CN1482433A - 用于校正激光三维测量器的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于校正激光三维测量器的方法及装置，其中，该装置包括一基准平面；一激光测量头，设置于该基准平面上，且可发出一激光平面；一校正机构，设置于该基准平面上，该校正机构包括一平面块规，平面块规上设置一校正平面；而校正方法是，该激光测量头发射激光平面并投射在该平面块规上，且该激光测量头可感测该反射的光线，并可得到一二维数字影像；此外，由于发射出的激光平面与该基准平面平行，并利用该平面块规在与基准平面平行的一平移轴上移动，以及该平面块规沿一与该基准平面垂直的旋转轴转动一已知角度，可建立由二维数字影像对应实际三维空间坐标的转换关系。

Description

用于校正激光三维测量器的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种三维光学测量系统的校正方法及装置，尤指一种用于校正激光三维测量器的方法及装置。

背景技术

现有的光学三角测量系统(Optical triangulation system)已广泛应用于各种三维空间测量系统中，例如机器视觉、自动化检测或者是各式制造与组装程序中；然而这些三维测量系统，其性能优劣常常取决于该系统的校正精度。因此，如何能针对三维测量系统，设计出一套程序简单且精确性高的校正程序与方法，确实是一重要的课题。

由于一般制作三维测量系统的校正仪器需要额外的支出，且对于精密度要求较高的系统而言，所需的校正成本不但高昂，而且往往需要较繁复的校正程序。于是，本发明提出一个崭新的三维测量器校正方法，舍弃传统的相机参数估计、镜头扭曲补偿、坐标转换、激光线参数估计等复杂程序，改以建立一数字影像对应三维曲面的转换关系，设计一套快速、精确的三维校正方法与装置，其可适用于各式三维光学测量器，并可与镜组搭配以提高测量的精度与效果。

如图1所示，表示一现有三维测量系统的示意图，包括一激光发射组件1、一第一修正镜组11、一光感测组件2、一第二修正镜组21以及一待测物体3；其中，该激光发射器1可发出一光线，并通过该第一修正镜组11后，投射在该待测物体3表面并形成一亮区；该三维测量系统可借助该光传感器2，接收经该待测物体3表面反射并通过该第二修正镜组21补偿后的光线。其中该光传感器2具有一类似相机的功能，可得到一组数字影像数据，故借助该传感器接收光信号并产生影像，可判别该物体表面在三维空间中的坐标位置，此外还可利用扫描技术，进而建构一完整物体的三维测量模型。

然而，如上所述的三维测量系统中，对于数字影像数据与三维空间坐标之间作转换时，须要考虑复杂的参数与计算，另由于一些附加光学组件的特性不同，也常须导入如相机参数估计、镜头扭曲补偿、坐标转换、激光线参数估计等复杂程序，因此往往会增加校正时的复杂度与困难度，同时也需要较高的校正技术与成本。

基于上述的考虑，现有技术如美国专利No.4825308的“三维测量中的标定方法(Calibration of Three Dimensional Space)”，主要针对投射单点激光的测头设计其校正方法，该激光测量头也使用公知的三角测量原理，在一个X、Y、Z三轴完全互相垂直的线性移动平台上放置一个六面完全垂直的方块，让方块任意相邻的三个平面与X、Y、Z轴平行(以下分别简称这三个平面为XY、YZ和XZ平面)。

其中，激光测头的位置不能让激光线与任一方块平面垂直或平行，最好是在45度角的位置。因此，当激光投在XY平面的时候，移动XY平面，可校正该激光点的Z方向坐标；同理，激光投在YZ平面可校正X方向坐标，以及激光投在XZ平面可校正Y方向坐标。

然而，如上的校正方法及装置是针对一般使用单点扫描的激光测量头校正所设计，但是对于如本发明或者具有单线扫描特性的激光测量头而言并不适用。且由于该案的激光线是斜向投射至方块上的平面，因此该平面的反射条件(例如表面光滑程度)容易影响其校正精度，故该方法仍然必须作适当的补正，同时，上述的斜向投射方式一般多须将激光测量头悬吊放置，如此将不利于一些重、大型激光测量头的校正，如人体扫描仪(Body Scanner)等。

此外，如前述的美国专利案No.4825308中，其校正装置必须使用非常高精度的XYZ线性平台和方块规，尤其X、Y、Z三轴的定位精度和垂直度必须非常高，因此设备体积较大，成本也相对较高。

发明内容

本发明的目的，是专为单线扫描激光测头提供一种具有精确、快速等优点的三维校正系统，能够让一般的使用者轻易操作；且本发明若使用于单点扫描激光测头的校正，还可为一使用更简便且成本低廉的应用。

为了实现上述目的，本发明提供了一适用于激光三维测量器的校正方法及装置，包括：

一基准平面；

一激光测量头，设置于该基准平面上，且可发出一激光平面；

一校正机构，设置于该基准平面上，包括：

一平面块规，包括一校正平面，其中上述激光平面可在该校正平面上产生一亮线，该激光测量头可借助感测该亮线，而产生一对应的二维数字影像。

如上所述的校正激光三维测量器的装置，其中，该校正机构还包括一旋转部，该旋转部包括一旋转轴，其中该旋转轴垂直于该基准平面，且该平面块规可通过该旋转部沿该旋转轴旋转。

如上所述的校正激光三维测量器的装置，其中，该校正机构还包括一平移部，该平移部包括一平移轴，该平移轴垂直于该旋转轴，且该平面块规可借助该平移部沿该平移轴移动。

如上所述的校正激光三维测量器的装置，其中，该平移部为一线性滑轨。

如上所述的校正激光三维测量器的装置，其中，该旋转部为一结合马达与减速机构带动的旋转台。

本发明的校正激光三维测量器的方法，包括下列步骤：

提供一基准平面、一激光测量头用于发出一激光平面、一平面块规包括一校正平面、一旋转轴垂直于该基准平面、一平移轴垂直该旋转轴；

投射该激光平面于该校正平面上，并形成一亮线；

调整该激光平面使平行于该基准平面；

调整该平面块规，使该校正平面垂直该平移轴；

在欲测量的范围内，沿该平移轴设定多个校正位置，将该平面块规依序沿该平移轴移动至上述的校正位置，并记录其坐标以及激光测量头所得到相对应的二维影像；

令该平面块规沿该旋转轴旋转一特定角度，并在欲测量的范围内沿该平移轴设定多个校正位置，将该平面块规依序沿该平移轴移动至上述的校正位置，并记录上述校正位置的坐标，以及相对应的激光测量头所得的二维影像。

如此，可借助投射于该平面块规上的亮线所产生的二维数字影像，建立由二维影像对应实际三维空间坐标位置之间的转换关系，并实现激光三维测量器的精确校正。

本发明的有益效果是，采用较公知技术更简单的校正机构，具有较少的轴数，不占空间而且容易组装，也因此可提高该校正机构组装的精度。

同时，激光不必刻意与块规表面倾斜一个角度，可以让激光测头较自然地放在一基准平面上，让校正系统本身的随机误差降低。

本发明在二维的影像与三维空间坐标之间，建立了一对应的转换关系，可减少计算机运算的时间，而且克服了投光与取像镜组的光学扭曲，确实提高测量精度。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是现有激光三维测量器的示意图；

图2是本发明的激光三维测量器校正装置示意图；

图3A是平面块规在Z轴上不同校正位置的示意图；

图3B是对于各校正位置所产生的数字影像示意图；

图4是利用平面块规旋转一已知角度θ用以校正X轴向坐标的示意图；

图5是利用平面块规旋转一已知角度φ用以校正Y轴向坐标的示意图。

具体实施方式

如图2所示，该图表示本发明的激光三维测量器校正装置示意图，其中本发明主要包括一激光测量头4、一激光平面5、一校正机构6、以及一基准平面7。

如图所示，本实施例定义了一个三维空间的直角坐标系X轴、Y轴以及Z轴。其中，该激光测量头4可发出一激光平面5，且该激光测量头4与该校正机构6稳定地放置于该基准平面7上，又该基准平面7平行于如图中所示的XZ平面。

此外，该激光测量头4具有感测光线的功能，并可由此产生一个二维数字影像8(如图3B所示)；一般而言，该激光测量头4可连接一计算机(图未示出)，作为储存数字影像数据与计算用。

其中，该校正机构6包括了一平面块规61、一旋转部62以及一平移部63；又该平面块规61包括一校正平面610。当实施校正程序时，该激光平面5的光线将投射在该校正平面610上，并可产生一亮线51；以及该激光测量头4可感测该亮线51，并产生一相对应的数字影像。借助上述激光测量头4，并配合操作该校正机构6的动作，可完成如前所述的校正功能。

本发明的校正机构6主要是利用上述的平面块规61作为校正用，其中该平面块规61设置于一旋转部62之上，又该旋转部62设置于一平移部63之上；此外，该平面块规61可借助该平移部63而沿着一平移轴631平移，以及借助该旋转部62绕着一旋转轴621旋转。如图所示，该平移轴631的方向平行Z轴，以及该旋转轴621的方向平行于Y轴，且垂直于该基准平面7。

如此，由如上述的旋转部62以及上述的平移部63，可使该平面块规61沿着一平移轴631平移，以及绕着一旋转轴621旋转；上述的平移部63可为一线性滑轨，以及上述的旋转部62可为一结合马达与减速机构带动的旋转台。

其中，本发明的校正程序如下：

步骤1：调整激光平面5与标准坐标系的XZ平面平行；

首先调整该激光测量头4所发出的激光平面5，使其与标准坐标系的XZ平面平行。如此，借助该激光平面5上任意点在空间中的Y坐标相同，致使如上所述投射于该校正平面610上的亮线51具有相同的Y坐标值。

步骤2：建立二维数字影像与三维空间Z坐标的对应关系；

完成上述步骤1后，先调整该平面块规61使该校正平面610与图中的Z轴呈垂直，接着在Z轴上定义多个校正位置，使上述的平面块规61沿着该平移轴631移动，且当该激光测量头4在各校正位置处时，分别撷取投射于该校正平面610上亮线51的数字影像数据。

如图3A以及图3B所示，该平面块规61可借着该平移部63沿Z轴方向移动；如此，上述激光测量头4所发出的激光平面5，可分别在该校正平面610位于一初始位置处产生一亮线611，位于一第一位置产生一亮线612，以及位于一第二位置产生一亮线613。

其中，该激光测量头4可分别针对上述三个预设的校正位置，通过感测该校正平面610上的亮线611、612、613，而在数字影像8上产生不同的图案；其中对照图3A以及图3B可以看出，通过感测在初始位置的亮线611，可在该数字影像8上产生对应的激光影像81；通过感测在第一位置的亮线612，可产生在该数字影像8上对应的激光影像82；以及，通过感测在第二位置的亮线613，可在该数字影像8上产生对应的激光影像83。

如此，利用该平面块规61沿Z轴方向平移，可以分别得到该校正平面610上的亮线51在不同Z坐标位置的数字影像数据，且如图3B所示的激光影像81、82、83，也会随Z坐标的变化而出现在不同位置。如此，本发明可以在激光测量头4的测量范围内，建立并记录二维数字影像坐标与空间中Z坐标值一对一的对应关系。

步骤3.建立二维数字影像与三维空间X坐标的对应关系

此步骤的第一个动作必须先将平面块规61沿上述旋转轴621转动一已知的角度θ；在本实施例中，该旋转轴621位于该平面块规61的中心位置。

在完成步骤2之后，由于已可得知数字影像对应于三维空间中的Z坐标值，因此可借助平面块规61所处的校正位置坐标值，以及步骤2所得结果，计算出激光影像所对应的X坐标值，计算方式如下：

如图4所示，Zp表示该平面块规61中心位置的Z坐标值，为一已知值；Zm表示在校正平面610所产生亮线上任一点所测量得到的Z坐标值；其中，Zm可根据所得到的数字影像，并借助上述步骤2建立的影像对Z坐标的对应关系而通过插值运算推算得知；同时，如上所述该平面块规61是旋转一已知角度θ，至此，Zp、Zm以及θ皆为已知，故若令该平面块规61中心位置为一坐标原点，则可得到该校正平面610上在Zm处所对应的X轴坐标dX：

      dX＝(Zp-Zm)ctg(θ)；

根据上述公式，接下来可借助将该平面块规61沿上述旋转轴621转动一已知的角度θ，并在Z轴上定义多个校正位置，以使上述的平面块规61沿着Z轴移动，且依序在各校正位置处借助该激光测量头4撷取多个数字影像。

如此，我们可以在激光测量头4的测量范围内，通过上述公式，建立各校正位置的激光影像与实际三维空间X坐标值一对一的对应关系，并记录每个激光影像位置相对应的X坐标。

由于在步骤1中，已将激光平面5调整至与XZ平面平行，因此投射在该校正平面61上的亮线51在空间中的Y坐标均相同，而至此已可建立该数字影像8对应至空间中三维坐标的对应关系。

然而，若未执行步骤1的校正程序，或该激光平面5已固定或无法调整与上述XZ平面平行时，则可借助同步骤3相同的手法，进行如下步骤4的校正程序，以建立激光影像位置与三维Y坐标的对应关系。

步骤4：建立激光影像位置与三维空间Y坐标的对应关系；

假如激光平面未与XZ平面平行，则可将该平面块规61绕X轴倾斜一已知的角度φ，由此建立数字影像与实际三维Y坐标位置的对应关系。

如图5所示，Zp表示该平面块规61中心位置的Z坐标值，为一已知值；此外，在校正平面610的亮线上任一点的Z坐标值Zm，可由测量影像步骤2的结果推算得知；同时已知上所述该平面块规61是绕X轴旋转一角度φ，故若令该平面块规61中心位置为X轴的原点，则可得到该校正平面61上在Zm处的Y轴坐标dY：

     dY＝(Zp-Zm)ctg(φ)；

如此，我们可以在激光测量头4的测量范围内，建立各校正位置的激光影像与实际三维空间中Y轴坐标一对一的对应关系，并记录每个激光影像位置相对应的Y坐标。

然而，本实施例中仅具有一可沿Y轴向旋转的旋转轴，如需沿X轴以及Y轴旋转时，也可借助一具有已知角度θ或已知角度φ的角形块规(未图标)代替上述旋转轴与平面块规，以使该角形块规可与激光平面5可形成一预设的夹角。

至此如上的校正程序已大致完成，由依序建立的一二维影像与三维空间中Z轴向、X轴向、Y轴向的对应关系，可完成各校正位置的校正动作；然而在相邻的校正位置中间尚存在的空白影像区域，可利用内插法估算相对应的坐标，当然，上述的校正位置愈密集，越能提升测量时的精确度。

本发明为一专为单线扫描激光测头设计的一套精确、快速三维校正系统，能够让一般的使用者轻易操作。由较简单的校正机构以及较少的轴数(一个平移轴以及一个旋转轴)，可节省空间且具有容易组装与容易控制机构组装精度。同时，激光不必刻意与块规表面倾斜一个角度，可以让激光测头较自然地放在校正平台上，让校正系统本身的随机误差降低。

更进一步，本发明由在二维数字影像与三维空间的物体表面坐标之间，建立一个转换的对应关系，可减少计算机的运算时间，并可克服投光与取像镜组的光学扭曲，确实提高测量精度。

虽然本发明已用较佳实施例揭露如上，并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，所做出的等效变换，均包含在本发明的专利范围内。

Claims (8)

1、一种校正激光三维测量器的方法，其特征在于，至少包括下列步骤：

定义一由X轴、Y轴、Z轴所组成的三维空间垂直坐标系；

提供一校正平面；

将该校正平面沿着Z轴方向平移，建立测量所得的二维数字影像对应于Z轴向坐标值的对应关系；

将该校正平面沿Y轴旋转一已知角度，并将上述校正平面沿着Z轴方向平移，利用先前所得的结果，建立测量所得的二维数字影像对应于该X轴方向坐标值的对应关系。

2、如权利要求1所述的校正激光三维测量器的方法，其特征在于，还包括下列步骤：

将该校正平面沿X轴旋转一已知角度，并将上述校正平面沿着Z轴方向平移，利用先前所得的结果，建立测量所得的二维数字影像对应于该Y轴方向坐标值的对应关系。

3、一种校正激光三维测量器的方法，其特征在于，包括下列步骤：

提供一基准平面、一激光测量头用于发出一激光平面、一平面块规包括一校正平面、一旋转轴垂直于该基准平面、一平移轴垂直该旋转轴；

投射该激光平面于该校正平面上，并形成一亮线；

调整该激光平面使平行于该基准平面；

调整该平面块规，使该校正平面垂直该平移轴；

在欲测量的范围内，沿该平移轴设定多个校正位置，将该平面块规依序沿该平移轴移动至上述的校正位置，并记录其坐标以及激光测量头所得到相对应的二维影像；

令该平面块规沿该旋转轴旋转一特定角度，并在欲测量的范围内沿该平移轴设定多个校正位置，将该平面块规依序沿该平移轴移动至上述的校正位置，并记录上述校正位置的坐标，以及相对应的激光测量头所得的二维影像。

4、一种校正激光三维测量器的装置，其特征在于，包括：

一基准平面；

一激光测量头，设置于该基准平面上，且可发出一激光平面；

一校正机构，设置于该基准平面上，包括：

一平面块规，包括一校正平面，其中上述激光平面可在该校正平面上产生一亮线，该激光测量头可借助感测该亮线，而产生一对应的二维数字影像。

5、如权利要求4所述的校正激光三维测量器的装置，其特征在于，该校正机构还包括一旋转部，该旋转部包括一旋转轴，其中该旋转轴垂直于该基准平面，且该平面块规可通过该旋转部沿该旋转轴旋转。

6、如权利要求4所述的校正激光三维测量器的装置，其特征在于，该校正机构还包括一平移部，该平移部包括一平移轴，该平移轴垂直于该旋转轴，且该平面块规可借助该平移部沿该平移轴移动。

7、如权利要求6所述的校正激光三维测量器的装置，其特征在于，该平移部为一线性滑轨。

8、如权利要求5所述的校正激光三维测量器的装置，其特征在于，该旋转部为一结合马达与减速机构带动的旋转台。

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