专利名称：一种点激光测量系统的现场标定和精密测量方法
技术领域：
本发明涉及一种点激光现场标定和测量方法，具体是指一种可用于现场标定调试 的点激光视觉精密测量方法。
背景技术：
视觉测量技术以其速度快、精度高、非接触、自动化程度高等优势，近年来在非接 触测量领域发挥越来越大的作用。视觉测量不但可以替代很多人工工作，提高生产自动化 水平，提高监测精度，更是很多常规测量方法无法实现时的有效解决途径。标定(包括视相机参数标定和系统结构参数标定)在视觉测量系统中是非常关键 且重要的环节，其标定结果的精度及算法的稳定性与实时性，直接影响到工业生产过程中 测量的精度，以至最后影响到产品的质量检测结果。标定技术在许多机器视觉领域得到了 广泛应用，如三维重构、导航、视觉监控、大型复杂曲面的三维检测、大型工件平行度和垂直 度测量、机械零件的自动识别与几何测量、字符识别、汽车牌照识别、医学图像分析、飞船或 者导弹三维姿态测量、未来外星车导航等。随着标定技术的发展和成熟，我们可以通过标定 实现对摄像系统高精度的标定和误差修正，这些都为高精度的视觉测量提供坚实的基础。在视觉深度信息的测量中，激光配合视觉的测量技术以其测量精度高，方法原理 简便，相对于其他视觉方案成本低廉的优势，正得到越来越广泛的应用。通过Tsai，张正 友，胡占义等人在视觉标定中的贡献，我们可以轻松的获得相机的内部参数，但是点激光和 摄像机的结构参数的标定算法，大部分的文献和论文中阐述的是利用多个已知高度的平面 的高度H和激光点在相机中的像点坐标(u，ν)进行多项式或其他方案(神经网络)拟合， 来获得平面高度H和像点坐标的非线性关系，从而得到点激光和摄像机测量系统的标定曲 线。采用多项式拟合或其他一些智能算法如神经网络，得到的标定曲线的精度取决于标准 拟合点的数量。为了获得较高的测量精度，多个平面的标准高度机，拟，冊...是必须的，标 定条件苛刻，标定步骤繁琐。在激光器和相机结构固定的测量系统中，标定曲线是固定不变 的，所以此种方案在结构固定的传感器测头中得到了广泛的应用。在点激光-相机的测量 系统中，量程和测量精度是矛盾的。为了获得较大的量程，测量精度就会下降，而固定结构 的传感器测头，不能够根据现场需要实时的调整量程和测量精度之间的关系，用户为了不 同的需求不得不选购不同量程的传感器测头，增加了生产成本。
发明内容
本发明的目的在克服传统的点激光测量系统的标定条件苛刻，标定步骤繁琐等缺 点，提出一种灵活、精度高、速度快、稳定性好、实时性强、方法简单、计算量小、通用性强的 点激光系统的标定和测量技术。按照本发明提供的技术方案，所述点激光测量系统的现场标定和精密测量方法如 下首先，利用相机多次拍摄带标记圆点靶标，提取圆形斑点的亚像素圆心坐标并自动识别角点的行列值，完成和世界坐标的匹配；根据张正友标定算法得到相机的内部参数
矩阵
权利要求
，其中α = f/dx, β = f/dy，f为相机焦距，dx, dy为单个CXD感光元件的长
1. 一种点激光测量系统的现场标定和精密测量方法，其特征是 首先，利用相机多次拍摄带标记圆点靶标，提取圆形斑点的亚像素圆心坐标并自动识 别角点的行列值，完成和世界坐标的匹配；根据张正友标定算法得到相机的内部参数矩阵α γ U0 0 β V0 0 0 1宽物理尺寸，Y为反映CCD感光元件排列倾斜程度的物理量，U(1、Vtl为相机镜头光轴和CCD 感光元件的交点；第二步，选择零平面和两个基准面，高度分别记为0，HI, H2，调整点激光器和相机位置 使得在量程范围内，激光点都可以落在相机的视场内，分别拍摄激光在0，HI, H2所成的像 点P0，PI, P2 ；利用图像处理算法准确获取激光像点P0，PI, P2的中心；第三步，计算相机内部参数矩阵中的图像中心点0(uQ，vQ)在P0，PI, P2所在直线上的 投影点0’，u0, V0分别是图像中心点0的横坐标和纵坐标；相机的成像模型为针孔模型，记孔心点为O1，得到矢量O1O'、 O1P0、O1P1、O1P2，根据α，β求出O1P0、O1P1、O1尽依次与O1O'之间的夹角Z UZ2,Z3,Z4=Z 1-Z 3，根据Z 1、Z 2、Z 3，Z 4计算出孔心 O1到激光光线的垂直距离L和该垂线和零平面光线的夹角Δ ；把L称为基线距，Δ为基准 角，完成标定；第四步，得到高度和激光像点坐标的方程H= f (u，v，L，Δ)，其中L，Δ为已知，u，v为 在任意高度激光光斑中心的像素坐标，实现对高度H的实时测量。
2.如权利要求1所述点激光测量系统的现场标定和精密测量方法，其特征是所述提取 圆形斑点的亚像素圆心坐标并自动识别角点的行列值，完成和世界坐标的匹配方法如下1.1、在线实时采集带标记圆点靶标图像，选取合适阈值对图像二值化；使得圆形斑点 和标记突显；"ι ι Γ1.2、利用1ι ι腐蚀算子对图像进行腐蚀，去除由于椒盐噪声带来的桥型连通，对腐 1 1 1蚀后的图像进行膨胀，使得目标更加突显；利用标记算法，对二值化后的图像中的所有目标 进行标记，目标面积表示为其所包含的像素数目，统计带标记的圆形靶标中的目标，即圆点 和标记，所包含像素数目均值NP_average，去除包含像素数目小于0. 5XNP_average以及 大于1. 5XNP_average的目标；1.3、计算目标周长C和面积S，利用圆形度表达式e= C2/(2* π *S)，区分圆点和标记； 1. 4、利用标记拟合直线，确定标定板的倾斜角度；较长的标记条记为空间坐标的y轴，较短的标记条记为空间坐标的χ轴，计算χ轴和y轴在图像像素坐标中的斜率Kh，Kv ；1. 5、利用Ui = Kh*Vi+bih，Vi = Kv*Ui+biv计算圆点沿Kh, Kv方向在像素坐标u，ν轴上的 投影bih，biv，根据类间距离最大，类内距离最小的方法，对bih，biv进行聚类，并且对bih，biv 进行升序排列，对bih依次标记为第1行，第2行…，以此类推，同理biv依次标记为第1列， 第2列…，从而实现对圆点在实际空间坐标下的行列识别；其中(ui; Vi)表示第i个圆点的 像素坐标；-1.6、根据各个圆点之间实际距离，对每个圆点匹配实际的空间坐标。
3.如权利要求1所述点激光测量系统的现场标定和精密测量方法，其特征是所述利用 图像处理算法准确获取激光像点的中心的方法如下-2. 1、利用阈值对采集到的激光光斑进行二值化，对二值化图像进行图像腐蚀去除边缘 毛刺；-2. 2、计算腐蚀后图像的最小外切矩形后，上下左右各外扩5个像素裁剪原图像作为后 续算法的处理区域；-2.3、对上述图像进行均值滤波，减小光斑周围反射散斑对图像边缘的影响； 利用carmy边缘检测算子，得到激光光斑的外围轮廓；建立外围轮廓的椭圆方程 ax2+bxy+cy2+dx+ey+f = 0 ；用最小二乘法进行椭圆拟合，得到激光光斑的一个椭圆边界方
4.如权利要求1所述点激光测量系统的现场标定和精密测量方法，其特征是所述基线 距和基距角的标定方法如下-3.1、获取零平面、第一基准面和第二基准面的标准高度0，HI, H2的值和激光光斑在各 高度的像点；-3. 2、准确提取各个平面上激光斑像点的亚像素中心PO (ui; V1)，Pl (u2, V2)，P2 (U3，v3)； Ul、V1 ；u2, V2 ；u3、V3分别表示Po、PI、P2的横坐标和纵坐标；-3. 3、采用最小二乘方法对P0(Ul，V1), Pl(u2, V2), P2(u3，v3)三点坐标进行直线拟合 aUi+bVi+c = 0，其中i = 1、2、3，并计算相机内参数矩阵中的图像中心坐标0(Uq，Vq)在上述 直线上的投影
5.如权利要求1所述点激光测量系统的现场标定和精密测量方法，其特征是测 量高度H的方法为首先采集激光照射待测平面的光斑图像，利用第二步所述方法 准确提取激光像点中心P(u，ν)；然后计算向量斤厂，计算@，@的夹角正切值，tan^ = I1 0T Ln)2 +(I卵LV)2，根据向量^^的方向判断tan θ的正负，则H = V βΟ'ΡLcos θ X tan ( Δ + φ) -Lcos θ X tan Δ，实现高度的在线实时测量。
全文摘要
本发明针对传统的点激光-相机测量系统标定条件苛刻、标定步骤繁琐的缺点；通过分析相机的成像原理，建立相机成像模型，引入了基线距和基准角这两个结构参数的概念，设计了一种简单灵活的点激光测量系统的现场标定和精密测量方法。该方法只需要两个标准的平面高度H1和H2即可精确完成系统结构的标定任务，并且利用该算法的点激光-相机测量系统有较高的测量精度，可以达到精密测量的要求。该算法使得点激光-相机的结构可调，以及系统结构参数的现场标定成为可能；大大增加了激光测距系统的灵活性，对实际的视觉测量具有重要意义。
文档编号G06T7/00GK102063718SQ20101060400
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者孟伟, 白瑞林 申请人:江南大学