[發明專利]一種虛擬多球體球心定位的TOF深度相機三維坐標標定裝置和方法

有效

• 申請號: 201410650844.0
• 申請日: 2014-11-15
• 公開（公告）號: CN104316083B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發明（設計）人: 敖磊;劉永奇;董鑫;熊勝軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電研究院
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01M11/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 成金玉,孟卜娟

1.一種虛擬多球體球心定位的TOF深度相機三維坐標標定方法，其特征在于：所述的標定方法包括以下步驟：

(1)首先確定空間坐標系OXYZ，三維運動平移臺的三個平移軸定義為X、Y、Z三個方向，坐標原點O定位為TOF深度相機鏡頭中心，三維運動平移臺安裝底面定義為XZ平面，與TOF深度相機安裝底面平行；Z方向為TOF深度相機光軸方向，與Z方向平移臺平移軸運動方向平行；Y方向為三維運動平移臺安裝底面的垂直方向；X方向為右手坐標系定義的方向；空間坐標系OXYZ與TOF深度相機三維測量坐標系OcXcYcZc之間的三維坐標轉換關系如下所示：

xcyczc1=nxxnyxnzxpxnxynyynzypynxznyznzzpz0001xwywzw1]]>

其中，x_c，y_c，z_c表示空間任意一點在TOF深度相機三維測量坐標系下的坐標，x_w，y_w，z_w表示該點在空間坐標系OXYZ下的坐標，nx_x，nx_y，nx_z表示空間坐標系X軸在TOF深度相機三維測量坐標系下的方向向量，ny_x，ny_y，ny_z表示空間坐標系Y軸在TOF深度相機三維測量坐標系下的方向向量，nz_x，nz_y，nz_z表示空間坐標系Z軸在TOF深度相機三維測量坐標系下的方向向量，p_x，p_y，p_z表示空間坐標系的坐標原點在TOF深度相機三維測量坐標系下的坐標；

(2)調整TOF深度相機和球體目標的初始位置，使得球體目標表面與TOF深度相機鏡頭表面緊貼，且保證TOF深度相機鏡頭光軸通過球體目標球心，球體目標半徑為R，則初始位置球心位置坐標為Z0＝R；

(3)控制Z方向運動平移臺帶動TOF深度相機沿著Z方向運動，產生Z方向精確位移，到達Z方向確定位置sz，此時，球心位置變為Z1＝sz+R，Z方向運動完成；

(4)控制X方向運動平移臺和Y方向運動平移臺，帶動TOF深度相機在sz位置處，在XY平面內進行遍歷運動，形成虛擬多球體目標；在XY平面內運動中的每個位置處，球體目標的球心三維空間位置坐標可以由球體半徑R以及運動平移臺的運動位置唯一確定，如下式所示：

Pij(xij,yij,zij)＝Pij(sxij,syij,sz+R)

其中，i和j分別為TOF深度相機在XY平面內X方向和Y方向運動的位置序號；Pij(xij,yij,zij)為球體目標球心的三維空間位置坐標，即：球心在空間坐標系OXYZ下的三維坐標；sxij為X方向運動平移臺在X方向產生的位移；syij為Y方向運動平移臺在Y方向產生的位移；sz為Z方向運動平移臺在Z方向產生的位移；R為球體目標的半徑；TOF深度相機對球體目標進行三維球心定位測量，首先測量得到球體目標表面各個點的三維測量坐標值：pijk(xijk,yijk,zijk)，其中，k＝1,2,3……,N為球體目標表面測量點的序號，N為球體目標表面測量點的個數；然后對球體目標表面各個點的三維測量坐標值采用最小二乘擬合方法對球體目標的球心坐標進行高精度定位，得到球心在TOF深度相機三維測量坐標系OcXcYcZc下的坐標為：Pij’(xij’,yij’,zij’)，其中，i＝1,2,3,……，j＝1,2,3,……分別為對應的TOF深度相機在XY平面內X方向和Y方向運動的位置序號；

(5)遍歷整個XY平面，得到該Z方向位置處所有的XY位置處球體目標球心的三維測量值與空間位置坐標，帶入上述坐標轉換關系中，解線性方程組即實現對TOF深度相機的三維坐標的標定。