CN117606747A - 激光振镜系统的高精度化标定方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光振镜系统的高精度化标定方法，该方法包括：在设定的激光振镜系统的振镜旋转范围内，分别模拟对两振镜各转动任意角度时，得到反射于相机中的若干光束投影位置点的集合，以形成表征振镜旋转角度和投影位置二者之间关系的标定图；令所述标定图和相机处于同一平面，使得标定图展示在相机的画面里，移动画面中的光标，使得光标依次和画面里的标定图上的坐标点重叠，并记录振镜转到此位置的电压值和画面里的坐标，进而得到振镜电机电压和旋转角度的对应关系，完成标定。本申请的方法具有低成本、高精度的优点，能够量化标定振镜‑相机组合的参数化变换矩阵，最终可精准控制光折射的位置和方向。

Description

激光振镜系统的高精度化标定方法

技术领域

本申请属于激光偏转技术领域，具体涉及一种激光振镜系统的高精度化标定方法。

背景技术

振镜系统是一种用于控制光束方向和位置的装置，通常由两个反射镜组成，分别称为水平振镜和垂直振镜。它们通过驱动电机或微调器件围绕两个轴进行旋转，从而实现对光束的精确调整。振镜系统的结构原理如下：

①振镜结构：水平振镜和垂直振镜都采用平面镜或曲面镜的形式。这些镜子通常具有高反射率的反射涂层，以最大限度地反射入射光束。

②驱动结构：振镜系统配备了驱动电机或微调器件，用于控制反射镜的角度和位置。驱动结构可以根据输入信号(电压)的要求，使振镜做出相应的运动。

③控制信号：来自控制系统的信号被传输到驱动结构，以指示振镜的期望位置和角度。这些信号可以基于外部传感器、计算机或用户输入等信息。

上述的控制过程可简述为：计算机算出一个角度值，把这个角度值转换成电压值，电压给到驱动板，驱动板驱动振镜的电机转。

如图1(a)所示，一般的，振镜系统通常和激光发射器联用，形成激光振镜，通过控制反射镜的角度和位置来改变激光束的方向和位置，实现对激光束的精确控制。这种技术广泛应用于激光显示、激光切割、激光打标等领域。

其中，激光振镜扫描仪，它是通过发射激光和接收激光，根据光的速度和时间差，来计算激光发射器和目标物体的三维空间信息。因单线激光辐射范围有限，一般搭配振镜系统，改变光束的方向，扫描整个目标区域。这样可以获取目标物体的多个视角和不同位置的数据，从而生成更完整的三维点云信息。这里的振镜依然用于，控制向外发射的光束位置和方向，相机仅是用于拍摄记录光束移动的结果。

目前振镜和相机的组合结构示意图如图1(b)所示，而采用上述振镜和相机的组合结构进行标定的方法，多采用双目视觉方法，在已公开的专利文献中，如CN202210559605.9、CN202210136403.3、CN202211576423.9，它们均是在一定视野深度范围内将振镜偏转电压和视野目标点通过三角函数建立模型。其中，图1(b)，标号a为光源、标号b为二维振镜、标号c为光点、标号d为激光受束体、标号e为双目相机、标号f为各双目相机呈现的画面、

现有振镜相机由于振镜的可控偏转等特点，其图像的变换矩阵是随着振镜的旋转非线性变化的，其标定方法大都是在一定视野深度范围内将振镜偏转电压和目标点通过三角函数建立起模型，此种手段是依靠实验和观测得到，限制于实验条件，因无法量化出变换矩阵参数(电压-空间坐标点)，限制了振镜相机用于3D定位等方向的应用，本发明通过一种标定方法可高精度量化标定出振镜系统的参数化变换矩阵。

发明内容

本申请的目的在于提供一种激光振镜系统的高精度化标定方法，以解决传统的振镜系统标定方法无法量化出变换矩阵参数的问题。

根据上述目的，本申请提供了一种激光振镜系统的高精度化标定方法，所述方法包括：

在设定的激光振镜系统的振镜旋转范围内，分别模拟对两振镜各转动任意角度时，得到反射于相机中的若干光束投影位置点的集合，以形成表征振镜旋转角度和投影位置二者之间关系的标定图；

令所述标定图和相机处于同一平面，使得标定图展示在相机的画面里，移动画面中的光标，使得光标依次和画面里的标定图上的坐标点重叠，并记录振镜转到此位置的电压值和画面里的坐标，进而得到振镜电机电压和旋转角度的对应关系，完成标定。

进一步地，形成表征振镜旋转角度和投影位置二者之间关系的标定图包括：

假定相机和激光振镜系统所在的世界坐标系，并获得它们之间的转换矩阵；

标定相机内参；

根据光反射原理，求得入射光和反射光的变换矩阵；

计算出空间中任意一点，经过两次镜面反射，与投影在相机中的位置的投影方程：

[u,v]＝Mp(ax,ay)*[Ox,Oy,Oz,1.0]，其中[u,v]为相机成像的图像坐标系坐标，[Ox,Oy,Oz]为世界坐标系下的空间任一点的3d坐标，Mp是空间任一点投影在相机图像上的变换矩阵；ax、ay是两镜片的旋转角度；Mp(ax,ay)是关于ax和ay的函数；

在设定的激光振镜系统的振镜旋转范围内，分别顺时针和逆时针递增预设的角度，得到若干投影位置点的集合。

进一步地，空间中任意一点，经两次镜面反射，与投影在相机中的位置的投影方程，通过如下过程计算出：

根据镜面反射原理，当两个镜片的旋转角度已知时，得到入射向量和反射向量的转换矩阵M，其中，M和两镜片的旋转角度有关，两镜片的旋转角度分别记为ax和ay；

根据激光振镜系统和相机的摆放位置，分别假定它们的世界坐标系，得到两个坐标系之间的转换矩阵E；

相机内参矩阵K，可通过张正友标定法得到；

则，入射向量到相机成像的转换矩阵Mp为：Mp＝K*E*M；

则[u,v]＝Mp(ax,ay)*[Ox,Oy,Oz,1.0]。

进一步地，令所述标定图和相机处于同一平面，使得标定图展示在相机的画面里包括：

将标定图呈现在前方平整的平面上，其中，呈现的标定图通过矫正使其呈矩形；

将振镜系统前方的所述标定图通过二维振镜反射于相机的画面中；其中，所述相机的镜头正对所述二维振镜的Y轴振镜的镜面。

进一步地，控制所述振镜偏转的角度范围为[-30°，30°]，各轴分别线性插入的值的数量不少于30个。

进一步地，通过投影仪将所述标定图投影在前方的平面上，所述平面包括墙面或支撑面板。

进一步地，设定标定图的中心点，应先后投影在两镜片的中心点，以保证在相机看到的画面中，也处于相机的中心点。

进一步地，在完成标定后，还进行旋转精度的验证过程。

本申请实施例所公开的一种激光振镜系统的高精度化标定方法，首先，通过光反射原理和坐标系转换，获得空间位置投影和偏转镜片旋转角的对应关系，即表现为呈特定形状的标定图，然后，令所述标定图和相机处于同一平面，使得标定图展示在相机的画面里，移动画面中的光标，使得光标依次和画面里的标定图上的坐标点重叠，并记录振镜转到此位置的电压值和画面里的坐标，进而得到振镜电机电压和旋转角度的对应关系，完成标定，标定后的数据将用于精准控制振镜系统的旋转，以及精准控制光折射的位置和方向，该种标定方法成本低，标定精度更高。

附图说明

图1(a)为背景技术中的振镜系统的结构示意图。

图1(b)为背景技术中的采用双目法的振镜相机组合的结构示意图。

图2为本实施例中振镜系统与相机结合的结构示意图。

图3为本实施例中的振镜系统与投影仪的配合示意图。

图4为本实施例中的标定图的一个示意图。

图5(a)为本实施例中的x轴旋转角度与电压验证对比的示意图。

图5(b)为本实施例中的y轴旋转角度与电压验证对比的示意图。

图6为本实施例中的相机与振镜摆放的位置图。

图7是本实施例中的相机与振镜系统的矩阵转换的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，本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。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

本说明书中所引用的如“前”、“、后”、“左”、“右”、“中间”、“纵向”、“横向”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，亦仅为了便于简化叙述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的目的是基于激光振镜系统的结构特点，通过一种标定方法高精度化的标定处振镜-相机的参数化变换矩阵，参照图2～图7所示，本申请实施例提供的一种激光振镜系统的高精度化标定方法，包括如下步骤：

步骤S1、在设定的激光振镜系统的振镜旋转范围内，分别模拟对两轴的振镜各转动任意角度时，得到反射于相机中的若干光束投影位置点的集合，以形成表征振镜旋转角度和投影位置二者之间关系的标定图。

图2中，标号1为假定的目标点，标号2为激光振镜系统的X振镜，标号3为Y振镜，标号4为相机，标号5为相机中实际呈现的画面。具体的，根据设定的振镜的偏转角度得到相机中若干投影点集合的过程包括：

假定相机的世界坐标系和激光振镜系统的世界坐标系，并获得它们之间的转换矩阵，使得二者统一；只要光线折射后的偏转范围在相机拍摄视野中即可。

标定相机内参；其中，相机内参的含义是描述空间中一点与图像坐标系的关系，为相机出厂时设置，亦可自行矫正。

在两振镜的镜片的姿态角已知时，根据光反射原理，求得入射光和反射光的变换矩阵；其中，光反射原理为通用原理。

计算出空间中任意一点，经过两次镜面反射，与投影在相机中的位置的投影方程，如下：

[u,v]＝Mp(ax,ay)*[Ox,Oy,Oz,1.0]，其中[u,v]为相机成像的图像坐标系坐标，其为像素坐标，[Ox,Oy,Oz]为世界坐标系下的空间任一点的3d坐标，Mp是空间任一点投影在相机图像上的变换矩阵；ax、ay是两镜片的旋转角度；Mp(ax,ay)是关于ax和ay的矩阵函数。

在设定的激光振镜系统的振镜旋转范围内，分别顺时针和逆时针递增预设的角度，得到若干投影位置点的集合。

在步骤S1中，将完成假定的空间中任意一点，通过两次光反射，被相机拍到，该点在相机中成像的像素坐标，和该点本身所在的空间坐标，二者之间的转换系数，得到的这个矩阵就是这个系数。需要说明的是，步骤S1并不一定实际需要依赖二维振镜，只是为了模拟以得到表征目标投影点与旋转角度的一个关系矩阵，模拟可以在计算机中进行，或者现场通过布局各器件进行模拟。

下面通过一个列举的具体实施例来说明本申请的振镜旋转角度与光束在相机中的投影位置点的关系矩阵的推导过程。

1、计算两个振镜的法向量：首先，设定X轴振镜、Y轴振镜在默认的初始位置，假设分别为水平和竖直方向斜45°。根据默认姿态，当振镜的镜片分别旋转角度ax，ay时，可知X轴振镜和Y轴振镜的法向量Nx、Ny分别如下：

Nx＝[0，-sin((45–ax/2.0)/180.0*pi)，cos((45-ax/2.0)/180.0*pi)]；Ny＝[cos((-45+ay/2.0)/180.0*pi)，sin((-45+ay/2.0)/180.0*pi)，0]。

2、计算反射变换矩阵：镜面反射是以镜面作为反射平面，实物与反射物到反射平面的距离相等，实物与反射物方向相反，所以，反射矩阵由反射平面确定，根据反射平面先推导出反射位置，再进行旋转即可得到反射矩阵。假如光线的射入方向为K→，将镜片法向量Nx、Ny代入，可知反射光的旋转矩阵M，其中，镜面反射矩阵的推导可以参考在先公开的文档，其为现有技术，故推导公式不再赘述。

3、则，光线从物体经X轴振镜反射到Y轴振镜，也即从入射向量到反射向量上的投影矩阵为：

M＝Mx*My；

4、根据激光振镜系统和相机的摆放位置，分别假定它们的坐标系，如图7所示，假设以振镜系统的坐标系O为世界坐标系，x振镜所在轴的方向为X轴，y振镜所在轴的方向为Y轴，光源方向为Z轴，则采集图像的相机坐标系为C，相机镜头方向为Z轴，成像上为X轴，成像左侧为Y轴。

在此情况下，假设两个坐标系之间的转换矩阵为E，则：

E＝[0,-1,0,0 0,0,1,0 -1,0,0,0 0,0,0,1]

5、相机内参矩阵K，在出厂时可标定，可通过张正友标定法得到；

6、整体的振镜-相机的投影矩阵Mp，即入射向量到相机成像的转换矩阵Mp＝K*E*M，此公式中，仅需前面第1步中的旋转角度ax、ay。

Mp(ax,ay)＝

[[cos(ay),sin(ax)*sin(ay),-0.5*sin(ax-ay)+0.5*sin(ax+ay),0],

[0,cos(ax),-1.0*sin(ax),0]，

[-1.0*sin(ay),0.5*sin(ax-1.0*ay)+0.5*sin(ax+ay),0.5*cos(ax-ay)+0.5*cos(ax+ay),0]，

[0,0,0,1.0]]。

7、则振镜-相机投影方程为：

[u,v]＝Mp(ax,ay)*[Ox,Oy,Oz,1.0]，其中[u,v]为相机成像的图像坐标系坐标，即投影图像中心点的坐标，[Ox,Oy,Oz]为世界坐标系下的空间任一点的3d坐标，Mp是关于ax和ay的函数。由此，当物体的三维坐标和图像坐标已知，即可求解振镜的旋转角。此处的振镜-相机矩阵，是指光源经两次镜片反射，进入到相机里，光源3d坐标转换为相机像素坐标的关系。

8、令图像坐标(图片上的像素点的位置值)保持在图像(肉眼看到的整张图片)中心，令振镜在一定的转动范围内按照预设的调整值进行旋转。可选的，将旋转范围设置为正负三十度内，即Ax＝[-30,30],Ay＝[-30,30]，分别同向/负向递增1°，将3d坐标所在的Z轴赋值为1，由于点的3d空间坐标，但实际生成的标定图是二维的图片。这里把深度坐标赋予了1。因为步骤S2需要标定电压和旋转的关系，二维振镜只能在平面上旋转，第三维的深度信息是不需要标定的，故第三维可以通过射线无尽延伸，在此赋值为1。带入上述公式，可得到共60*2-1＝119个坐标点，这些点呈近似如图四所示的类似X形状的图案，即可称为本申请的“标定图”，该标定图可表述为：在振镜旋转范围内，两轴各转动一度角后，投影的位置点的集合，也即表征了旋转角度和投影位置的关系。但本领域技术人员应当能够理解的是，各旋转1度角形成的如图4所示的类X图是为了标记需要，但理论以及技术上，都可以实现——旋转大于或小于1度角，以及二者旋转不同的角度，可以形成不同形状的图，这些图都是基于前述的公式直接生成的，类X标记图只是其中特殊的一张，但并非唯一。

通过上述的步骤S1，可标定出振镜-相机的参数化变换矩阵，此处的矩阵的含义可以表达为：空间中任意一点，通过两次光反射，被相机拍到，该点在相机中成像的坐标，和该点本身所在的空间坐标，之间的转换系数。这个矩阵就是这个系数，其中，这个系数中有个必须量是两个镜片的旋转角，也就是：①空间坐标，②需要旋转角的矩阵，③图像坐标。已知任意两个，可得到第三个的值。控制住③图像坐标(相当于一个常数值)，可以得到另外两个一一对应关系。当旋转角为离散点(就是做标定图时正负增加1度)，就呈现出图4这种近似X的图案。

背景技术所述的3D点，代表激光发射并折射后的点坐标，它利用两个相机的视觉差求得，而本申请的方法从未实际制造任何激光点，而是通过数学计算方法，建立了一个虚构的标定图，该图形是纯依靠数学计算得到的，这代表着，背景技术的3D点是依靠实验和观测得到，限制于实验条件。而本申请则依靠数学推理，不受实验条件限制，具有较大的通用性。

步骤S2、令所述标定图和相机处于同一平面，使得标定图展示在相机的画面里，移动画面中的光标，使得光标依次和画面里的标定图上的坐标点重叠，并记录振镜转到此位置的电压值和画面里的坐标，进而得到振镜电机电压和旋转角度的对应关系，完成标定。

具体的，在步骤S1中，已经计算出了振镜偏转角和投影位置的关系矩阵。根据振镜系统的工作原理，当基于振镜一定的电压值，旋转电机才能够产生动作，而我们尚未知晓电压值大小与电机旋转角的关系。为此，需要验证空间中的任意一点，投影到二维平面后，和振镜旋转角之间的关系，即旋转角度-空间点的投影位置关系；本申请的实施例利用标定图对比描点，以标定旋转电压和角度的关系，最终标定目的是得到旋转电压和空间点的关系。

如图6所示，令投影的标定图和振镜相机完全处于同一个平面，实际中，标定图应折射在两振镜镜片的正中心，最终，而相机画面正中，也应和直拍的镜片正中严格对齐，在图6中，投影仪与x轴振镜处于同一中线上，相机的镜头正对左上的y轴振镜的镜片，因此标定图应是和相机看到的画面平行。标定图的中心点，应先后投影在两镜片的中心点，最后相机看到的画面中，也处于中心点，且呈矩形，四边两两平行，这也是为了让标定图和振镜相机的投影平面无旋转偏移。为了使得投影的标定图和振镜相机完全处于同一个平面，本申请采用的方法是：使用投影仪7将矫正的标定图投影在前方的墙面9上，此时，要求墙面具有极高的平整度，以及极高的垂直度，同时投影画面的图片严格呈矩形，如图3所示，图3中，标号7代表投影仪，标号8代表振镜-相机的组合系统。如果是固定标定场地，也可将图描绘在墙面上；如果有极大，平整、无曲的面板亦可实现，但为了将标定图与振镜相机所呈现的图像在同一个平面上，不限于投影仪的方式，但考虑到制作费用，优选采用图片投影的方法。

在相机展示的画面里，可以看到经两个振镜反射回的标定图，反射的图也需要横平竖直，无倾斜或畸变。操作标定程序，在该程序的画面中，可以看到一个可移动的光标，移动光标，使光标依次和画面里的标定图上的坐标点重叠，并且记录振镜转到此位置的电压值和画面里的坐标。这里根据投影图的大小，一共标记了60*2-1个点。如果有更大的标定图，可以通过插值增加点的密度，点越多，最后标记的结果精度越高，但考虑到业务量大小，通常每个轴旋转插值的个数在40～80个之间即可，该步骤的目的是为了得到振镜电机电压和旋转角度的对应关系。最终可得到：当对振镜电机施加某一电压值，可使振镜镜片旋转多少角度。反之，若需振镜旋转某个角度，需要施加多少电压值。

此外，在通过上述方法标记完成多个所述3D坐标后，还可以分别对振镜的x轴和y轴的旋转角度和旋转电压进行标记对比，以验证旋转精度。

具体的，通过调整振镜偏转，在振镜对应的相机的图像中分别查询出到这个61个标记点，比如点(0，0)为振镜旋转角度为(alpha＝0，beta＝0)的标定点，点(-10，12)是振镜旋转角度为(alpha＝-10，beta＝12)的标定点，此时，振镜x轴和y轴的控制电压为(x_v,y_v)，以此类推，分别标定出多个点的x轴和y轴的振镜的旋转角度和旋转电压的曲线图，从图5(a)、图5(b)可以看出，无论是x轴还是y轴，标定点并不完全都是在同一直线上，但其接近一条直线，因此，通过本申请的标定方法，提高了非线性的精度。

本申请的方法可采用普通的投影仪，成本极低，在2.5米高的办公室墙面上投影，最终验证振镜旋转角度精度可达到<0.3度，如墙面面积更大，标定点更密集，则标定精度会更高，标定后的数据将用于精准控制振镜系统的旋转，以及精准控制光折射的位置和方向。

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。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种激光振镜系统的高精度化标定方法，其特征在于，所述方法包括：

在设定的激光振镜系统的振镜旋转范围内，分别模拟对两振镜各转动任意角度时，得到反射于相机中的若干光束投影位置点的集合，以形成表征振镜旋转角度和投影位置二者之间关系的标定图；

令所述标定图和相机处于同一平面，使得标定图展示在相机的画面里，移动画面中的光标，使得光标依次和画面里的标定图上的坐标点重叠，并记录振镜转到此位置的电压值和画面里的坐标，进而得到振镜电机电压和旋转角度的对应关系，完成标定。

2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，形成表征振镜旋转角度和投影位置二者之间关系的标定图包括：

假定相机和激光振镜系统所在的世界坐标系，并获得它们之间的转换矩阵；

标定相机内参；

根据光反射原理，求得入射光和反射光的变换矩阵；

计算出空间中任意一点，经过两次镜面反射，与投影在相机中的位置的投影方程：

[u,v]＝Mp(ax,ay)*[Ox,Oy,Oz,1.0]，其中[u,v]为相机成像的图像坐标系坐标，[Ox,Oy,Oz]为世界坐标系下的空间任一点的3d坐标，ax、ay是两镜片的旋转角度，Mp(ax,ay)是关于ax和ay的矩阵函数；

在设定的激光振镜系统的振镜旋转范围内，分别顺时针和逆时针递增预设的角度，得到若干投影位置点的集合。

3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，空间中任意一点，经两次镜面反射，与投影在相机中的位置的投影方程通过如下过程计算出：

根据镜面反射原理，当两个镜片的旋转角度已知时，得到入射向量和反射向量的转换矩阵M，其中，M和两镜片的旋转角度有关，两镜片的旋转角度分别记为ax和ay；

根据激光振镜系统和相机的摆放位置，分别假定它们的世界坐标系，得到两个坐标系之间的转换矩阵E；

相机内参矩阵K，可通过张正友标定法得到；

则，入射向量到相机成像的转换矩阵Mp为：Mp＝K*E*M；

则[u,v]＝Mp(ax,ay)*[Ox,Oy,Oz,1.0]。

4.根据权利要求1～3任一所述的标定方法，其特征在于，令所述标定图和相机处于同一平面，使得标定图展示在相机的画面里包括：

将标定图呈现在振镜系统前方的平整的平面上，其中，呈现的标定图通过矫正使其呈矩形；

将所述标定图通过二维振镜反射于相机的画面中；其中，所述相机的镜头正对所述二维振镜的Y轴振镜的镜面。

5.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于，控制所述振镜偏转的角度范围为[-30°，30°]，各轴分别线性插入的值的数量不少于30个。

6.根据权利要求4所述的标定方法，其特征在于，通过投影仪将所述标定图投影在前方的平面上，所述平面包括墙面或支撑面板。

7.根据权利要求4所述的标定方法，其特征在于，设定标定图的中心点，先后投影在两镜片的中心点，以使得相机看到的画面中，也处于相机的中心点。

8.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，在完成标定后，还进行旋转精度的验证过程。