CN209820423U - 用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置 - Google Patents

Abstract

用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置属于直线激光器所投射的光平面空间姿态方程标定用运算辅助装置领域，其包括横断面均为正方形的顶层四棱柱、中层四棱柱和底层四棱柱，其三者的正方形横断面均完全相同，底层四棱柱、中层四棱柱和顶层四棱柱均为水平放置，且其三者的后端面均共面；顶层四棱柱层叠于中层四棱柱的上方，中层四棱柱层叠于底层四棱柱的上方；底层四棱柱的棱柱水平长度大于中层四棱柱的棱柱水平长度，且中层四棱柱的棱柱水平长度大于顶层四棱柱的棱柱水平长度。本实用新型极大程度地降低了机器视觉算法的相关数据量和运算量，进而使其在检测精度和运算效率两个方面均获得显著提高。

Description

用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置

技术领域

本实用新型属于直线激光器所投射的光平面空间姿态方程标定用运算辅助装置领域，具体涉及一种用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置。

背景技术

视觉测量技术能很好地适应现代工业对工件外形尺寸检测所提出的新标准和要求，是一种兼备精度和效率的非接触式外形检测手段。视觉测量方法的基本思想是：用空间姿态已知的激光平面投射在被检测物体上，生成直线投影光条，并用相机对激光平面在物体外形轮廓上的投影拍照，通过检测特征点图像坐标，根据已知相机内部参数和激光平面方程获得特征点在相机坐标系下对应的三维坐标，进而获得物体表面轮廓的三维信息。在使激光平面的空间姿态成为已知量的过程中，如何才能通过角点坐标检测、亚像素提取建模、镜头畸变参数标定等过程，使激光器在真实物理世界中所投射出的激光平面在相机的虚拟空间坐标系下映射成为已知的数学空间方程，始终是视觉测量技术领域研究的重点。

目前，用于求解和确定单一的线结构激光平面空间姿态方程的方法已趋于成熟，其方法多样，它们的共性都是通过标定获得的相机内部参数和靶标三维信息，求解激光光条上的多个离散特征点对应的空间坐标(x、y、z)以作为拟合光平面的离散特征点，利用多个非共线的离散特征点可求出任意一个激光光平面的空间方程。

比如，在专利申请号为201310352766.1的《多线结构光视觉传感器的快速标定方法》一文中，就在其公式(12)的求解方式中包含了所需的一组离散特征点空间坐标(x，y，z)的获取方法。

借助上述已知的离散特征点空间坐标(x，y，z)的获取方法，我们均可以通过获得一组已知的离散特征点空间坐标来拟合求解出一个近似通过这些离散点的空间平面方程，由此在建立好的相机虚拟坐标系下，获得一个激光平面空间姿态方程，将真实物理世界中的激光器投射平面，移植到虚拟的相机坐标系下。如图1和图2所示，通过压像素边缘检测算法和角点识别提取算法，可从棋盘格标定板5的不同姿态下分别获得多组对应姿态下的离散特征点，其中棋盘格标定板在第一个空间姿态下，可提取到空间线段a1-a2的两个端点并确定该线段所在的直线空间方程，按照同样方式，还可分别确定棋盘格标定板在第二个空间姿态下所对应的线段b1-b2的空间方程以及棋盘格标定板在第二个空间姿态下所对应的线段c1-c2的空间方程。此后，通过线段a1-a2的空间方程和线段b1-b2的空间方程可以确定一个直线激光器1的投影光平面1-1的空间方程；同理，通过线段b1-b2的空间方程和线段c1-c2的空间方程和可以确定一个另外一个独立的直线激光器1的投影光平面1-1的空间方程，通过将上述两个投影光平面1-1的空间方程相互拟合，可以求出一个最为接近真实情况的投影光平面1-1的虚拟的激光平面空间姿态方程，重复上述过程，从而可以进一步获得更多新的虚拟的激光平面空间姿态方程。通过该已知方法，还可以进一步实现：将真实物理世界中由多线激光器所投射出的多个激光平面均在相机的虚拟空间坐标系下粗略拼合映射成为已知数学空间方程的标定，并用于后续的相机镜头畸变参数标定和对工件轮廓线位置的视觉检测过程。

本实用新型的发明人在学术期刊Public Library ofScience上公开发表的SunQ,HouY,Tan Q,Li G(2014)AFlexible Calibration Method Using the Planar Targetwith a Square Pattern for Line Structured Light Vision System.PLoS ONE 9(9):e106911.doi:10.1371/journal.pone.0106911一文中，在第一章Methods的章节1.Calibration ofcamera model还同时公开了一种对相机内部参数进行标定的方法，简称为相机内部参数标定方法。

然而，前述现有基于拟合光平面方法的镜头畸变参数标定过程均需通过反复移动一个相对结构完全已知的棋盘格标定板标靶平面作为直线激光平面的投影承接屏幕，从而获得多个不同位置或角度姿态下的棋盘格标定板标靶平面照片及其激光光条图像。但现有的棋盘格标靶结构复杂，所包含的方格数量较多，导致亚像素光条提取和角点位置检测算法运算量较大，耗费时间较长；同时，每次移动棋盘格标定板时，其位置和角度关系均无法完全精准，从而给后续多个光条拟合生成同一个激光光平面的空间方程的运算引入不可避免的人为误差，并干扰计算结果的精度。此外，现有由离散特征点拟合出的激光平面空间姿态方程并不够精确，由于检测误差、算法误差等系统误差在所难免，因此所获得的激光平面空间姿态方程与真实世界中的激光器投射平面并不能严格重合，即便是在完全相同的光平面空间姿态方程标定条件下，若先将所获得的第一个和第二个激光平面空间姿态方程在虚拟的相机坐标系下相交，并形成第一条交线的话，则按同样的方法，在将第三个激光平面空间姿态方程也拟合到同一个虚拟的相机坐标系下时，则在误差干扰下，第三个激光平面空间姿态方程可以分别与前两个激光平面分别相交于另外两条新的交线，而与第一和第二激光平面空间姿态方程的交线并不重合。

由于上述多个光平面在同一坐标系下拼合的拟合方法存在明显的缺陷，导致在同一相机虚拟坐标系下拟合多个光平面的方式远远不能满足视觉测量对激光平面空间姿态方程坐标定位的精度需求，并严重制约了视觉检测激光平面空间方程标定拟合精度的进一步改善空间。

中垂面是能够将对称结构分割成互为镜像的两个部分的剖切平面。

实用新型内容

为了解决现有棋盘格标定板结构复杂，所包含的方格数量较多，导致亚像素光条提取和角点位置检测算法运算量较大，耗费时间较长；同时，每次移动棋盘格标定板时，其位置和角度关系均无法完全精准，从而给后续多个光条拟合生成同一个激光光平面的空间方程的运算引入不可避免的人为误差；以及通过移动位置和空间姿态而产生的棋盘格标定板上的激光投影平面，其平面的空间方程在移动中存在位置上的精度误差，导致即便是在完全相同的光平面空间姿态方程标定条件下，第一个和第二个两个激光平面的空间方程与第二个和第三个激光平面的空间方程依然难以精确重合与同一个平面内，进而造成现有在同一相机虚拟坐标系下拟合多个光平面的方式不能满足视觉测量对激光平面空间姿态方程坐标定位的精度需求，并致使现有镜头畸变参数标定方式制约了相机校准精度的改善空间，不利于进一步提高激光平面空间姿态方程在相机虚拟坐标系中的拟合标定精度的技术问题，本实用新型提供一种用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置。

本实用新型解决技术问题所采取的技术方案如下：

用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置，其包括横断面均为正方形的顶层四棱柱、中层四棱柱和底层四棱柱，其三者的正方形横断面均完全相同，底层四棱柱、中层四棱柱和顶层四棱柱均为水平放置，且其三者的后端面均共面；顶层四棱柱层叠于中层四棱柱的上方，中层四棱柱层叠于底层四棱柱的上方；底层四棱柱的棱柱水平长度大于中层四棱柱的棱柱水平长度，且中层四棱柱的棱柱水平长度大于顶层四棱柱的棱柱水平长度。

所述顶层四棱柱为正六面体，中层四棱柱的棱柱水平长度是顶层四棱柱边长的二倍；底层四棱柱的棱柱水平长度是顶层四棱柱边长的三倍。

所述底层四棱柱、中层四棱柱和顶层四棱柱的中垂面均共面，且其三者一体成型。

所述底层四棱柱的底层四棱柱前端面、中层四棱柱的中层四棱柱前端面和顶层四棱柱的顶层四棱柱前端面，其三者均为激光投影标靶平面。

本实用新型的有益效果是：该辅助标靶屏幕装置通过严谨而简单的结构改进，巧妙地同时布置了三个相对位置关系均完全已知的底层四棱柱前端面、中层四棱柱前端面和顶层四棱柱前端面三者共同作为激光投影标靶平面。由于底层四棱柱前端面、中层四棱柱前端面和顶层四棱柱前端面均是相互平行，且距离和相对位置关系均完全确定的三个激光投影标靶平面，而第一光条线段、第二光条线段和第三光条线段又均是由同一个激光器发出且在投影光平面上所生成的，并且，同时包含其三者的唯一一副照片又同时包含有正方形四个角点，因此，确定激光平面空间方程所需的全部要素数据均以包含在由这三条线段和四个角点所确定的线段和平面的几何关系之中，从而在大幅简化旧有棋盘格标定板制作难度的基础上，免除了变换激光投影标靶平面的动作，避免了位置关系和角度关系拟合运算时的误差引入，并极大程度地降低了机器视觉算法的相关数据量和运算量，进而使其在检测精度和运算效率两个方面均获得显著提高。

本实用新型的辅助标靶屏幕装置可以完全满足视觉测量对激光平面空间姿态方程坐标定位的精度需求，并使镜头畸变参数标定和相机校准精度均获得进一步改善。

此外，该辅助标靶屏幕装置还具有结构简单实用，操作方便，成本低廉，便于推广普及等优点。

附图说明

图1是现有的棋盘格标定板的结构示意图；

图2是现有的由多条光条空间方程拟合标定出激光平面空间方程的原理示意简图；

图3是本实用新型用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置的立体结构示意图；

图4是本实用新型用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置的侧视结构示意图；

图5是本实用新型用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置的应用示意图；

图6是本实用新型位于三个不同激光投影标靶平面上的三条激光投影光条线段的相对位置关系原理示意图；

图7是图6中三条激光投影光条线段的空间位置关系以及确定投影平面的法线向量空间方程的原理示意简图；

图8是本实用新型由三条激光投影光条确定唯一的直线激光器的投影光平面空间方程的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

如图3和图4所示，本实用新型的用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置包括横断面均为正方形的顶层四棱柱4、中层四棱柱3和底层四棱柱2，其三者的正方形横断面均完全相同，底层四棱柱2、中层四棱柱3和顶层四棱柱4均为水平放置，且其三者的后端面均共面；顶层四棱柱4层叠于中层四棱柱3的上方，中层四棱柱3层叠于底层四棱柱2的上方；底层四棱柱2的棱柱水平长度大于中层四棱柱3的棱柱水平长度，且中层四棱柱3的棱柱水平长度大于顶层四棱柱4的棱柱水平长度。

所述顶层四棱柱4为正六面体，中层四棱柱3的棱柱水平长度是顶层四棱柱4边长的二倍；底层四棱柱2的棱柱水平长度是顶层四棱柱4边长的三倍。

所述底层四棱柱2、中层四棱柱3和顶层四棱柱4的中垂面均共面，且其三者一体成型。

所述底层四棱柱2的底层四棱柱前端面2-1、中层四棱柱3的中层四棱柱前端面3-1和顶层四棱柱4的顶层四棱柱前端面4-1，其三者均为激光投影标靶平面，其激光投影标靶平面的材质和制作工艺均与现有棋盘格标定板上的光刻蚀黑色块相同，因此，其三者对激光条的漫反射特性均与棋盘格标定板上的光刻蚀黑色块对激光条的漫反射特性相一致。

具体应用本实用新型的用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置辅助确定唯一的直线激光器的投影光平面空间方程时，将正方形的顶层四棱柱4的边长设为200mm，中层四棱柱3的水平长度为400mm，底层四棱柱2的水平长度为600mm。

如图5所示，布置直线激光器1的位置和姿态，使其光轴1-2垂直于底层四棱柱2的底层四棱柱前端面2-1，并使光轴1-2的水平高度值大于顶层四棱柱4上端面的水平高度值。然后，使直线激光器1发出投影光平面1-1，并使投影光平面1-1分别投射到底层四棱柱前端面2-1、中层四棱柱前端面3-1和顶层四棱柱前端面4-1上，并设投影光平面1-1在底层四棱柱前端面2-1上生成第一光条线段d1d2、投影光平面1-1在中层四棱柱前端面3-1上生成第二光条线段e1e2、投影光平面1-1在顶层四棱柱前端面4-1上生成第三光条线段f1f2。

接着，如图5至图7所示，利用摄像机拍摄一幅同时包含第一光条线段d1d2、第二光条线段e1e2和第三光条线段f1f2的清晰照片，并利用机器视觉领域公知的亚像素角点坐标提取算法，在前述拍摄的一副照片中提取和识别出正方形的底层四棱柱前端面2-1的四个正方形角点：即：第一角点p，第二角点q，第三角点m和第四角点n在虚拟相机坐标系下的空间坐标值。由此，即可求解出底层四棱柱前端面2-1所在空间平面A的空间平面方程，以及该空间平面A的方向向量B，同时，还可利用正方形边长的公知几何算法，求解出底层四棱柱前端面2-1的正方形pqmn的几何中心点O在相机坐标系下的空间坐标值。由此，使正方形pqmn在相机坐标系下的空间方程及其几何中心点O的法向均成为已知量。

此后，如图8所示，以正方形pqmn在相机坐标系下的空间方程及其几何中心点O的法向向量作为已知量，即可利用发明人在专利申请号为201310352766.1的《多线结构光视觉传感器的快速标定方法》一文中所公开的离散特征点空间坐标(x，y，z)的获取方法，分布获得通过第一光条线段d1d2、第二光条线段e1e2和第三光条线段f1f2的三条直线各自对应的直线方程，并在建立好的相机虚拟坐标系下，拟合出唯一一个以投影光平面1-1为标的的激光平面空间姿态方程，从而将真实物理世界中的激光器投射平面，移植到虚拟的相机坐标系下。

Claims (4)

1.用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置，其特征在于：该装置包括横断面均为正方形的顶层四棱柱(4)、中层四棱柱(3)和底层四棱柱(2)，其三者的正方形横断面均完全相同，底层四棱柱(2)、中层四棱柱(3)和顶层四棱柱(4)均为水平放置，且其三者的后端面均共面；顶层四棱柱(4)层叠于中层四棱柱(3)的上方，中层四棱柱(3)层叠于底层四棱柱(2)的上方；底层四棱柱(2)的棱柱水平长度大于中层四棱柱(3)的棱柱水平长度，且中层四棱柱(3)的棱柱水平长度大于顶层四棱柱(4)的棱柱水平长度。

2.如权利要求1所述的用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置，其特征在于：所述顶层四棱柱(4)为正六面体，中层四棱柱(3)的棱柱水平长度是顶层四棱柱(4)边长的二倍；底层四棱柱(2)的棱柱水平长度是顶层四棱柱(4)边长的三倍。

3.如权利要求2所述的用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置，其特征在于：所述底层四棱柱(2)、中层四棱柱(3)和顶层四棱柱(4)的中垂面均共面，且其三者一体成型。

4.如权利要求3所述的用于激光平面空间方程快速标定的辅助标靶屏幕装置，其特征在于：所述底层四棱柱(2)的底层四棱柱前端面(2-1)、中层四棱柱(3)的中层四棱柱前端面(3-1)和顶层四棱柱(4)的顶层四棱柱前端面(4-1)，其三者均为激光投影标靶平面。