[發明專利]無位姿約束線激光單目視覺三維測量傳感器參數標定方法

有效

• 申請號: 201210473794.4
• 申請日: 2012-11-21
• 公開（公告）號: CN102980528A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 習俊通;李凌旻;王振興;陳曉波
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

1.一種無位姿約束線激光單目視覺三維測量傳感器參數標定方法，其特征在于本發明的標定方法包括如下步驟：

1）制作平面靶標：以白色為底色制作平面靶標，靶標上分布四個黑色標志圓圖案，這四個黑色標志圓圖案均在設定的靶標坐標系內；其中一個大直徑標志圓的形心為A，三個相同直徑的小直徑標志圓的形心分別為B、C、D，四個標志圓形心的相對位置如下：以形心A為基準，形心B位于形心A正右方，形心C位于形心A右上方，形心D位于形心A正上方，這4個形心就是標定三維測量傳感器的靶標特征點；

2）拍攝三維測量傳感器標定所需圖像：將靶標置于線激光單目視覺三維測量傳感器的測量場景中，開啟線激光投射器，投射線激光圖案至靶標上，通過移動或旋轉任意改變靶標位姿，用單目攝像機拍攝包含靶標特征點及線激光光刀的K幅標定圖像，K≥2；

3）三維測量傳感器標定基礎數據的獲取：

根據步驟2）中已獲得的標定圖像中，提取4個標志圓圖像的形心a、b、c、d,在像素行方向上采用灰度質心法提取光刀圖像每一行的光刀中心點，由所有這些光刀中心點構成光刀中心點集，其中形心a、b、c、d即為靶標特征點在單目攝像機成像平面中的二維成像點，將光刀中心點集、形心a、b、c、d的二維坐標以及靶標坐標系下形心A、B、C、D的三維坐標作為三維測量傳感器標定的基礎數據；

4）三維測量傳感器標定全部數據信息的獲取：

在獲取了三維測量傳感器標定基礎數據的基礎上，依次對每一幅自由位姿的標定圖像，計算靶標坐標系下三維靶標特征點與其二維成像點的一一對應關系，以及光平面特征點在靶標坐標系下的三維坐標，從而構成三維測量傳感器標定所需全部數據信息；

4.1）三維靶標特征點與其二維成像點一一對應關系的獲取：

針對每一幅標定圖像，將成像面積最大的標志圓所包含靶標特征點的二維成像點a與靶標坐標系中大直徑標志圓的三維形心點A對應，并在標定圖像中，以點a為始點，逆時針方向依次以其余三個小直徑標志圓所包含靶標特征點的二維成像點b、c、d為終點作向量，則得到向量簇：逐一計算向量簇V中的向量叉積并判斷其方向，有：

對于向量b→:(b→×c→)·k→<0(b→×d→)·k→<0,]]>兩項均為負，

對于向量c→:(c→×b→)·k→>0(c→×d→)·k→<0,]]>兩項一正一負，

對于向量d→:(d→×b→)·k→>0(d→×c→)·k→>0,]]>兩項均為正，

其中為攝像機成像平面法向量，且滿足右手法則，以“+”代表正，“-”代表負，則上述計算結果可寫成集合稱作向量簇V的叉積方向集合，由透射投影性質可知：集合S具有不變性，即無論靶標如何旋轉或移動，集合S始終保持不變，根據這一性質，即可將這三個小直徑標志圓所包含靶標特征點的二維成像點b、c、d與其在靶標坐標系下的三維形心點B、C、D依次對應，從而確定了所有4個三維靶標特征點與其二維成像點的一一對應關系；

4.2）光平面特征點在靶標坐標系下三維坐標的獲取：

獲得4個靶標特征點的二維成像點a、b、c、d所圍成的四邊形，計算獲得直線與直線的交點e以及直線與直線的交點f的坐標，同樣地，在靶標坐標系中計算獲得直線與直線的交點E以及直線與直線的交點F的坐標，在圖像中，最小二乘法擬合四邊形abcd內的光刀中心點集得到光刀中心點集擬合直線獲取直線與四邊形abcd的兩個交點，即圖像中的光平面特征點p、q，運用圖像中的點p、q，點a、b、c、d、e、f及其在靶標坐標系下對應的三維坐標點，根據交比不變原理，即可計算得到點p、q在靶標坐標系下的三維坐標點P、Q，其W坐標均為0；

5）單目攝像機內外參數的標定：

定義單目攝像機坐標系如下：以單目攝像機鏡頭光心O為原點，單目攝像機鏡頭光軸為Z軸，像素行方向為X軸，像素列方向為Y軸，由三維靶標特征點坐標及其對應二維成像點坐標，采用張正友的平板標定算法對單目攝像機內外參數進行線性求解后，通過Levenberg-Marquardt非線性優化，使靶標特征點在單目攝像機成像平面上的投影誤差的平方和最小，即優化標定得到單目攝像機所有內外參數：內部參數為單目攝像機X軸方向、Y軸方向等效焦距f_X=f/D_X、f_Y=f/D_Y以及主點坐標(C_X,C_Y)，其中D_X、D_Y為單目攝像機行像素、列像素間距，f為單目攝像機實際焦距，外部參數為K個由靶標坐標系到單目攝像機坐標系的變換矩陣H；

6）線激光投射器光平面參數的標定：

通過光平面特征點在靶標坐標系下的三維坐標左乘相應的變換矩陣H，將所有K幅標定圖像共計2K個光平面特征點統一變換到攝像機坐標系下，由這2K個光平面特征點在攝像機坐標系下的坐標，運用最小二乘法，以點到面的距離為目標函數：

f(t,u,v,w)=Σi=12KDi2,Di=|txi+uyi+vzi+w|t2+u2+v2]]>

其中，x_i、y_i、z_i為單目攝像機坐標系下第i個光平面特征點的三維坐標，D_i為第i個光平面特征點到擬合所得光平面的距離，t、u、v、w即為線激光投射器光平面參數，使目標函數最小，擬合平面，得到單目攝像機坐標系下線激光光平面方程tx_i+uy_i+vz_i+w=0，從而實現線激光投射器光平面參數的標定。