一种新型线结构光传感器结构参数标定方法

测试测量的一些经典文献

第21卷第1期　　　　　　　　　　　　　仪　器　仪　表　学　报　　　　　　　　　　　　　2000年2月

一种新型线结构光传感器结构参数标定方法

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段发阶　刘凤梅　叶声华

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室　天津　300072)

摘要　本文提出了一种以一个简单的一维工作台和齿形靶标标定线结构光传感器结构参数的新方法,并用罚函数约束求解出参数。该方法对可见光和不可见光的场合均适用。操作简单,速度快,不需要其它仪器辅助测量光平面上点的坐标。实验证明,该方法具有较高准确度。

关键词　线结构光传感器　标定　光平面

ANewAccurateMethodfortheCalibrationofLineStructuredSensor

uanei　YieShenghua

(StateKeyLabofPrecisionMinUniversity　Tianjin　300072China)

Abstract　Thispaperpresentostructuredlightvisualsensorsaccuratly.Itusesasimplea12stagetolocatetheprojectinglight2planeofthesensorinthecameracoordinateparameterswithapunishingfunctionrestrainedmethod.ThisMethodeappliesinbothvisibandinvisiblelight.

Keywords　Linestructuredlightvisualsensor　Calibration　Light2plane

1　引　　言

线结构光传感器的模型参数包括摄像机的内部参数和光平面与摄像机之间的相互位置参数。光平面是由光投射器投射的光束分布和光条软件算法所确定的一个假想平面,它不象一般机械平面那样可用一般仪器检测,从而使得确定光平面与摄像机间的位置关系十分困难。在满足准确度的情况下,如何方便地确定光平面相对摄像机的位置是视觉检测系统标定的重要内容。目前,针对线结构光标定的方法主要有机械调整法[1]、细丝散射法[2]和靶标标定法等。

机械调整法人为调整环节多,摄像机模型简化成理想模型,因此准确度不高,只能适应一些小测量范围场合。细丝散射法要求投射器投射出的光束是可见光束,否则标定过程没法进行。并且从光条算法特点考虑,亮点本身表现为一种光强分布,用仪器瞄准的亮点与利用软件算法从亮点在像面成像形成的灰度分布中

3　本文于1998年5月收到。

国家“863”资助项目,编号:863—512—9804—11。

提取的点一般不是对应点;再者,由于细丝和实际测量

中的待测物表面的散射特性相差较大,这必然导致利用细丝散射在像面上形成的灰度分布求得的特征点,与利用待测物表面散射在像面上形成的灰度分布求得的特征点不是来自同一个光平面。这两种不一致必然会给标定带来误差。靶标标定法使用经特殊设计的靶标,标定时,先求靶标相对摄像机的位置,再求光平面相对摄像机的位置,此方法对靶标有特殊要求,准确度不高。

本文根据线结构光传感器的特点,并为适应不可见光传感器标定场合,提出一种仅用一个简单标定靶和一个一维工作台实现线结构光传感器的高准确度、快速标定方法。这种方法不要另外的仪器测量光平面的点坐标,且标定靶面的散射特性也可做成与待测表面的散射特性相一致。

2　标定原理

标定原理示于图1,光投射器把光束投射到齿型标定靶上,与靶面相交从而形成如图所示的折线式光

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　第1期一种新型线结构光传感器结构参数标定方法

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条(可见或不可见),折线光条在摄像机像面上成像,像光条也是折线状。图2为像面光条形状。利用光条算法可求折线的转折点的像面坐标,这些转折点对应光平面与齿型块各棱线的交点。

图1中,设Ocxcyc为标定靶面的基准面,棱线“1”、“2”、“3”都与基准面平行。齿型标定靶紧固在一维工作台上,通过仪器调整使得一维工作台的运动方向与基准面相垂直。如图1所示建立齿型靶坐标系,Ocxcyc为基准面,并使得Ocxc与各棱线平行,Oczc为基准面的法线方向,则三条外凸棱线的直线“1”、“2”、“3”的方程可表示为:

yc=y1yc=y2　　

yc=y3

xc=x1　　xc=x2　　xc=x3

标取棱线在基准坐标系内的yc坐标。很明显这样建立的光平面坐标系为直角坐标系。一维工作台作一维移动,从而改变各点光平面坐标系中的xL坐标,但各点的yL坐标保持不变。获取工作台在不同位置时各点的xL坐标值,即得到了光平面内一些离散点的OLxLyL

坐标值,与此同时通过图像处理可求得各点在像面上的对应坐标。

由于这样获得的点不是很多,不能用于摄像机内部参数的高准确度标定,采用文献[3]介绍的摄像机标定法标定摄像机的内部参数。然后利用上面获得的数据采用罚函数约束标定法求得光平面与摄像机间的位置关系。

为分析方便,按右手法则让光平面坐标系扩展为OLxLyLzL,:

=r1　3x45ryr7r8　r9　Tz

xLLzL1

(1)

摄像机经内部参数标定后,可转化为一理想透视变换模型,如式(2)所示。

X=f

(2)　　Y=f

zz

模型中　f

参数已标定。将(1)式代入

(2)式,并考x

fr1　fr2　fTxfr

4　fr5　fT

yr7　r8　Tz

a1　a2　a3

xLyL1xL

xL

(3)

虑光面zL=0,得:

y=图1　标定原理

通过仪器分别测量出y1、z1、y2

、z2、y3、z3的实际值。标定时,通过调整一维工作台或传感器的姿态,使得光平面与棱线相垂直。此时一维工作台的移动方向

=Tza4　a5　a6yL=TzAyL

a7　a8　111

222

由正交性约束,有:a1+a4+a7=1;a22+a52+

2

可把求解问题转化为 …… 此处隐藏：2300字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……