[發明專利]一種基于單圓柱3D靶標的線結構光視覺傳感器的標定方法

在審

• 申請號: 202010035197.8
• 申請日: 2020-01-14
• 公開（公告）號: CN113129442A
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 華東交通大學
• 主分類號: G06T17/10
• 分類號: G06T17/10;G06T15/50;G06T15/20;G06F17/11
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• 代理人: 暫無信息

本發明提出了一種用于線結構光視覺傳感器的新校準方法。攝像機捕獲與圓柱靶標和線結構光相交的激光條紋，并且結合橢圓的截面特性來獲得線結構光的光平面參數。利用多個位置對光平面參數進行非線性優化以獲得光平面方程的最佳解。該方法只需要一個圓柱靶標，大大簡化了校準過程。本發明提出的基于單圓柱3D靶標的線結構光標定方法相比傳統線結構光標定方法，更加簡便且能更好的適用于復雜工業環境中，很好的擴展了視覺檢測的實際應用前景。

技術領域

本發明屬于攝像機三維成像與檢測技術領域，具體涉及一種通過3D圓柱靶標進行線結構光平面標定以實現在復雜工業環境的在線目標快速標定。

背景技術

隨著制造業的飛速發展，工業自動化技術的探索已逐漸成為當代研究的熱點話題。視覺測量已廣泛應用于工業自動化技術中，并已成為工業自動化發展的關鍵因素之一。在許多視覺測量方法中，結構光視覺測量方法因其測量范圍廣，無接觸，速度快和精度高已成為工業環境中使用最廣泛的標定方法之一。通常，根據不同的光束模式，結構光投影可以分為點結構光，線結構光，多線結構光和網格結構光。這些方法已廣泛用于各個工業領域，例如汽車制造業的車身三維重構，鋼鐵業的激光焊接質量檢測技術以及車輪的高精度檢測。其中線結構光視覺測量技術的優劣主要取決于其校準算法性能的好壞。該算法主要包括兩部分：攝像機參數的標定和線結構光平面的求解。線結構光平面求解方法分為一維靶標法，二維靶標法和三維靶標法。一維靶標法主要適用于可動件的大范圍現場標定，二維靶標方法對光平面要求較高，在復雜情況下難以獲得清晰的特征點，因此校準精度會受到很大影響。傳統的三維靶標法具有一定的校準精度，但需要考慮其生產成本和工藝要求。

發明內容

本發明提出了一種利用單圓柱3D靶標外輪廓特性的線結構光視覺傳感器的標定新方法?？朔F有復雜工業環境標定的諸多缺陷與制約，實現單幅圖像的快速標定的要求。本發明通過如下技術方案實現：

一種基于單圓柱3D靶標的線結構光視覺傳感器的標定方法，包括：

(1)選擇使用單圓柱作為3D靶標進行目標校準。

(2)搭建線結構光視覺傳感器模型。

(3)已知相機內部參數的情況下，在光平面校準過程中，根據圖像上的橢圓信息，獲得世界坐標系中的橢圓錐方程。通過利用圓柱對稱性的幾何特性獲得平移矩陣。通過圓柱靶標輪廓邊界在世界坐標系軸上兩個交點的特征以及線結構光條紋擬合的橢圓獲得旋轉矩陣

(4)結合平移矩陣和旋轉矩陣，得到線結構光的光平面方程，通過多次移動靶標位置來非線性優化光平面方程系數，最終得到完整的光平面方程。所述光平面的標定由如下步驟計算確定：

一種單圓柱3D靶標的線結構光視覺傳感器的標定系統，包括：

一個圓柱靶標，用于作為線結構光標定的3D靶標。一個單線激光投影儀，用于在圓柱靶標上投影出激光條紋，一個CCD相機，用于拍攝待處理的激光條紋。一個三角架，用于架設并固定CCD相機。

本發明所述的一種利用單圓柱3D靶標外輪廓特性的線結構光視覺傳感器的標定新方法，利用單圓柱制造過程簡單、幾何特性特殊，并且在復雜環境中對特征點和輪廓特征要求不高的特點，基于透視投影模型，建立由線結構光與圓柱靶標相交形成的空間橢圓以及相應投影圖像的關系方程，根據這些關系方程，求解線結構光平面方程。

本發明中，通過激光平面與圓柱靶標相交線得到的橢圓錐方程，利用圓柱對稱性，以及擬合橢圓和圓柱靶標輪廓邊界在世界坐標系軸上兩個交點的特性獲得平移矩陣與旋轉矩陣并最終得到線結構光的光平面方程。

所述自由曲線通過如下步驟計算確定：