后也要保证激光面垂直刻线板，激光线垂直标定板上的竖线，并记录每一个移动位置。

S302、在每一个移动位置按照步骤200所述步骤和方法，获取激光线与标定板竖线交点的图像坐标。

S303、根据步骤S301记录的每个移动位置，设分别是[z₁,z₂,z₃,...,z_n]，在中间找一个参考零点，即可得到每个位置所有交点对应的Z坐标。

S304、由于标定板竖线间的间距已知，可选取某一条竖线当作X轴参考零点，即可得到当前位置每一个特征点对应的X坐标。

根据以上步骤即可得到交点的世界坐标。

步骤400、根据交点的图像坐标以及对应的世界坐标计算标定参数。

通过以上步骤和方法，可将整个传感器平面上交点的图像坐标(u,v)与世界坐标(X,Z)一一对应，具体标定参数计算步骤和方法如下：

S401、建立世界坐标X和Z相对图像坐标的拟合模型：

其中N为设定的最高项次数，a、b为标定参数。

S402、采用预设最小二乘法计算上面模型参数即可得到线激光3D相机的标定参数。

步骤500、本实施例针对上述的线激光3D相机标定步骤，还提供了一种标定结果检验的方法，包括：

S501、控制3D相机激光器激光打在标定板上。

S502、随机运动标定板，在每一个随机运动位置控制传感器采集一张激光线图，同时记录每一个运动位置；要保证每个位置处激光线都能在传感器中清晰成像。

S503、记录若干个位置并采集若干张图像，选取一个位置作为参考位置。

S504、识别每一张图像中激光线中心图像坐标，根据上面所述的标定参数，将中心图像坐标转换为计算的世界坐标，当前位置的激光线计算坐标减去参考位置的激光线计算坐标获得当前激光线相对参考激光线的计算高度。

S505、当前位置减去参考位置获得当前激光线相对参考激光线的真实高度。

S506、计算所述真实高度和计算得到的高度之间的差值。

S507、判断所述差值是否小于给定阈值。

S508、判断所有位置的差值是否都小于给定阈值，若是，则认为本次标定成功，否则标定不成功，则认为此次标定失败。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有至少一个程序数据，该程序数据用于实现上述任一线激光3D相机的标定方法。计算机可读存储介质包括：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。

本发明还公开了一种设备，具体来说是一种三维成像设备，包括线激光3D相机和与线激光3D相机相连的上位机，其中，线激光3D相机使用上述的线激光3D相机的标定方法进行标定。上位机则用于控制线激光3D相机进行拍摄，并根据拍摄的图像，计算被拍摄物体的三维信息。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种线激光3D相机的标定方法，其特征在于，该方法包括：

线激光器发射的线激光垂直照射在具有多条互相平行且间距已知的竖线的刻线标定板上，刻线标定板上的激光线与竖线垂直；

3D相机采集线激光照射在刻线标定板上的图像，获取激光线图；

从所述激光线图上提取激光线中心点坐标；根据所述激光线中心点纵坐标均值，截取所述激光线图上在所述纵坐标均值上下设定范围内的截取图像，提取所述截取图像中每一条竖线的横坐标粗略值；

根据所述横坐标粗略值和所述激光线中心点坐标，获取所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标粗略值；根据所述交点的图像坐标粗略值，在所述激光线图中截取设定范围的图像，拟合激光线中心点坐标对应的直线方程；

根据所述交点的图像坐标粗略值，在所述截取图像中截取设定范围的单条竖线截取图像，并提取竖线中心点坐标，拟合竖线中心点坐标对应的直线方程；计算所述激光线中心点坐标对应的直线方程和所述竖线对应的直线方程的交点坐标，获得所有所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标；

刻线标定板沿着靠近或远离线激光器的方向多次移动，且移动距离已知；每次移动后，按照上述步骤计算所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标，进而得到所述激光线和所述竖线的交点的世界坐标；

根据所述图像坐标和所述世界坐标对3D相机进行标定。

2.根据权利要求1所述的线激光3D相机的标定方法，其特征在于，还包括对标定结果进行验证：

刻线标定板沿着靠近或远离线激光器的方向多次移动，且移动距离已知；每次移动后所述3D相机获取一张激光线图；

根据所述3D相机标定结果和所述激光线图，计算每次移动后所述激光线的世界坐标，获取每个激光线的检测高度；

根据刻线标定板的移动距离获取每个激光线的真实高度；

判断每个激光线的所述检测高度与所述真实高度之间的差值是否均小于设定阈值，若是，则本次3D相机标定成功；若否，则本次3D相机标定失败。

3.根据权利要求1所述的线激光3D相机的标定方法，其特征在于，所述从所述激光线图上提取激光线中心点坐标之前，还包括：

对所述激光线图依次进行高斯滤波、中值滤波、阈值化处理。

4.根据权利要求3所述的线激光3D相机的标定方法，其特征在于，还包括：

使用最小二乘法拟合激光线中心点坐标对应的直线方程、竖线中心点坐标对应的直线方程。

5.根据权利要求1所述的线激光3D相机的标定方法，其特征在于，所述得到所述激光线和所述竖线的交点的世界坐标，包括：

设沿着激光线的方向为X轴，选取任一竖线为X轴零点，根据已知的竖线间的间距，获取每个交点的X坐标值；

设刻线标定板沿着靠近或远离线激光器移动的方向为Z轴，选取任一位置为Z轴零点，根据已知的刻线标定板移动位置，获取每个交点的Z坐标值。

6.根据权利要求5所述的线激光3D相机的标定方法，其特征在于，所述根据所述图像坐标和所述世界坐标对3D相机进行标定，包括：

在图像坐标系中，设沿着激光线的方向为横坐标轴，垂直激光线的方向为纵坐标轴，所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标为(u,v)；

在世界坐标系中，所述激光线和所述竖线的交点的图像坐标为(X,Z)；

根据相互对应的所述图像坐标(u,v)和所述世界坐标(X,Z)，拟合下式：

；

；

其中N为预设的最高项次数，a、b为标定参数。

7.一种线激光3D相机的标定装置，用于对线激光3D相机进行标定，其特征在于，包括：

刻线标定板，所述刻线标定板上具有多条互相平行且间距已知的竖线；所述刻线标定板可沿着靠近或远离线激光3D相机的方向移动；

所述线激光3D相机发射的线激光垂直照射在刻线标定板上，投射在刻线标定板上的激光线与竖线垂直；

上位机，用于执行如权利要求1至6中任一所述的线激光3D相机的标定方法。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至6中任一项所述的线激光3D相机的标定方法。

9.一种设备，包括线激光3D相机和与所述线激光3D相机相连的上位机，其特征在于，所述线激光3D相机使用如权利要求1至6中任一项所述的线激光3D相机的标定方法进行标定；

所述上位机用于控制所述线激光3D相机进行拍摄，并根据拍摄的图像，计算被拍摄物体的三维信息。