一种双传感器激光视觉三维测量系统校准方法

摘要

本发明属于测量技术领域，涉及对双传感器激光视觉三维测量系统校准方法的改进。本发明利用未知运动二维平面靶标，对包括摄像机内部参数、摄像机坐标系到全局世界坐标系的变换和光平面方程在内的所有双传感器激光视觉三维测量系统模型参数进行现场校准。本方法不需要高成本的辅助设备，校准精度高，过程简单，效率高，能够满足双传感器激光视觉三维测量系统现场校准的需要，同时也适合两个以上传感器激光视觉三维测量系统的现场校准。

主权项

1、一种双传感器激光视觉三维测量系统模型参数的校准方法，其特征在于，校准包括摄像机校准阶段、测量系统的全局校准阶段和光平面校准阶段，所有的校准均在测量现场进行，具体步骤为：1.1、摄像机校准阶段：1.1.1、设定靶标[1]，靶标上有预先设置的特征点，靶标为一个二维平面，在靶标平面上有成矩阵排列的黑色方块，方块数量为4～100个，黑色方块的边长为3～50mm，其边长精度为0.001～0.01mm，选取靶面上方块的顶点作为特征点，特征点的数量为16～400个；1.1.2、首先在摄像机的视场范围内，自由、非平行地移动靶标[1]至少3个位置，每移动一个位置，拍摄一幅图像，称为摄像机校准图像，靶标[1]的特征点应包含在拍摄图像内；然后提取所有摄像机校准图像的特征点的图像坐标，并与特征点的世界坐标对应；最后利用提取的所有特征点的图像坐标及对应的世界坐标来校准摄像机内部参数，包括摄像机有效焦距、主点以及畸变系数；1.1.3、采用步骤1.1.2叙述的方法，分别校准两个传感器的摄像机内部参数，包括有效焦距、主点以及畸变系数；1.2、测量系统的全局校准阶段：1.2.1、在测量系统的两个传感器的摄像机的公共视场范围内，放置靶标[1]，两个传感器中摄像机分别拍摄一幅靶标图像，称为全局校准图像，要求靶标平面的全部特征点应该包含在两幅全局校准图像内；1.2.2、在靶标[1]的平面上定义全局世界坐标系ow-xwywzw，选取靶标[1]左上角为原点ow，xw、yw轴分别与靶标的行列方块方向一致，zw轴垂直靶标平面向上；提取全局校准图像的特征点的图像坐标；利用特征点的图像坐标和对应全局世界坐标分别计算两个传感器的摄像机坐标系到全局世界坐标系的变换；1.3、光平面校准阶段：1.3.1、打开激光投射器的电源，在摄像机的视场内，放置靶标[1]，要求投射光平面能够投射到靶标平面上形成投射光条，摄像机拍摄一幅图像，称为光平面校准图像，靶标[1]上的特征点和投射光条应该包含在光平面校准图像内；1.3.2、根据摄像机的畸变模型，校正光平面校准图像的畸变，得到无畸变光平面校准图像；1.3.3、提取无畸变光平面校准图像的所有特征点的图像坐标，根据摄像机模型和内部参数，计算特征点的投影坐标；利用特征点的投影坐标及对应的世界坐标，计算靶标平面在摄像机坐标系下的平面方程；1.3.4、提取无畸变光平面校准图像中光条的图像坐标，根据摄像机模型和内部参数，计算光条的投影坐标，并利用光条投影坐标拟合光条直线方程；任意选取拟合光条直线上的一点，称为光平面上的控制点，控制点和摄像机坐标系原点确定的直线称为投影视线，计算控制点对应投影视线在摄像机坐标系下的直线方程；1.3.5、在摄像机坐标系下，计算靶标平面与控制点对应投影视线的交点，得到光平面上控制点在摄像机坐标系下的三维坐标，称为控制点的摄像机坐标；根据步骤1.2.2计算的摄像机坐标系到全局世界坐标系的变换，利用控制点的摄像机坐标计算控制点在全局世界坐标系下的三维坐标，称为控制点的全局世界坐标；1.3.6、采用步骤1.3.4～1.3.5相同的方法，计算更多位于同一光条上的控制点的全局世界坐标，同一光条上控制点的数量为2～20；1.3.7、将靶标[1]放置在不同的位置，采用步骤1.3.1～1.3.6相同的方法，计算光平面上的非共线控制点的全局世界坐标；靶标放置位置的数量为2～10，光平面上非共线的控制点总数为4～200；1.3.8、利用所有的非共线控制点的全局世界坐标，拟合平面得到光平面在全局世界坐标系下的方程；1.3.9、采用步骤1.3.1～1.3.8叙述的方法，分别得到测量系统的两个传感器的光平面在全局世界坐标系的方程；1.3.10、将校准的两个传感器的摄像机内部参数、摄像机坐标系到全局坐标系的变换以及两个传感器的光平面的方程系数保存到系统参数文件中，以备测量调用。