CN116485915A - 一种激光辅助标定装置以及该装置的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光辅助标定装置以及该装置的使用方法，标定方法步骤为：通过调节激光角度使三台激光器均激光照射在测量面上，采集一张基准图像并保存为灰度图像，移除标定物并放置上多维平移台，读取基准图像设为暗色通道，实时采集当前灰度图像并设置为亮色通道，暗色通道图像与亮色通道图像实时合成图像，放置标定板于平移台上采集图像，提取标定板角点信息，最后计算理想情况下的相机内外参数，使用最小二乘法得到径向畸变的畸变系数；本发明可对各种不同高度、外观的零件检测面准确标定，且能准确定位到测量物的检测面，提高了标定的精度。

Description

一种激光辅助标定装置以及该装置的使用方法

技术领域

本发明涉及机器视觉图像检测领域，特别是涉及一种激光辅助标定装置以及该装置的使用方法。

背景技术

在图像测量、定位以及机器视觉的应用中，为了确定空间物体表面某个点在三维空间的几何位置与在二维图像中对应点之间的相互关系，需要建立相机成像的几何模型，其中几何模型参数就是相机的参数，求解参数过程便是所谓的相机标定。现有标定方式是采用标定板放置于待测量片面，通过提取方格角点坐标以及相机内参数进行计算，但这一过程需要确保标定板放置于待测量片面的正上方，与测量面平行或重合。

但在实际测量中，由于标定物体表面形状的不确定性，经常会出现测量面太小、测量面被物体的其他部分遮挡、无法放置标定板等问题，导致检测过程无法正常进行。如图1-图4所示，测量面位于圆筒内部中间区域，正常标定需要将标定板放置于内部的检测面上，若此时没有合适规格的标定板可以放置到内部的测量面上，便无法进行标定，即使放置于圆筒正上方，无法确定是否与检测面平行便不能确定标定是否有效，并且标定时要求标定板的尺寸必须大于相机视场的1/3，需要同时满足这两个条件才能进行标定。由于这类问题存在，使得校准无法顺利进行，从而影响测量精度。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种激光辅助标定装置以及该装置的使用方法，结构简单，使用方便。

一种用于不同高度零件尺寸测量时的激光辅助标定装置，包括箱体、相机、调节架、点光源、调节台以及标定板；所述相机、调节架以及调节台设置于箱体；所述点光源设置于调节架；所述标定板设置于调节台；所述箱体为一面开口的六面体，所述开口面为箱体的侧面，箱体的另外三个侧面设置有调节架；箱体的顶面设置有相机，底面设置有调节台。

进一步的，所述调节架设置于相机的周围。

一种基于上述装置的激光辅助标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：点光源对待测零件的表面进行标记；

S2：相机记下此时标记的位置，取走待测零件，将调节台放在待测位置，点光源对调节台表面进行标记；

S3：改变调节台的位置姿态，使得相机记录当前调节台表面上的点光源标记位置与S1中点光源标记位置重合；

S4：设置标定板进行标定；利用标定数据对原零件进行尺寸测量。

进一步的，所述S1和S2中使用点光源进行标记的步骤包括：

S11：调节调节架，使得点光源向检测面发射光线；

S12：点光源发出的光线经过检测面的反射，传到相机；

S13：相机采集实时图像。

进一步的，所述S4包括如下步骤：

S41：由世界坐标系变换到相机坐标系；

S42：由相机坐标系变换到成像平面坐标系，其中由相机坐标系变换到成像平面坐标系的过程中包括标定的过程；

S43：矫正成像平面坐标系；

S44：由校正后的成像平面坐标系变换到图像坐标系；

S45：确定相机内外总参数，完成标定。

进一步的，所述S41中，由世界坐标系转换到相机坐标系，包括将点P_w转换为点P_c，具体通过如下算式：

P_c＝R·P_w+T

其中R表示旋转矩阵，T表示平移向量，R包括α,β,γ三个旋转角度；旋转矩阵R(α,β,γ)表示为：

其中，α表示相机坐标系与世界坐标系的X轴的夹角，β表示相机坐标系与世界坐标系的Y轴的夹角，γ表示相机坐标系与世界坐标系的Z轴的夹角；P_c在相机坐标系中的坐标值表示为(x_c，y_c，z_c)；T＝(t_x,t_y,t_z)。

进一步的，所述S42中，由相机坐标系转换到成像平面坐标系的过程中，需要将P_c转换到成像平面坐标系，转换的过程依赖于如下转换关系式：

其中，f表示相机的焦距；u、v表示点P在成像平面坐标系中的坐标值。

进一步的，所述S43中，矫正成像平面坐标系包括：

其中参数k表示径向扭曲的畸变大小；表示经过校正后点P的真实的成像平面坐标值。

进一步的，所述S44中，将理想的成像平面坐标系的点P的坐标转换到图像坐标系，包括：

其中C_x，C_y是投影中心在成像平面坐标系的垂直投影的坐标值，S_x，S_y是图像传感器在水平和垂直方向上相邻像素之间的距离。

进一步的，所述S45中，确定相机内外总参数的过程为：将棋盘格标定板放置于调节台上方，使用相机拍摄下当前的标定板图像，首先从标定板图像上获得棋盘格的角点坐标m_i,j，所述m_i,j在图像坐标系中；通过如下公式，计算投影得到坐标Ti(Mi,c)之间的距离d(c)：

通过对两幅及以上的带有标定板的图像联合求解，求出d(c)的最小值，来确定相机内外总参数c＝(f，k，S_x，S_y，C_x，C_y，t_x，t_y，t_z，α，β，γ)，完成相机的标定过程。

本发明的有益效果为：

通过设置点光源辅助以及调节台，可对各种不同高度，不同外观的零件的检测面进行准确的标定；

引入了一种平面定位的方法，可以准确定位到测量物的检测面，提高了标定的精度；

通过对成像平面坐标系进行校正，修正成像过程中产生的畸变值，使得标定更为准确。

附图说明

图1为棋盘格标定板；

图2为传统标定时测量面位于圆筒内部中间区域；

图3为传统标定时标定板放置于圆筒内部的检测面上；

图4为传统标定时标定板放置于圆筒正上方；

图5为本发明标定装置的简化示意图；

图6为本发明标定装置的简化俯视图；

图7为本发明实施例一标定装置的结构图；

图8为本发明实施例一标定装置的正视图；

图9为本发明不同倾斜度的面光路反射示意图；

图10为本发明调节台示意图；

图11为本发明上底座的仰视图；

图12为本发明上底座的立体图；

图13为本发明调节架的立体图；

图14为本发明测量物检测面定位简化结构图；

图15为本发明测量物检测面检测示意图；

图16为本发明检测面的相机成像示意图；

图17为本发明调节台检测示意图；

图18为本发明调节台还原测量面的成像示意图；

图19为本发明平面成像原理图；

图20为本发明的流程图。

附图标识说明：箱体1、相机2、调节架3、固定座31、曲臂32、点光源4、调节台5、立杆51、反射面52、旋钮53、高度旋钮531、定位旋钮532、支杆54、连接杆541、底座55、上底座551、下底座552、滑杆56、滑块57、定块58、高度调节杆59、标定板6、待测零件7。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一：

如图5-8所示，一种用于不同高度零件尺寸测量时的激光辅助标定装置，包括箱体1、相机2、调节架3、点光源4、调节台5以及标定板6。

所述箱体1为一面开口的六面体，其中开口的一个面为箱体1的侧面，箱体1的另外三个侧面设置有调节架3，箱体1的顶面设置有相机2，底面设置有调节台5，调节台5仅放置与箱体的底面上，调节台5能够在箱体的底面上移动。所述点光源4设置于调节架3。所述标定板6设置于调节台5。箱体1的材料可以为金属材料，在本实施例中选用铁材料，同时，为了便于操作人员的操作，在箱体的底面的下方设置底座，使得调节台的水平高度上升。为了便于标定装置的移动，在箱体的底部设万向轮，能够使标定装置进行随意的移动。

如图13所示，所述调节架3设置于相机2的周围，调节架3为万向调节架3，能够进行水平高度、倾斜角度以及水平位置的调节。调节架3包括固定座31、曲臂32，所述调节架3的固定座31设置有磁铁，目的是使调节架3能够吸附于箱体1上，同时能够调整调节架3的高度和角度。所述曲臂32与固定座31铰连接。所述固定座31远离磁铁的一端设置铰接头，所述铰接头的一端设置螺纹与固定座31之间连接，铰接头的另一端设置球形铰接块。曲臂32的一端与固定座31的铰接头铰接，曲臂32的另一端设置相似的铰接头，该铰接头与点光源连接。曲臂32整体由两块平行的椭圆片构成，两块平行的椭圆片之间设置螺纹连接，椭圆片的两端设置圆形镂空，该镂空与球形铰接块配合。

如图7、13所示，所述点光源4至少为三个，一个调节架3上设置一个点光源4，点光源4与调节架3之间设置螺纹。在本实施例中，点光源4为半导体激光器，点光源4的数量为三个。

如图10-12所示，所述调节台5包括立杆51、反射面52、旋钮53、支杆54、底座55、滑杆56。所述底座包括上底座551和下底座552两部分。所述反射面52设置于上底座551的上表面，反射面52与上底座551之间设置有立杆51。所述立杆51为四个，四个立杆51设置于反射面52的四个角上。所述滑杆56共四根，以两根滑杆56为一组，四根滑杆56分为两组，同一组的滑杆56平行并且处于同一水平面。两组滑杆56分别设置于上底座551的下表面和下底座552的上表面。所述旋钮53包括高度旋钮531和定位旋钮532，旋钮设置于上底座551，位于滑杆56的一端。所述定位旋钮532能够将高度旋钮531锁死，防止标定过程中调节台的高度产生变化。上底座551和下底座552之间还设置支杆54，所述支杆54交叉设置，支杆设置于滑杆56的两侧，两侧的支杆之间设置连接杆541，目的是稳定支杆的支撑。支杆54与滑杆56之间设置有滑块57和定块58，一根滑杆56上设置一个滑块57和一个定块58。所述滑块57与滑杆56套接，滑块57能够沿着滑杆56滑动；所述定块58设置于滑杆56的一端，定块58与底座固定连接。滑块57以及定块58的两侧与支杆铰接，支杆54能够围绕铰接点转动。其中设置于上底座551滑杆56的滑块57上设置有高度调节杆59，所述高度调节杆59与上底座551的滑块57连接。高度调节杆59能够随着高度旋钮531的转动进行延伸或收缩，推动位于上底座551的滑块57沿着滑杆56滑动，进而调节调节台的高度。

一种用于不同高度零件尺寸测量时的激光辅助标定方法，所述标定方法包括如下步骤：

S1：半导体激光器对待测零件7的表面进行标记；所述半导体激光器设置于镜头两侧的调节架3上；所述调节架3为万向调节架3，通过调节架3能够调整半导体激光器的水平高度、倾斜角度以及水平位置；

S2：相机2记下此时标记的位置，取走待测零件7，将调节台5放在待测位置，点光源4对调节台5表面进行标记；

S3：改变调节台5的位置姿态，使得相机2记录当前调节台5表面上的点光源4标记位置与S1中点光源4标记位置重合；

S4：设置标定板6进行标定；

S5：利用标定数据对原零件进行尺寸测量。

如图9、14-20所示，在S1和S2标记过程中，首先调节调节架3，使得点光源4向待测零件7的检测面发出光线，在本实施例中点光源4采用半导体激光器。其次由点光源4从相机2侧面发射出的光线，经过不同倾斜度的检测面的反射之后，传到相机2，所述反射为漫反射。由于点光源4照射在检测面的位置不同，所以点光源4在相机2的成像位置也会有所不同。因此在相机2获得的图像中三个不在同一直线上的点能够确定一个空间中的平面的位置，可以通过亮点在图像上的成像位置来记录平面的位置。本发明至少需要设置三个半导体激光器来实现定位，在本实施例中设置三个半导体激光器实现定位。

在本实施例中，三个半导体激光器发射出激光打在待测零件7的检测面上，通过相机2可以拍摄到的三个暗点的图像；保存暗点的图像，再换上调节台5并且不改变半导体激光器的姿态。由于调节台5的高度和倾角与待测零件7的检测面均可能存在不同，因此三个激光点的位置可能都存在偏差。通过相机2实时采集调节台5的图像，并通过图像处理算法，将待测零件7的检测面的图像与调节台5的图像进行实时合成，观察亮点的位置。调节调节台5四个立杆51的高度进而控制调节台5反射面52的高度和倾角。当调节台5高度和水平发生变化时，亮点的位置也会随之实时变化。观察相机2的成像，当亮点移动到与暗点重合时，说明待测零件7的检测面所在的平面与调节台5的反射面52所在的平面已经重合，之后便可以将标定板6放置于调节台5上方进行标定。

如图15所示，步骤S4包括如下步骤：

S41：先由世界坐标系变换到相机2坐标系；

S42：再由相机2坐标系变换到成像平面坐标系；

S43：矫正成像平面坐标系；

S44:由矫正后的成像平面坐标系变换到图像坐标系；

S45：确定相机2内外总参数，完成标定。

在S41中，由世界坐标系转换到相机2坐标系，包括将点P_w转换为点P_c，具体通过如下算式：

P_c＝R·P_w+T

其中R表示旋转矩阵，T表示平移向量，R包括α,β,γ三个旋转角度。旋转矩阵R(α,β,γ)表示为：

其中，T＝(t_x,t_y,t_z)是一个平移向量；α表示相机2坐标系与世界坐标系的X轴的夹角，β表示相机2坐标系与世界坐标系的Y轴的夹角，γ表示相机2坐标系与世界坐标系的Z轴的夹角。T和R为相机2的外参数，用于描述相机2在世界坐标系中的位置，世界坐标系能够通过外参数转换到相机2坐标系；P_c在相机2坐标系中的坐标值表示为(x_c，y_c，z_c)。

在S42中，由相机2坐标系转换到成像平面坐标系的过程中，需要将P_c转换到成像平面坐标系，转换的过程依赖于如下转换关系式：

其中，f表示相机2的焦距；u、v表示点P在成像平面坐标系中的坐标值。

由于镜头存在畸变，因此这里得到的成像平面坐标值u、v与真实的成像平面坐标值有误差。想要将S42中获得的成像平面转换成真实的成像平面还需要经过S43：对镜头的径向进行畸变校正。

所述镜头径向畸变校正的算式如下所示：

其中参数k表示径向扭曲的畸变大小；表示经过校正后点P的真实的成像平面坐标值。

在S44中，将理想的成像平面坐标系的点P的坐标转换到图像坐标系，包括：

其中C_x，C_y是投影中心在成像平面坐标系的垂直投影的坐标值，S_x，S_y是图像传感器在水平和垂直方向上相邻像素之间的距离；(f，k，S_x，S_y，C_x，C_y)为相机2内参数。

在S45中，确定相机2内外总参数的过程为：将棋盘格标定板6放置于调节台5上方，使用相机2拍摄下当前的标定板6图像，首先对相机2获得的标定板6图像进行算法处理，从标定板6图像上获得棋盘格的角点坐标m_i,j，所述m_i,j在图像坐标系中。通过如下公式，计算投影得到坐标Ti(Mi,c)之间的距离d(c)：

通过对两幅及以上的带有标定板6的图像联合求解，求出d(c)的最小值，来确定相机2参数。求得相机2内外总参数c＝(f，k，S_x，S_y，C_x，C_y，t_x，t_y，t_z，α，β，γ)，完成相机2的标定过程。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光辅助标定装置，其特征在于，包括箱体、相机、调节架、点光源、调节台以及标定板；所述相机、调节架以及调节台设置于箱体；所述点光源设置于调节架；所述标定板设置于调节台；在箱体的底面的下方设置底座，使得调节台的水平高度上升，在箱体的底部设万向轮，能够使标定装置进行随意的移动，

所述点光源用于对待测零件的表面进行标记；

所述相机用于记录点光源标记的位置；

所述调节台调用于调整标定过程中点光源的照射位置，使其与相机记录的位置重合；

所述标定板用于标定，通过标定数据对待测零件进行尺寸测量；

所述相机还能够根据镜头径向畸变校正算式，完成镜头畸变的校正，其中镜头径向畸变校正算式表示为：

其中参数k表示径向扭曲的畸变大小；u、v表示点P在成像平面坐标系中的坐标值；表示经过校正后点P的真实的成像平面坐标值。

2.根据权利要求1所述的一种激光辅助标定装置，其特征在于，所述调节架为万向调节架，能够进行水平高度、倾斜角度以及水平位置的调节。

3.根据权利要求1所述的一种激光辅助标定装置，其特征在于，所述调节架包括固定座、曲臂，所述调节架的固定座设置有磁铁，目的是使调节架能够吸附于箱体上，同时能够调整调节架的高度和角度。所述曲臂与固定座铰连接。

4.根据权利要求3所述的一种激光辅助标定装置，其特征在于，所述曲臂的一端与固定座的铰接头铰接，曲臂的另一端设置相似的铰接头，该铰接头与点光源连接。

5.根据权利要求1所述的一种激光辅助标定装置，其特征在于，所述调节架设置于相机的周围。

6.一种激光辅助标定装置的使用方法，其特征在于，该方法利用权利要求1-5所述的任一项一种激光辅助标定装置，包括如下步骤：

S1：点光源对待测零件的表面进行标记；点光源至少为三个，一个调节架上设置一个点光源；点光源与调节架之间设置螺纹；通过调节架能够调整点光源的水平高度、倾斜角度以及水平位置；

S2：相机记下此时标记的位置，取走待测零件，将调节台放在待测位置，点光源对调节台表面进行标记；

S3：改变调节台的位置姿态，使得相机记录当前调节台表面上的点光源标记位置与S1中点光源标记位置重合；

S4：设置标定板进行标定；利用标定数据对待测零件进行尺寸测量；

S1和S2中使用点光源进行标记的步骤包括：

S11：调节调节架，使得点光源向检测面发射光线；

S12：点光源发出的光线经过检测面的反射，传到相机；

S13：相机采集实时图像。

7.根据权利要求6所述的一种激光辅助标定装置的使用方法，其特征在于，所述S4包括如下步骤：

S41：由世界坐标系变换到相机坐标系；

S42：由相机坐标系变换到成像平面坐标系，其中由相机坐标系变换到成像平面坐标系的过程中包括标定的过程；

S43：矫正成像平面坐标系；

S44：由校正后的成像平面坐标系变换到图像坐标系；

S45：确定相机内外总参数，完成标定。

8.根据权利要求7所述的一种激光辅助标定装置的使用方法，其特征在于，所述S41中，由世界坐标系转换到相机坐标系，包括将点P_w转换为点P_c，具体通过如下算式：

P_c＝R·P_w+T

其中R表示旋转矩阵，T表示平移向量，R包括α,β,γ三个旋转角度；旋转矩阵R(α,β,γ)表示为：

其中，α表示相机坐标系与世界坐标系的X轴的夹角，β表示相机坐标系与世界坐标系的Y轴的夹角，γ表示相机坐标系与世界坐标系的Z轴的夹角；P_c在相机坐标系中的坐标值表示为(x_c，y_c，z_c)；T＝(t_x,t_y,t_z)。

9.根据权利要求8所述的一种激光辅助标定装置的使用方法，其特征在于，所述S42中，由相机坐标系转换到成像平面坐标系的过程中，需要将P_c转换到成像平面坐标系，转换的过程依赖于如下转换关系式：

其中，f表示相机的焦距；u、v表示点P在成像平面坐标系中的坐标值。