CN117036510B - 线光谱共聚焦传感器标定方法、系统及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线光谱共聚焦传感器标定方法、系统及设备，该方法包括以下步骤：改变标定物和线光源的相对位姿；采集所述相对位姿改变前后，标定物表面各光谱中心点，分别拟合成移动前后存在空间交点的合集曲线；任选两个空间交点处其中一侧的曲线段，拟合两个曲线段的交点/延伸交点；建立该交点/延伸交点坐标与已知标定物表面曲线拟合形成的空间交点的真实坐标的对应关系，计算线光谱共聚焦的标定参数。本发明不仅通过旋转和平移，有效增加了特征点的采集个数，使得标定精度得到明显提升，同时通过增加虚拟交点的数量，进一步为标定参数的精度提供数据支持；通过建立空间点与像素点之间的一一对应关系，从而实现线光谱共焦系统的标定。

Description

线光谱共聚焦传感器标定方法、系统及设备

技术领域

本发明属于光谱共聚焦领域，尤其涉及一种线光谱共聚焦传感器标定方法、系统及设备。

背景技术

光谱共聚焦是一种利用光学方法的非接触式三维测量技术，其将光源出射的宽谱复色光通过色散透镜汇聚于轴向的不同位置，只有满足共焦条件的单色光可以最大程度地被光谱仪探测到。通过测量峰值波长即可推算出物体表面在轴向的距离。依据测量方式可分为点共聚焦系统和线共聚焦系统，均需要依据传感器所拍摄图案，反推出真实的空间坐标。而由于色散的非线性、色散镜头的畸变、成像光谱仪的畸变等因素影响，需要对共聚焦系统进行畸变矫正。

传统的畸变矫正方法常用张氏标定法及其改良方法，但在光谱共聚焦系统中，传感器只记录返回的光谱信息，不直接获取所摄物体图像，难以用常规方法标定。

基于光谱共焦技术的光谱共焦测量系统利用色散物镜组，使光源在经过色散物镜组聚焦后发生色散，在光轴上形成连续的，距离色散透镜不相同的单色光焦点，从而建立起波长与轴向距离的对应关系，再利用光谱仪等获得待测物体表面反射后的光谱信息，从而得到相应的位置信息。若光源为小孔则最终聚焦成像为点，称为点扫描共聚焦；如果光源为过狭缝的线光源，则最终成像为一条扫描线，称为线扫描共聚焦。

专利CN114754676A公开了一种线光谱共焦标定方法、装置、设备、系统及存储介质，提出利用标定板在线光谱共焦传感器量程内，采集其测量标定板而形成的传感器成像图像，并进行线位标定、峰值标定和间距测试，获得传感器标定结果。该方法与点共聚焦系统标定流程相似，仅对系统的轴向进行标定，即仅将传感器图像与轴向位置进行标定，无法对传感器图像上各个点对应的实际横向位置进行标定。

综上所述，现有技术主要有以下不足：

（1）传统光谱共聚焦系统中，传感器只记录返回的光谱信息，不直接获取所摄物体图像，难以用常规方法标定；

（2）现有线光谱共焦标定方法中，仅将传感器图像与轴向位置进行标定，无法对传感器图像上各个点对应的实际横向位置进行标定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种线光谱共聚焦传感器标定方法、系统及设备。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种线光谱共聚焦传感器标定方法，该方法包括以下步骤：

改变标定物和线光源的相对位姿；

采集所述相对位姿改变前后，标定物表面各光谱中心点，分别拟合成移动前后存在空间交点的合集曲线；

任选两个空间交点处其中一侧的曲线段，拟合两个曲线段的交点/延伸交点；

建立该交点/延伸交点坐标与已知标定物表面曲线拟合形成的空间交点的真实坐标的对应关系，计算线光谱共聚焦的标定参数。

进一步地，改变标定物和线光源的相对位姿，包括标定物或线光源的旋转和/或平移，旋转量或平移量已知。

进一步地，所述合集曲线相对于线光源，存在不同高度的特征点。

进一步地，所述标定参数的计算采用最小二乘法。

进一步地，还包括标定检验，用于检测标定参数是否成功，通过更换或移动标定物，采集标定物变换后的特征点坐标，基于标定参数，计算标定坐标值与标定物变换后对应特征点的真实坐标值的差值，是否在检验阈值范围。

进一步地，标定物表面存在已知对应的曲线方程。

进一步地，若合集曲线中特征点个数较少或为0时，调整标定物相对线光源距离，使集合曲线中特征点数量较多，提升标定精度

本发明还提出了一种线光谱共聚焦传感器标定系统，包括：

线光源模块，经透镜组色散后照射到标定物表面；

标定反射模块，标定物被线光源照射表面存在多个不同相对线光源高度的特征点，若干特征点相对位置已知；

标定移动模块，移动标定物相对线光源模块位置，移动包括标定物或线光源的旋转和/或平移，旋转量或平移量已知，以使移动前后采集的标定物表面光谱中心点，拟合形成的集合曲线存在多个交点；

标定运算模块，用于执行上述标定方法。

本发明还提出了一种设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有被处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执行上述标定方法。

本发明还提出了一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述标定方法。

本发明的有益效果是：

（1）本发明不仅通过旋转和平移，有效增加了特征点的采集个数，使得标定精度得到明显提升，同时通过增加虚拟交点的数量，进一步为标定参数的精度提供数据支持；

（2）本发明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，从而实现线光谱共焦系统的标定；

（3）本发明利用构造的空间特征点，能够同时标定传感器二维平面与实际空间的轴向横向位置映射关系；

（4）本发明流程简单，操作方便，有效节省了人工与时间成本；

（5）本发明中拟合模型简易、通用，提高了标定精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明中的线光谱共聚焦标定方法流程图；

图2是本发明中的线光谱共聚焦标定方法实施示意图；

图3是本发明中第一实施例的标定物截面及线光谱共聚焦传感器得到的测量信号叠加交点示意图；

图4是本发明中第二实施例的标定物截面及线光谱共聚焦传感器得到的测量信号叠加交点示意图；

图5是本发明中第三实施例的标定物截面及线光谱共聚焦传感器得到的测量信号叠加交点示意图；

图6是本发明中第四实施例的表面为平面的标定物截面及线光谱共聚焦传感器得到的测量信号叠加交点示意图；

图7是本发明中的坐标系示意图。

实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例首先提供一种线光谱共聚焦传感器标定方法，该方法包括以下步骤：

S1：改变标定物和线光源的相对位姿,包括标定物或线光源的旋转和/或平移，旋转量或平移量已知，通过控制标定物或线光源空间旋转和/或平移，采集不同位置标定物上的特征点，增加特征点个数，提升标定精度；

S2：采集所述相对位姿改变前后，标定物表面各光谱中心点，分别拟合成移动前后存在空间交点的合集曲线；

如图2所示，标定物放置在线光谱共聚焦的线光源下方，标定物安装至线光谱共焦传感器量程内；宽光谱的复色光由线光源发出，经镜头中的色散物镜的色散，不同波长的光聚焦在不同位置，并形成一个共焦平面后，照射到标定物表面。

利用标定物表面高度的不同，反射线光源在不同焦平面上的光。反射光经单轴式系统的原照明光路，或双轴式系统的成像光路，过光谱仪的共轭狭缝并聚焦到面阵传感器上。

光谱仪对面阵传感器采集的反射光的光谱数据进行解码，即可得到标定物在入射光覆盖区域的标定物表面深度信息。

线光源入射到标定物表面中心位置对应为，面阵传感器上该表面对应像素的光谱中心点。若干光谱中心点可拟合对应线光源覆盖标定物表面上真实空间曲线的合集曲线。

只有聚焦到标定物表面的光才能进入成像光路被面阵相机采集，而离焦光则被极大衰减，故光谱仪得到的标定物表面深度均不超过线光源的色散范围。因此，集合曲线可能存在非连续性曲线。若合集曲线中特征点个数较少或为0时，调整标定物相对线光源距离，使集合曲线中特征点数量较多，提升标定精度。

利用传感器采集反射回的扫描线所对应的光谱分布图像，按行或列提取光谱信息峰值坐标点，依据各坐标点拟合求得标定物表面曲线和特征点对应的传感器像素坐标。

标定物为三维标定板，包含若干间距已知的倾斜面，相邻平面的交线相互平行且间距已知，且扫描线平面垂直于三维标定板底面及其倾斜面交线。

为了进一步提高标定精度，除了标定物表面特征点信息已知，还可提供标定物表面对应的曲线方程，为像素坐标的拟合提供精度支持。

拟合求得标定物表面曲线具体通过设置不同已知高度的波峰和波谷，提取其中的特征点，其中，波峰和波谷处可以是曲线。如果波峰或波谷处为曲线，则对应的激光线中心点坐标应当拟合为曲线。对应的曲线方程应为：

其中，a为拟合系数，曲线拟合的方法同样采样随机一致性采样算法。常见的曲线方程如多项式曲线方程。

S3：任选两个空间交点处其中一侧的曲线段，拟合两个曲线段的交点/延伸交点。

所述空间交点为图像边缘上曲率较大的点，即曲线波峰点、波谷点、拐点。

在合集曲线中，任取一个特征点，以该特征点为中心特征点，取其两侧相邻的两个特征点之间的合集曲线段，拟合两个合集曲线段的交点或延伸交点。

若中心特征点任一侧非相邻特征点之间的集合曲线段，拟合出的延伸交点无法与中心特征点对应。

从光谱分布图像中提取扫描线与倾斜面交线交点的像素坐标，具体步骤为：

S301、设光谱分布图像为I₁，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；进行处理后的图像光谱分布较为明显，便于进行提取中心点操作，提高了后续标定的精度；

S302、提取I₂中反射线性色散光对应的光谱中心点坐标，记为points；入射线性色散光投射在物体后返回的光谱并非理想的单色光，而是有一定宽度的光谱分布，此时需要提取光谱分布的中心点，再构成中心线，即为理想的光谱信号。对于提取线中心点的技术，常见的有灰度重心法、高斯拟合法等；

S303、提取I₂图像中反射线性色散光与倾斜面交线交点的像素坐标u、v；具体来说，该步骤还包括以下步骤：

S3031、对提取的光谱中心点坐标points平滑处理，可得到一条序列曲线S；

如图3所示，作为第一实施例，序列曲线S由两条直线相交连接构成，具体如下：

S3032a、求取序列曲线S中波峰及波谷对应的坐标，记为u₀、v₀，并过滤掉其他一些干扰的波峰波谷坐标；

S3033a、在points中找到横坐标在[v₀-n,v₀+n]范围内的坐标点，对[v₀-n,v₀+m]及[v₀+m,v₀+n]范围内的坐标点分别采用预设最小二乘法进行拟合，可得到交点两边倾斜面对应的直线方程y₁=k₁x+b₁及 y₂=k₂x+b₂；其中，k₁、b₁、k₂、b₂均为拟合系数，m、n为预设参数，n>m>0；

S3034a、计算两条直线的交线坐标，这些坐标即为需要提取的倾斜面交线与入射线性色散光交点的像素坐标u、v。

如图4所示，作为第二实施例，序列曲线S也可以由一条直线和一条正弦曲线相交连接构成，具体如下：

S3032b、求取序列曲线S中波峰及波谷对应的坐标，记为u₀、v₀，并过滤掉其他一些干扰的波峰波谷坐标；

S3033b、在points中找到横坐标在[v₀-n,v₀+n]范围内的坐标点，对[v₀-n,v₀+m]及[v₀+m,v₀+n]范围内的坐标点分别采用预设最小二乘法进行拟合，可得到交点两边倾斜面对应的直线方程y₁=k₁x+b₁及正弦曲线方程y=Asin(ωx+φ)+B；其中，k₁、b₁、A、ω、φ、B均为拟合系数，m、n为预设参数，n>m>0；

S3034b、计算直线和正弦曲线的交线坐标，这些坐标即为需要提取的倾斜面交线与入射线性色散光交点的像素坐标u、v。

如图5所示，作为第三实施例，序列曲线S也可以由两条正弦曲线相交连接构成，具体如下：

S3032c、求取序列曲线S中波峰及波谷对应的坐标，记为u₀、v₀，并过滤掉其他一些干扰的波峰波谷坐标；

S3033c、在points中找到横坐标在[v₀-n,v₀+n]范围内的坐标点，对[v₀-n,v₀+m]及[v₀+m,v₀+n]范围内的坐标点分别采用预设最小二乘法进行拟合，可得到交点两边倾斜面对应的两个正弦曲线方程y₁=A₁sin(ω₁x+φ₁)+B₁及y₂=A₂sin(ω₂x+φ₂)+B₂；其中，A₁、ω₁、φ₁、B_1、A₂、ω₂、φ₂、B₂均为拟合系数，m、n为预设参数，n>m>0；

S3034c、计算两条正弦曲线的交线坐标，这些坐标即为需要提取的倾斜面交线与入射线性色散光交点的像素坐标u、v。

如图6所示，作为第四实施例，序列曲线S为一条直线，该直线是由线光源覆盖的标定物表面区域形成的线状交线，拟合成移动前后存在空间交点的合集曲线为网状。

拟合两个合集曲线段的交点/延伸交点一般包括以下三种情况：一，任意一个空间交点两侧的曲线段形成的空间交点本身；二，任意两个曲线段形成的交点；三，任意两个曲线段的延伸形成的虚拟交点；参考上述直线方程均可求出对应的交点坐标。

S4：建立该交点/延伸交点坐标与已知标定物表面曲线拟合形成的空间交点的真实坐标的对应关系，计算线光谱共聚焦的标定参数；

已知标定物表面曲线拟合形成的空间交点的真实坐标具体可参考以下步骤：

记录移动前后被线光源覆盖的标定物表面的特征点的真实坐标，根据已知的旋转量或平移量，和已知的标定物表面信息，确定改变标定物和线光源的相对位姿后被线光源覆盖的标定物表面的特征点的真实坐标，具体步骤如下：

S401、移动三维标定板，并记录每一个移动位置；

S402、根据步骤S401记录的每个移动位置，设其分别是[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；

S403、由于三维标定板竖线间的间距已知，可选取某一条竖线当做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真实特征点坐标。

但是，仅是上下平移，能够采集的特征点个数比较有限。因此还可以通过已知的旋转和平移，增加特征点的采集个数。

通过六轴控制平台控制旋转和平移已知。其中，XYZ三轴平移通过升降台和平移台控制、XYZ三轴旋转通过角位移台控制。升降台、平移台均有刻度，可以实现指定距离的平移运动；角位移台也有刻度，也可以实现指定角度的旋转。因此，后续的旋转和平移，均可以认为旋转角度和平移量已知。

假设提取的光谱中心点坐标对应的世界坐标为Pw，取Pw中的一点（x,y,z），这里的 （x,y,z）是相较于参考原点而言的。升降台、平移台进行平动，角位移台进行转动，假设三轴 的平动量为（tx,ty,tz），旋转角度为，根据罗德里格斯公式可以实现旋转角度 和旋转矩阵的变换，因此，上述旋转角度可以转化为旋转矩阵R_3×3，那么，对于已知世界坐标 （x,y,z），经过旋转和平移之后，对应的坐标（x’,y’,z’）为：

同理，未旋转前的特征点点集，即位于波峰波谷位置的坐标点P _f ，经过旋转后，对应的坐标P’ _f 可以由上述公式计算得到。在原图中建立的坐标系，如图7所示，P ₁ 、P ₃ 和P ₄ 位于平面y=0，P ₁ 、P ₂ 和P ₃ 共面，P ₂ 、P ₃ 和P ₄ 共面。同时，由于标定板的结构已知，所以P ₁ 、P ₂ 、P ₃ 和P ₄ 旋转后的坐标可以通过上述公式获得，记为P _{1 ^'} 、P _{2 ^'} 、P _{3 ^'} 和P _{4 ^'} 。

由于三点可以确定一个平面，且P ₁ 、P ₂ 、P ₃ 和P ₄ 的坐标是理想值，因此估计的平面也是理想的。标定板旋转前后，共面关系不变，即P _{1 ^'} 、P _{2 ^'} 和P _{3 ^'} 共面，P _{2 ^'} 、P _{3 ^'} 和P _{4 ^'} 共面，对应拟合的平面方程分别为：

同时，平面y=0为激光打在标定板上的垂直平面，与未旋转前的特征点相交于P ₁ 、P ₃ 和P ₄ ，旋转后的激光打下的垂直平面依旧是y=0，对应的标定板上的特征点坐标满足：

上述公式中，已知平面方程参数b₁,c₁,d₁和b₂,c₂,d₂，根据y=0可知，根据上述方程组可以计算出未知量x，z，进而得到特征点的坐标。

对应关系的建立和标定参数的计算具体步骤如下：

首先，对步骤S3中每个交点对应的真实特征点坐标（X，Z）进行提取，并将整个传感器平面上特征点的像素坐标（u，v）与真实特征点坐标（X，Z）一一对应；

其次，建立真实特征点坐标X和Z相对像素坐标的拟合模型：

其中N为最高项次数，a、b为拟合系数；

最后，采用预设最小二乘法计算上面模型参数即可得到线扫描共聚焦系统的标定参数。

其中，中心特征点与其两侧相邻的两个特征点之间的合集曲线段可以直接连接或通过连续合集曲线连接。两侧相邻的两个特征点之间的合集曲线段的选取时，存在合集曲线段包括该中心特征点，或合集曲线段不包括该中心特征点。

当选取的合集曲线段包括该中心特征点时，所述合集曲线段与所述中心特征点直接连接，拟合合集曲线段；

当选取的合集曲线段不包括该中心特征点时，所述合集曲线段与所述中心特征点通过连续合集曲线连接，配合该标定物被线光源覆盖的实际曲线方程类型，拟合出符合该曲线方程类型的合集曲线段，并结合实际曲线方程，向所述中心特征点延伸。

两个拟合合集曲线段，相交或延伸相交，形成交点。

对于计算得到的标定参数，还可以通过标定检验，检测标定参数是否成功，可以通过更换或移动标定物，采集标定物变换后的特征点坐标，基于标定参数，计算标定坐标值与标定物变换后对应特征点的真实坐标值的差值，是否在检验阈值范围，具体步骤如下：

S501、控制线扫描共聚焦系统的扫描线打在标定物上；

S502、随机移动高精度位移台，在每一个随机运动位置控制线扫描共聚焦系统的传感器采集一张扫描线反射光谱图，同时记录每一个运动位置；

S503、记录若干个位置并采集若干张光谱图像，选取一个位置作为参考位置；

S504、识别每一张图像中扫描线与倾斜面交线交点的像素坐标，根据上面得到的标定参数，将中心像素坐标转换为空间坐标，由当前坐标减去参考位置的坐标计算得到当前交点的标定坐标；

S505、根据当前位置减去参考位置获得当前交点相对参考位置的真实坐标；

S506、计算所述真实坐标和计算得到的标定坐标之间的差值；

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，则输出此次标定失败。

本发明第二方面还提供一种线光谱共聚焦传感器标定系统，包括：

线光源模块，经透镜组色散后照射到标定物表面；

标定反射模块，标定物被线光源照射表面存在多个不同相对线光源高度的特征点，若干特征点相对位置已知；

标定移动模块，移动标定物相对线光源模块位置，移动包括标定物或线光源的旋转和/或平移，旋转量或平移量已知，以使移动前后采集的标定物表面光谱中心点，拟合形成的集合曲线存在多个交点；

标定运算模块，执行上述线光谱共聚焦标定方法。

本发明第三方面还提供一种设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有被处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执行上述线光谱共聚焦标定方法。

本发明第四方面还提供一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，其特征在于，计算机程序被处理器执行时实现上述线光谱共聚焦标定方法。

上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器、随机存取存储器、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”“示例”“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种线光谱共聚焦传感器标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

改变标定物和线光源的相对位姿，标定物表面存在已知对应的曲线方程；

采集所述相对位姿改变前后，标定物表面各光谱中心点，分别拟合成移动前后存在空间交点的合集曲线；

任选两个空间交点处其中一侧的曲线段，拟合两个曲线段的交点/延伸交点；在合集曲线中，任取一个特征点，以该特征点为中心特征点，取其两侧相邻的两个特征点之间的合集曲线段，拟合两个合集曲线段的交点或延伸交点；

建立该交点/延伸交点坐标与已知标定物表面曲线拟合形成的空间交点的真实坐标的对应关系，计算线光谱共聚焦的标定参数。

2.根据权利要求1所述的一种线光谱共聚焦传感器标定方法，其特征在于，改变标定物和线光源的相对位姿，包括标定物或线光源的旋转和/或平移，旋转量或平移量已知。

3.根据权利要求1所述的一种线光谱共聚焦传感器标定方法，其特征在于，所述合集曲线相对于线光源，存在不同高度的特征点。

4.根据权利要求1所述的一种线光谱共聚焦传感器标定方法，其特征在于，所述标定参数的计算采用最小二乘法。

5.根据权利要求1所述的一种线光谱共聚焦传感器标定方法，其特征在于，还包括标定检验，用于检测标定参数是否成功，通过更换或移动标定物，采集标定物变换后的特征点坐标，基于标定参数，计算标定坐标值与标定物变换后对应特征点的真实坐标值的差值，是否在检验阈值范围。

6.根据权利要求1所述的一种线光谱共聚焦传感器标定方法，其特征在于，若合集曲线中特征点个数较少或为0时，调整标定物相对线光源距离，使集合曲线中特征点数量较多，提升标定精度。

7.一种线光谱共聚焦传感器标定系统，其特征在于，包括：

线光源模块，经透镜组色散后照射到标定物表面；

标定反射模块，标定物被线光源照射表面存在多个不同相对线光源高度的特征点，若干特征点相对位置已知；

标定移动模块，移动标定物相对线光源模块位置，移动包括标定物或线光源的旋转和/或平移，旋转量或平移量已知，以使移动前后采集的标定物表面光谱中心点，拟合形成的集合曲线存在多个交点；

标定运算模块，用于执行如权利要求1-6中任一项所述的标定方法。

8.一种设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有被处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1-6中任一项所述的标定方法。

9.一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的标定方法。