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测量系统中视觉图像 传感器与光点测距传感器测量 坐标系的统一方法

阅读：438发布：2020-05-12

专利汇可以提供测量系统中视觉图像传感器与光点测距传感器测量坐标系的统一方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且测量系统中视觉图像传感器与点光测距传感器测量坐标的系统一方法，解决使用高精度标准块坐标系统一，过程繁琐、精度不稳定的问题。采用的方法是，多次图像传感器获取平面标定板本的图像信息，点光测距传感器获取平面标定板本表面的点云数据信息；图像传感器的内部参数和外部参数进行标定；平面标定板上的标定点的三维坐标重建；获取每一个姿态下平面标定板的拟合平面；确定视觉图像传感器与点光测距传感器坐标系之间的旋转矩阵和平移向量参数。该方法具有简单高效，精度高、稳定和成本低廉等特点。，下面是测量系统中视觉图像传感器与光点测距传感器测量坐标系的统一方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.测量系统中视觉图像传感器与光点测距传感器测量坐标系的统一方法，该方法基于四轴联动设备借助于带有规则排列标志点的平面标定板实现双目立体视觉图像传感器与光点测距传感器构成的融合测量系统的坐标系统一方法，其特征在于：该方法由以下步骤实现：
步骤1.将带有规则排列标志点的平面标定板固定在四轴联动设备的工作台上，双目立体视觉图像传感器获取平面标定板本次安装之态下的图像信息，光点测距传感器获取平面标定板本次安装之态下表面的点云数据信息；
步骤2.重复步骤1共获得一组不同姿态平面标定板的图像信息和平面标定板表面上的点云数据信息；
步骤3.依据步骤2获得的一组不同姿态平面标定板的图像信息对双目立体视觉图像传感器的内部参数：焦距、图像中心、镜头畸变和外部参数：旋转矩阵和平移向量进行标定；
步骤4.依据步骤3获取的内部参数、外部参数和采集的平面标定板上对应标定点信息，进行一组不同姿态下平面标定板上的标定点的三维坐标重建；
步骤5.依据步骤4获取的一组不同姿态下平面标定板上的标定点的三维坐标，采用随机一致性算法进行平面拟合，获取每一个姿态下平面标定板的拟合平面；
步骤6.依据步骤5获取的每一个姿态下平面标定板的拟合平面和步骤2光点测距传感器获取的一组不同姿态平面标定板表面上的点云数据信息，根据同姿态下的点云数据中点到同姿态下拟合平面的距离构建优化目标函数，通过构建的优化目标函数求解点到平面的最小距离值，确定融合测量系统中双目立体视觉图像传感器与光点测距传感器坐标系之间的旋转矩阵和平移向量参数。
2.根据权利要求1所述的测量系统中视觉图像传感器与光点测距传感器测量坐标系的统一方法，其特征在于：步骤3内部参数：焦距、图像中心、镜头畸变和外部参数：旋转矩阵和平移向量进行标定方法是：
用张正友平面标定方法进行参数的代数求解，以逆向投影误差为误差模型，假设标靶上第j个点Mj在第i个姿态下在相机图像上的投影坐标为P，则目标方程有：
公式(1)中：mij为与Mj相对应的像点，A为相机的内部参数矩阵，Ri为该位姿下的旋转矩阵，ti为该位姿下的平移向量，上述优化函数采用L-M算法求解最优解。
3.根据权利要求1或2所述的测量系统中视觉图像传感器与光点测距传感器测量坐标系的统一方法，其特征在于：步骤3中不同姿态下平面标定板上的标定点的三维坐标重建的方法为：
在标定点的三维坐标重建过程中已经提取了标定特征点，并对特征点进行了排序与对应，在有左右图像的对应特征点对和标定点参数的情况下，采用如下公式进行三维点的匹配计算，左相机的投影矩阵Pl如公式(2):
Pr和Pl具有相同的形式，进一步可以得到公式(3):
这里面pl＝{ul,vl}T,pr＝{ur,vr}T为左右图像的对应点及像素坐标表示，Xw，Yw和Zw为最终获得的平面标定板上的标定点的三维坐标值。
4.根据权利要求1或2所述的测量系统中视觉图像传感器与光点测距传感器测量坐标系的统一方法，其特征在于：步骤6中双目立体视觉图像传感器与光点测距传感器坐标系之间的旋转矩阵和平移向量参数的确定方法是：
点到同姿态下拟合平面的距离可以表示为：
这里是1×3法向量；
[X0 Y0 Z0]是标定平面上的已知点；
和是空间点MFPS和MCHS的齐次坐标点表示；
优化目标函数为：
这里是一组不同姿态下图像信息中第i个姿态下标定板的拟合平面；
最终计算得到变换矩阵H，这里H＝[h1,h2,h3],对H进行分解可以求得外部参数旋转矩阵R和平移向量T；
R＝[h1,-h1×h2,h2]T,T＝-[h1,-h1×h2,h2]Th3。

说明书全文

测量系统中视觉图像 传感器与光点测距传感器测量 坐标系的

统一方法

技术领域

[0001] 本发明属于非接触精密测量领域，具体涉及一种双目立体视觉传感器与光点测距传感器构成的融合测量系统中，双目立体视觉传感器与光点测距传感器坐标系的统一方法。它可为基于双目立体视觉传感器结构光扫描与光点测距传感器融合进行复杂零部件非接触测量提供一种高效精密的坐标系统一方法。

背景技术

[0002] 在复杂曲面的非接触测量领域，光学测量法是近年来发展起来的新方法，得到人们越来越多的重视与越来越广泛的应用，如：结构光扫描法、光学三角法、全息干涉法等。双目立体视觉传感器的结构光扫描法，通过曝光控制优化、图像增强、多视角测量优化等算法与技术，已经能够对一般精加工表面进行直接测量，快速获得任意曲面的完整数据(万点/秒)。但是，由于测量原理的限制，无法实现高曲率、小半径特征的精确测量，测量精度低。而基于光点测距传感器的光点的三角法和全息干涉等点光源测量技术(光斑直径最小可达3.5μm)，具有可以测量高反光表面的能力、不需要半径补偿，配合精密运动控制系统，在测量路径规划后可以实现高曲率、小半径特征精确测量，测量精度高，但是测量效率低。光学测量法已成为复杂曲面零件检测的发展趋势。但是，单一的光学测量法存在着明显的技术局限性，难以满足测量速度快、精度高和数据完整等多种需求。因此，充分利用双目立体视觉传感器的结构光扫描测量速度快和光点测距传感器的全息干涉测量精度高的技术优势，是实现复杂曲面快速精确全尺寸测量的有效手段。如何根据两种传感器的特点实现全局坐标系的快速精密标定(统一)，是实现两种光学传感器融合测量的前提，对保证整个系统的测量精度至关重要。精密高效的全局坐标系统一方法，为实现结构光扫描与全息干涉这类具有速度快和精度高的多光学传感器融合测量提供一种有效的技术手段是十分必要的。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种基于双目立体视觉与光点测距传感器的四轴融合测量系统的全局坐标系统一方法，实现被测零件完整点云数据的准确获取及精密检测。该方法具有简单高效，精度高、稳定和成本低廉等特点。

[0004] 本发明实现发明目的采用的技术方案包括如下步骤：

[0005] 步骤1.将带有规则排列标志点的平面标定板固定在四轴联动设备的工作台上，双目立体视觉图像传感器获取平面标定板本次安装之态下的图像信息，光点测距传感器获取平面标定板本次安装之态下表面的点云数据信息；

[0006] 步骤2.重复步骤1共获得一组不同姿态平面标定板的图像信息和平面标定板表面上的点云数据信息；

[0007] 步骤3.依据步骤2获得的一组不同姿态平面标定板的图像信息对双目立体视觉图像传感器的内部参数：焦距、图像中心、镜头畸变和外部参数：旋转矩阵和平移向量进行标定；

[0008] 步骤4.依据步骤3获取的内部参数、外部参数和采集的平面标定板上对应标定点信息，进行一组不同姿态下平面标定板上的标定点的三维坐标重建；

[0009] 步骤5.依据步骤4获取的一组不同姿态下平面标定板上的标定点的三维坐标，采用随机一致性算法进行平面拟合，获取每一个姿态下平面标定板的拟合平面；

[0010] 步骤6.依据步骤5获取的每一个姿态下平面标定板的拟合平面和步骤2光点测距传感器获取的一组不同姿态平面标定板表面上的点云数据信息，根据同姿态下的点云数据中点到同姿态下拟合平面的距离构建优化目标函数，通过构建的优化目标函数求解点到平面的最小距离值，确定融合测量系统中双目立体视觉图像传感器与光点测距传感器坐标系之间的旋转矩阵和平移向量参数。

[0011] 本发明的有益效果是：解决了现有技术中这种基于双目立体视觉和光点测距传感器的融合测量系统的全局坐标系标定过程繁琐、额外制作高成本精密标准块和精度差等问题。本发明不需要额外制作高精度标准块，仅利用用于双目视觉标定的平面标靶，在双目视觉参数标定过程中同时实现了全局坐标系标定。为充分利用了点激光测距传感器能够直接高精度测量强反光表面和双目立体视觉快速测量复杂表面的特性，实现复杂曲面高精度、快速测量提供一种有效的全局坐标系标定技术手段。该方法具有简单高效，精度高、稳定和成本低廉等特点。

[0012] 为了使本发明的发明目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

附图说明

[0013] 附图1为本发明全局坐标系标定方法流程图。

[0014] 附图2为本发明平面拟合结果示意图。

具体实施方式

[0015] 测量系统中视觉图像传感器与光点测距传感器测量坐标的系统一方法，该方法基于四轴联动设备借助于带有规则排列标志点的平面标定板实现双目立体视觉图像传感器与光点测距传感器构成的融合测量系统的坐标系统一方法，该方法由以下步骤实现：

[0016] 步骤1.将带有规则排列标志点的平面标定板固定在四轴联动设备的工作台上，双目立体视觉图像传感器获取平面标定板本次安装之态下的图像信息，光点测距传感器获取平面标定板本次安装之态下表面的点云数据信息。

[0017] 步骤1实施例中采用的平面标定板为9行*11列的圆点阵列特征，平面标定板也可以使用棋盘格、同心圆等其他特征。在标定过程中采用了拍摄至少5个不同位姿下的标定板图像，所有位姿要保证尽量覆盖到整个双目立体视觉相机1和相机2(图像传感器)的有效视场。在每一个位姿下双目立体视觉(图像传感器)系统拍完图像后，三轴控制系统带动光点测距传感器运动到距离标定板的有效景深范围内进行表面三维点云的采集。

[0018] 步骤1实施例中采用光点测距传感器在对每个位姿下的标定板进行拍摄时，为保证采集数据的精度，采用了一种扫描控制策略，具体为：在标定板表面进行随动控制扫描获取标定板表面水平和垂直方向的两条直线点，首先将测量头移动到标定板的左上角位置测量获取第一个点，通过设定好的固有步长进行移动测量第二个点，用第一个点的Z值减去第二个点的Z值判断在移动固定步长的情况下会不会超出景深范围，进而进行测量距离的调整。这样重复迭代直到获取到第一行点数据为止。采用同样的方法获取第一列点数据值。然后采用平面拟合方法拟合平面。获得该平面后我们就可以通过求解表面点的方法来任意获取我们想要采集的表面数据点。

[0019] 步骤2.重复步骤1共获得一组不同姿态平面标定板的图像信息和平面标定板表面上的点云数据信息。

[0020] 步骤3.依据步骤2获得的一组不同姿态平面标定板的图像信息对双目立体视觉图像传感器的内部参数：焦距、图像中心、镜头畸变和外部参数：旋转矩阵和平移向量进行标定。

[0021] 步骤4.依据步骤3获取的内部参数、外部参数和采集的平面标定板上对应标定点信息，进行一组不同姿态下平面标定板上的标定点的三维坐标重建。

[0022] 步骤5.依据步骤4获取的一组不同姿态下平面标定板上的标定点的三维坐标，采用随机一致性算法进行平面拟合，获取每一个姿态下平面标定板的拟合平面。

[0023] 步骤6.依据步骤步骤5获取的每一个姿态下平面标定板的拟合平面和步骤2光点测距传感器获取的一组不同姿态平面标定板表面上的点云数据信息，根据同姿态下的点云数据中点到同姿态下拟合平面的距离构建优化目标函数，通过构建的优化目标函数求解点到平面的最小距离值，确定融合测量系统中双目立体视觉图像传感器与光点测距传感器坐标系之间的旋转矩阵和平移向量参数。

[0024] 本发明实施例中，步骤3内部参数：焦距、图像中心、镜头畸变和外部参数：旋转矩阵和平移向量进行标定方法是：

[0025] 用公知的张正友平面标定方法进行参数的代数求解，以逆向投影误差为误差模型，假设标靶上第j个点Mj在第i个姿态下在相机图像上的投影坐标为P，则目标方程有：

[0026]

[0027] 公式(1)中：mij为与Mj相对应的像点，A为相机的内部参数矩阵，Ri为该位姿下的旋转矩阵，ti为该位姿下的平移向量。上述优化函数一般采用L-M(Levenberg-Marquardt)算法求解最优解。

[0028] 本发明实施例中，步骤3中不同姿态下平面标定板上的标定点的三维坐标重建的方法为：

[0029] 在标定点的三维坐标重建过程中已经提取了标定特征点，并对特征点进行了排序与对应，在有左右图像的对应特征点对和标定点参数的情况下，采用如下公式进行三维点的匹配计算，左相机的投影矩阵Pl可以表示为公式(2):

[0030]

[0031] Pr和Pl具有相同的形式，进一步可以得到公式(3):

[0032]

[0033] 这里面pl＝{ul,vl}T,pr＝{ur,vr}T为左右图像的对应点及像素坐标表示，Xw，Yw和Zw为最终获得的平面标定板上的标定点的三维坐标值。

[0034] 本发明实施例中，步骤6中双目立体视觉图像传感器与光点测距传感器坐标系之间的旋转矩阵和平移向量参数的确定方法是：

[0035] 点到同姿态下拟合平面的距离可以表示为：

[0036]

[0037] 这里是1×3法向量；

[0038] 是标定平面上的已知点；

[0039] 和是空间点MFPS和MCHS的齐次坐标点表示；

[0040] 优化目标函数为：

[0041]

[0042] 这里是一组不同姿态下图像信息中第i个姿态下标定板的拟合平面；

[0043] 最终计算得到变换矩阵H，这里H＝[h1,h2,h3],对H进行分解可以求得外部参数旋转矩阵R和平移向量T；

[0044] R＝[h1,-h1×h2,h2]T,T＝-[h1,-h1×h2,h2]Th3。

[0045] 本发明与现有技术比较的有益之处在于：

[0046] 1.本发明测量过程中采用了双目立体视觉传感器和光点测距传感器，与传统的多数采用三坐标与光学传感器的组合比成本低廉，本发明使用的传感器最高精度可以达到1微米，虽然比三坐标低一些，但是已经能够满足多数复杂曲面的测量需求。

[0047] 2.本发明的方法充分利用了双目立体视觉传感器和光点测距传感器的优势，在进行双目立体视觉标定的同时进行全局坐标系标定，节省时间的同时，降低了系统标定的其他需求，比如，额外需要高精度的标准块。而且该发明方法利用标定板的表面三维重建进行标定，与传统的高精度标准块比起来获得的数据精度更高，噪声更小，可以提高坐标系标定的精度和稳定性。

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测量系统中视觉图像传感器与光点测距传感器测量坐标系的统一方法

测量系统中视觉图像传感器与光点测距传感器测量坐标系的

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