一種基于雙目視覺的多線激光器光平面標定方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于雙目視覺的多線激光器光平面標定方法，屬于圖像處理和視 覺測量領域。
【背景技術】
[0002] 視覺測量是一種利用相機采集被測量物體表面圖像并從中恢復出被測量物體三 維外形的技術。在諸多視覺測量手段中，以激光線為實現(xiàn)手段的線結構光測量方式因具有 良好的測量精度和對物體表面顏色良好的適應能力獲得了廣泛的應用?；趩尉€激光器的 測量方式每次僅能獲得物體表面一條截面線數(shù)據(jù)，存在測量效率不高的缺陷。克服上述缺 陷的一種方案是采用多線激光器進行測量。
[0003] 準確的標定多線激光器光平面方程是進行測量的前提。目前，光平面的標定算法 大致可以分為基于細絲散射的方法、基于機械調整的方法和基于交比不變的方法三類。
[0004] 第一類方法通過將激光線投射到細絲標靶上形成亮點，并通過計算亮點世界坐標 與圖像坐標映射關系的方法標定光平面參數(shù)。此類方法獲取的標定點圖像坐標精確度有 限，而且對于多線激光器而言，無法自動確定激光點與激光線的歸屬關系，需要人工交互， 操作繁瑣，且精度有限。
[0005] 第二類方法是一種較為直接的方法，往往需要將激光線對齊到某一特征上或者將 相機擺放到合適的位置，如林娜的方法需要將標靶坐標系、機器人坐標系以及結構光傳感 器坐標系利用機器人系統(tǒng)調整至只存在平移變換的狀態(tài)；而Niola的方法需要利用機器人 系統(tǒng)帶動結構光系統(tǒng)做特定的平移旋轉運動進行標定。此類方法僅僅適用于單線激光器的 標定，而且在調整位置過程中直接依賴于人為經驗，存在誤差，不同次標定會得出不同的結 果。
[0006] 第三類方法通過至少三個已知坐標的共線特征點生成標定結構光參數(shù)所需的標 定點坐標。由于標定點并非直接從圖像中提取的特征點，其定位精度容易受攝像機畸變等 的影響，且獲取的標定點數(shù)目不多，尤其是基于雙重交比不變原理獲取標定點的方法，第一 次交比不變引起的誤差還會傳播到第二次交比不變從而帶來誤差累積，因此不易獲得較高 的標定精度。

【發(fā)明內容】

[0007] 針對上述問題，本發(fā)明提供一種適用于多線激光的、操作簡單、精度可靠的基于雙 目視覺的多線激光器光平面標定方法，可以應用在諸如產品尺寸檢測、產品逆向建模、文物 保護及游戲動漫人物建模等一切采用多線結構光進行三維測量的領域。
[0008] 本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0009] 本發(fā)明提供一種基于雙目視覺的多線激光器光平面標定方法，包括以下具體步 驟：
[0010] 步驟1，將多線激光器正對分布有網格狀圓形標記點的平面標靶擺放，使多線激光 器發(fā)出的激光線投射到平面標靶上后每條激光線分布在不同圓形標記點的列間隔中，且左 右目相機能夠拍攝到完整的標革E圖像；
[0011] 步驟2,利用左右目相機分別拍攝標靶圖像，得到左、右目標靶圖像；
[0012] 步驟3,從步驟2中的左、右目標靶圖像中，分別提取出圓形標記點中心成像位置， 并以平面標靶的方向信息和行列數(shù)作為依據(jù)對圓形標記點中心進行排序；
[0013] 步驟4,對步驟3中已排序的左、右目圓形標記點中心依照排列順序進行立體匹 配；
[0014] 步驟5,選取左右目中任意一目，進行如下處理：
[0015] 5. 1，根據(jù)左右目相機參數(shù)和步驟4的立體匹配結果，計算匹配后的每個圓形標記 點中心在該目相機坐標系表示下的空間位置坐標，并進行平面擬合，得到標靶平面在該目 相機坐標系表示下的平面方程；
[0016] 5. 2,對該目標靶圖像進行預處理，即將圖像中每個圓形標記點的成像橢圓區(qū)域以 及由所有圓形標記點成像中心確定的凸包外側的圖像區(qū)域的亮度填充為〇 ;
[0017] 5. 3,從5. 2中預處理后的圖像中提取出激光點的成像坐標，并依據(jù)步驟1中激光 線與圓形標記點的位置關系區(qū)分出屬于不同激光線的激光點成像坐標；
[0018] 5. 4,以該目相機的參數(shù)和5. 1中所得標靶平面的平面方程作為約束條件，求得 5. 3中激光點成像坐標在該目相機坐標系表示下的空間位置坐標；
[0019] 步驟6,將5. 4中計算出的激光點空間位置坐標對應放入為每條激光線建立的容 器中；
[0020] 步驟7,移動平面標靶至不同的位置，重復進行步驟1~步驟6 ;
[0021] 步驟8,對步驟6中的激光線容器分別進行操作：取出其中的所有空間位置坐標并 擬合平面，得到每條激光線在左目相機坐標系表示下的光平面方程，從而完成多線激光器 光平面標定。
[0022] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟7中的重復次數(shù)為至少一次。
[0023] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟5. 1中采用雙目三角法計算每個圓形標記點 中心在左目相機坐標系表示下的空間位置坐標。
[0024] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟5. 4中采用激光三角法求得5. 3中激光點成 像坐標在該目相機坐標系表示下的空間位置坐標。
[0025] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟1中平面標靶上分布的網格狀圓形標記點的 行列數(shù)不同。
[0026] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟3中提取出圓形標記點中心成像位置的步驟 如下：
[0027] 1)對標革巴圖像進行Canny邊緣提?。?br>[0028] 2)步驟1)中提取的邊緣線進行過濾，具體為：拋棄不滿足以下兩個準則的邊緣 線：
[0029] A.邊緣線長度1滿足L_< I < L _，LnilJP L _分別為圓形標記點成像后橢圓的 最小和最大邊緣長度；
[0030] B.記邊緣線兩側的平均亮度分別為Mf和M b，Mf彡M b，則Mf、Mb滿足
[0031]
[0032] 式中，Tol為亮度閥值，ζ為區(qū)分中心白色區(qū)域和黑色圓環(huán)的最小灰度差值；
[0033] 3)對步驟2)中過濾后的邊緣線進行橢圓擬合，擬合所得的橢圓的中心即為近似 的圓形標記點中心的成像位置。
[0034] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟3中以平面標靶的方向信息和行列數(shù)作為依 據(jù)對圓形標記點中心進行排序，具體為：
[0035] 1)找到位于邊角的四個圓形標記點中心成像位置，并按順時針或逆時針方向排 序，記其中距離圖像左上角最近的成像位置為V 1，其余三個按照排列順序依次記為ν2、ν3、 ν4;
[0036] 2)找到與直線V1V4垂直距離小于閾值的標記點中心，并依照其與ν i點的距離由 近及遠進行排序，記排序后的標記點次序為P1, Pf Pni;找到與直線V 2v3垂直距離小于閾值 ε的標記點中心，并依照其與V2點的距離由近及遠進行排序，記排序后的標記點次序為 QiWO11;
[0037] 3)找到距離直線ρΛ小于閾值的標記點中心成像位置，并按照其與ρ i點的距離由 近及遠進行排序，最后將排序后的標記點中心成像位置依次放在容器T中。
[0038] 4)將步驟3)中PA1依次替換為p沖（i = 2, 3···m)，并執(zhí)行步驟3)的內容，完成 所有標記點中心成像位置的排序。
[0039] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，步驟1)中找到位于邊角的四個圓形標記點成像 位置，具體為：利用主元素分析方法找到包圍所有標記點中心成像位置的最小傾斜矩形，找 到距離此矩形四個頂點最近的四個標記點中心。
[0040] 本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：
[0041] 1)傳統(tǒng)基于標靶的光平面標定方法都需要一塊標記點位置分布非常精確的標定 板，且參數(shù)標定結果的準確性直接依賴于標靶的精度，而本發(fā)明所述方法對標靶制作要求 很低，在實施過程中只需要在一個平面物體上噴涂或者粘貼圓形標記點并大致保證標記點 成規(guī)則行列排列即可；
[0042] 2)由于標記點的位置是通過雙目視覺求取的，所以標定精度取決于雙目視覺的參 數(shù)精確度。即使是在非準確標靶的情況下，雙目視覺參數(shù)也是可以通過平差優(yōu)化等方法獲 得很高精度的。因此，相對于傳統(tǒng)方法，本發(fā)明所述方法更容易獲得較高的標定精度；
[0043] 3)相對于細絲散射法，本發(fā)明可以通過激光像素點與標記點之間的位置關系，自 動確定激光像素點是由哪條激光線形成的；相對于機械調整法，本發(fā)明所述方法對標定位 置的要求僅僅是保證不同的激光線的成像位置分布在不同的圓形標記點間隔列中即可。由 于不需要人工交互的參與，使得非專業(yè)技術人員也可以很容易的掌握標定流程，大大提高 了標定的方法的實用性；
[0044] 4)本發(fā)明可以同時標定多線激光器在左右目下的光平面方程，