CN109443214B - 一种结构光三维视觉的标定方法、装置及测量方法、装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种结构光三维视觉的标定方法、装置及测量方法、装置，包括获取标定板各个高度的光条纹图像；获取每帧光条纹图像中光条纹与所述标定板上图案的交点像素坐标；根据图案对应的交点像素坐标和图案的形状确定图案预设位置处的像素坐标；将每个图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度关联并形成关联关系，使得根据待测量光条纹上像素点的像素坐标、所述关联关系和标定板上所有图案预设位置处的像素坐标能够获取所述待测量光条纹上像素点对应的实际高度，降低了线结构光测量过程标定过程复杂程度，提高了结构光测量精确。

Description

一种结构光三维视觉的标定方法、装置及测量方法、装置

技术领域

本申请涉及视觉测量技术领域，尤其涉及一种结构光三维视觉的标定方法、装置及测量方法、装置。

背景技术

目前，进行视觉测量的方法有多种，其中包括接触式测量和非接触式测量。而现有的非接触式三维视觉测量主要分为双目视觉测量和结构光视觉测量。

其中，结构光视觉测量是基于光学的三角法测量原理进行测量的，测量仪器主要由光学投射器(激光)和CCD工业相机组成。光学投射器将一定模式的结构光投射于物体的表面，光平面在物体表面形成由被测物体表面形状所调制的光条纹图像，该图像由处于另一位置的CCD工业相机摄取。光条纹图像的畸变程度主要取决于光物体表面轮廓的高度变化，在光条纹图像中，光条纹的偏移与物体表面轮廓的高度成比例。

因此，在视觉测量前需要先标定，而现有的标定方法是对光学投射器与摄像机分别进行标定，得到光学投射器透射出来的光平面方程和摄像机的内外参数，利用这些标定后得到的参数对待测量的光条纹中心像素求解，即可以得到物体的三维数据。标定过程中，标定光平面方程这一过程较为复杂，且会因模型误差、舍入误差等影响测量精度。

发明内容

本申请实施例提供了一种结构光三维视觉的标定方法、装置及测量方法、装置，降低了线结构光测量过程标定过程复杂程度，提高了结构光测量精确。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种结构光三维视觉的标定方法，包括：

获取标定板各个高度的光条纹图像；

获取每帧光条纹图像中光条纹与所述标定板上图案的交点像素坐标；

根据图案对应的交点像素坐标和图案的形状确定图案预设位置处的像素坐标；

将每个图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度关联并形成关联关系，使得根据待测量光条纹上像素点的像素坐标、所述关联关系和标定板上所有图案预设位置处的像素坐标能够获取所述待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中所述待测量光条纹为从待测量物体的光条纹图像中提取的。

优选地，

所述图案预设位置处为图案的中心。

优选地，

所述图案为圆形。

本申请第二方面提供了一种结构光三维视觉的标定装置，包括：

第一获取单元，用于获取标定板各个高度的光条纹图像；

第二获取单元，用于获取每帧光条纹图像中光条纹与所述标定板上图案的交点像素坐标；

确定单元，用于根据图案对应的交点像素坐标和图案的形状确定图案预设位置处的像素坐标；

关联单元，用于将每个图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度关联并形成关联关系，使得根据待测量光条纹上像素点的像素坐标、所述关联关系和标定板上所有图案预设位置处的像素坐标能够获取所述待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中所述待测量光条纹为从待测量物体的光条纹图像中提取的。

本申请第三方面提供了一种结构光三维视觉的测量方法，包括：

获取待测量物体的光条纹图像；

提取所述光条纹图像中的光条纹；

根据所述光条纹上像素点的像素坐标和标定参数获取所述待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中所述标定参数包括标定板上所有图案预设位置处的像素坐标、图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度之间的关联关系。

优选地，

根据所述光条纹上像素点的像素坐标和标定参数获取所述待测量光条纹上像素点对应的实际高度具体包括：

从所述待测量光条纹中提取光条纹中心；

对于所述光条纹中心上的每个像素点，根据像素点的像素坐标确定距离所述像素点邻近的四个标定板上图案预设位置处的像素坐标，然后根据图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度之间的关联关系并通过差值法获取所述像素点对应的实际高度。

优选地，

所述图案预设位置处为图案的中心。

优选地，

所述图案为圆形。

本申请第四方面提供了一种结构光三维视觉的测量装置，包括：

第三获取单元，用于获取待测量物体的光条纹图像；

提取单元，用于提取所述光条纹图像中的光条纹；

第四获取单元，用于根据所述光条纹上像素点的像素坐标和标定参数获取所述待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中所述标定参数包括标定板上所有图案预设位置处的像素坐标、图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度之间的关联关系。

优选地，

所述第四获取单元具体用于：

从所述待测量光条纹中提取光条纹中心；

对于所述光条纹中心上的每个像素点，根据像素点的像素坐标确定距离所述像素点邻近的四个标定板上图案预设位置处的像素坐标，然后根据图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度之间的关联关系并通过差值法获取所述像素点对应的实际高度。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例中，提供了一种结构光三维视觉的标定方法，先获取标定板各个高度的光条纹图像；然后获取每帧光条纹图像中光条纹与标定板上图案的交点像素坐标；再根据图案对应的交点像素坐标和图案的形状确定图案预设位置处的像素坐标；最后将每个图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在标定板的实际高度关联并形成关联关系，使得根据待测量光条纹上像素点的像素坐标、关联关系和标定板上所有图案预设位置处的像素坐标能够获取待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中待测量光条纹为从待测量物体的光条纹图像中提取的；

因为本发明根据关联联系便可以获取待测量光条纹中心像素点对应的实际高度，而不需要通过标定结构光平面方程和相机内外参求解待测量光条纹中心，从而避免标定过程计算误差和舍入误差造成的精确度不足，提高了结构光三维视觉的测量精度，并且简化了测量过程。

附图说明

图1为本申请实施例中结构光三维视觉的标定方法的方法流程图；

图2为本申请实施例中结构光三维视觉的标定装置的结构示意图；

图3为本申请实施例中结构光三维视觉的测量方法的方法流程图；

图4为本申请实施例中结构光三维视觉的测量装置的结构示意图；

图5为本申请实施例中标定设备的一个角度的示意图；

图6为本申请实施例中标定设备的又一个角度的示意图；

图7为本申请实施例中标定设备的再一个角度的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，本申请实施例中结构光三维视觉的标定方法的方法流程图。

本申请第一方面提供了一种结构光三维视觉的标定方法的一个实施例，包括：

步骤101，获取标定板各个高度的光条纹图像。

在本实施例中，可以先将标定板倾斜放置，然后控制线结构光发射器和相机沿着水平方向同步运动，以将线结构光投射到标定板不同高度上，从而产生标定板各个高度的光条纹图像，将线结构光投射至标定板上，形成光条纹，并通过相机采集标定板各个高度的光条纹图像；因为图像畸变与物体表面高度有关，所以在标定板上，不同高度图案的图像畸变程度不同，在图像上对应的像素偏移量不同，即图案在图像上的成像位置不一样。

因此，光条纹图像上每个像素点都对应一个实际高度。

需要说明的是，标定板上的图案种类包括多种，例如可以是实心圆阵列图案，即图案为圆形，还可以是国际象棋盘图案。

步骤102，获取每帧光条纹图像中光条纹与标定板上图案的交点像素坐标。

可以理解的是，对于标定板上的每个图案，随着光条纹的移动，一个图案将与多条光条纹相交形成多个交点。

步骤103，根据图案对应的交点像素坐标和图案的形状确定图案预设位置处的像素坐标。

在本实施例中，图案预设位置可以是图案的各个位置，具体可以根据实际需要进行设定，例如图案预设位置处可以为图案的中心。

当图案为圆形时，图案预设位置可以为圆心，也可以为圆边上的四分之一分点；当图案为圆形且图案预设位置处为圆心时，可以通过光条纹与圆形图案的交点像素坐标确定圆形图案的圆心处的像素坐标。

步骤104，将每个图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在标定板的实际高度关联并形成关联关系，使得根据待测量光条纹上像素点的像素坐标、关联关系和标定板上所有图案预设位置处的像素坐标能够获取待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中待测量光条纹为从待测量物体的光条纹图像中提取的。

可以理解的是，当图案预设位置处的像素坐标与实际高度形成关联后，有多种方法可以获取待测量光条纹上像素点对应的实际高度；例如可以通过像素坐标可以计算待测量光条纹上像素点与周围邻近像素点之间的像素坐标关系，再根据关联关系便可以计算待测量光条纹上像素点对应的实际高度，进而可以完成待测量物体某个点的实际高度。

需要说明的是，本实施例利用像素坐标和实际高度的关联关系完成测量，不需要对光学投射器和摄像机进行标定，而避免内外参数和畸变系数的计算误差造成图像校正不完全，提高了结构光三维视觉的测量精度，并且简化了测量过程。

另外，可以理解的是，如果将标定板上所有点的像素坐标和实际高度均相关联，那么对于待测量光条纹上的每个像素点，均可以根据关联关系确定其对应的实际高度；然而，这种方法需要预先对标定板上的所有点进行标定，而本实发明只需要对图案预设位置处进行标定，然后通过计算完成测量，所以本发明大大节省了标定的工作量。

为便于理解，下面将以一具体应用场景对一种结构光三维视觉的标定方法的应用进行说明，应用例包括：

请参阅图5至图7，本申请以该标定设备进行结构光三维视觉的标定。该标定设备包括平台1，以及设置在平台1上的工业相机8、线结构光发射器7、高精度圆点标定板9、导轨5、多个不同规格长方体量块2、两个圆柱量块3和两个磁性V型铁4，如图5至图7所示，工业相机8和线结构光发射器7相对位置固定，安装在标定板9上方且沿着水平方向运动，高精度圆点标定板9下方安置有导轨5，导轨5上有两个滑块6一端自由，另一个滑块6通过紧定螺钉固定在导轨5上。两个滑块6分别用螺纹和两个磁性V型铁4连接，磁性V型铁4和两个规格一致的圆柱量块3因为磁力紧密接触，自由端放置不同规格的长方体量块2可组成任意高度。该标定设备角度可任意调节，可根据不同高度的测量要求调节角度，使相邻两个标定圆之间垂直高度距离具任意调节。

由图7根据几何关系可知：

则

H为量块高度，L为两个V型铁4之间的长度，可通过千分尺等工具直接测得，l为高精度圆点标定板9上两个圆之间在标定板9上实际物理的间距，h为高精度圆点标定板9两个圆之间在垂直方向上的投影物理距离差。

在该标定设备中，可以控制线结构光发射器7和工业相机8沿着水平方向同步运动，以将线结构光投射到标定板9不同高度上，从而产生标定板9各个高度的光条纹图像，将线结构光投射至标定板9上，形成光条纹，并通过工业相机8采集标定板9各个高度的光条纹图像；再获取每帧光条纹图像中光条纹与标定板9上图案的交点像素坐标，然后根据图案对应的交点像素坐标和图案的形状确定图案预设位置处的像素坐标，最后将每个图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在标定板9的实际高度关联并形成关联关系，使得根据待测量光条纹上像素点的像素坐标、关联关系和标定板9上所有图案预设位置处的像素坐标能够获取待测量光条纹上像素点对应的实际高度。

请参阅图2，本申请实施例中结构光三维视觉的标定装置的结构示意图。

本申请第二方面提供了一种结构光三维视觉的标定装置的一个实施例，包括：

第一获取单元201，用于获取标定板各个高度的光条纹图像。

第二获取单元202，用于获取每帧光条纹图像中光条纹与标定板上图案的交点像素坐标。

确定单元203，用于根据图案对应的交点像素坐标和图案的形状确定图案预设位置处的像素坐标。

关联单元204，用于将每个图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在标定板的实际高度关联并形成关联关系，使得根据待测量光条纹上像素点的像素坐标、关联关系和标定板上所有图案预设位置处的像素坐标能够获取待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中待测量光条纹为从待测量物体的光条纹图像中提取的。

请参阅图3，本申请实施例中结构光三维视觉的测量方法的方法流程图。

本申请第三方面提供了一种结构光三维视觉的测量方法的一个实施例，包括：

步骤301，获取待测量物体的光条纹图像。

步骤302，提取光条纹图像中的光条纹。

步骤303，根据光条纹上像素点的像素坐标和标定参数获取待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中标定参数包括标定板上所有图案预设位置处的像素坐标、图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在标定板的实际高度之间的关联关系，其中图案预设位置处可以为图案的中心，图案可以为圆形。

需要说明的是，根据标定参数有多种方法可以获取待测量光条纹上像素点对应的实际高度，例如可以具体包括：

先从待测量光条纹中提取光条纹中心；

然后对于光条纹中心上的每个像素点，根据像素点的像素坐标确定距离像素点邻近的四个标定板上图案预设位置处的像素坐标，然后根据图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在标定板的实际高度之间的关联关系并通过差值法获取像素点对应的实际高度。

需要说明的是，从提取光条纹中心方法的方法包括但不限于极值法和重心法；差值法包括多种，例如双线性差值法，邻近插值法等均为现有技术，所以此处不做详述。

本实施例通过差值法并根据关联关系便可以计算待测量光条纹上像素点对应的实际高度，不需要对光学投射器和摄像机进行标定，而避免内外参数和畸变系数的计算误差造成图像校正不完全，提高了结构光三维视觉的测量精度，并且简化了测量过程。

本申请第四方面提供了一种结构光三维视觉的测量装置，包括：

第三获取单元401，用于获取待测量物体的光条纹图像。

提取单元402，用于提取光条纹图像中的光条纹。

第四获取单元403，用于根据光条纹上像素点的像素坐标和标定参数获取待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中标定参数包括标定板上所有图案预设位置处的像素坐标、图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在标定板的实际高度之间的关联关系。

第四获取单元403可以具体用于：

从待测量光条纹中提取光条纹中心；

对于光条纹中心上的每个像素点，根据像素点的像素坐标确定距离像素点邻近的四个标定板上图案预设位置处的像素坐标，然后根据图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在标定板的实际高度之间的关联关系并通过差值法获取像素点对应的实际高度。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种结构光三维视觉的标定方法，其特征在于，包括：该方法基于标定设备进行结构光三维视觉的标定，其中，标定设备包括平台，以及设置在平台上的工业相机、线结构光发射器、标定板、导轨、多个不同规格长方体量块、两个圆柱量块和两个磁性V型铁，工业相机和线结构光发射器相对位置固定，安装在标定板上方且沿着水平方向运动，标定板下方安置有导轨，导轨上有两个滑块，一个滑块可自由移动，另一个滑块通过紧定螺钉固定在导轨上，两个滑块下端分别用螺纹和两个磁性V型铁连接，两个磁性V型铁下端分别和两个圆柱量块通过磁力紧密接触，可自由移动的滑块放置在不同规格的长方体量块上可组成任意高度；

根据几何关系可知：

则

H为多个不同规格长方体量块的总高度，L为两个磁性V型铁之间的长度，l为标定板上两个图案预设位置之间在标定板上实际物理的间距，h为标定板上两个图案预设位置之间在垂直方向上的投影物理距离差；

该方法具体包括如下步骤：

获取标定板各个高度的光条纹图像，具体包括：将标定板倾斜放置，控制线结构光发射器和相机沿着水平方向同步运动，将线结构光投射至标定板上，通过相机采集标定板各个高度的光条纹图像；

获取每帧光条纹图像中光条纹与所述标定板上图案的交点像素坐标；

根据图案对应的交点像素坐标和图案的形状确定图案预设位置处的像素坐标；

将每个图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度关联并形成关联关系，使得根据待测量光条纹上像素点的像素坐标、所述关联关系和标定板上所有图案预设位置处的像素坐标能够获取所述待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中所述待测量光条纹为从待测量物体的光条纹图像中提取的。

2.根据权利要求1所述的结构光三维视觉的标定方法，其特征在于，

所述图案预设位置处为图案的中心。

3.根据权利要求1或2所述的结构光三维视觉的标定方法，其特征在于，所述图案为圆形。

4.一种结构光三维视觉的标定装置，其特征在于，包括：该装置基于标定设备进行结构光三维视觉的标定，其中，标定设备包括平台，以及设置在平台上的工业相机、线结构光发射器、标定板、导轨、多个不同规格长方体量块、两个圆柱量块和两个磁性V型铁，工业相机和线结构光发射器相对位置固定，安装在标定板上方且沿着水平方向运动，标定板下方安置有导轨，导轨上有两个滑块，一个滑块可自由移动，另一个滑块通过紧定螺钉固定在导轨上，两个滑块下端分别用螺纹和两个磁性V型铁连接，两个磁性V型铁下端分别和两个圆柱量块通过磁力紧密接触，可自由移动的滑块放置在不同规格的长方体量块上可组成任意高度；

根据几何关系可知：

则

H为多个不同规格长方体量块的总高度，L为两个磁性V型铁之间的长度，l为标定板上两个图案预设位置之间在标定板上实际物理的间距，h为标定板上两个图案预设位置之间在垂直方向上的投影物理距离差；

该装置具体包括：

第一获取单元，用于获取标定板各个高度的光条纹图像，具体包括：一块倾斜放置、倾斜角度在标定前可调节标定过程中固定的标定板，沿同一方向同步运动的线结构光发生器和相机；

第二获取单元，用于获取每帧光条纹图像中光条纹与所述标定板上图案的交点像素坐标；

确定单元，用于根据图案对应的交点像素坐标和图案的形状确定图案预设位置处的像素坐标；

关联单元，用于将每个图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度关联并形成关联关系，使得根据待测量光条纹上像素点的像素坐标、所述关联关系和标定板上所有图案预设位置处的像素坐标能够获取所述待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中所述待测量光条纹为从待测量物体的光条纹图像中提取的。

5.一种结构光三维视觉的测量方法，其利用权利要求1所述的一种结构光三维视觉的标定方法进行结构光三维视觉的标定，其特征在于，包括：

获取待测量物体的光条纹图像；

提取所述光条纹图像中的光条纹；

根据所述光条纹上像素点的像素坐标和标定参数获取所述待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中所述标定参数包括标定板上所有图案预设位置处的像素坐标、图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度之间的关联关系。

6.根据权利要求5所述的结构光三维视觉的测量方法，其特征在于，根据所述光条纹上像素点的像素坐标和标定参数获取所述待测量光条纹上像素点对应的实际高度具体包括：

从所述待测量光条纹中提取光条纹中心；

对于所述光条纹中心上的每个像素点，根据像素点的像素坐标确定距离所述像素点邻近的四个标定板上图案预设位置处的像素坐标，然后根据图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度之间的关联关系并通过差值法获取所述像素点对应的实际高度。

7.根据权利要求5所述的结构光三维视觉的测量方法，其特征在于，

所述图案预设位置处为图案的中心。

8.根据权利要求5至7中任意一项所述的结构光三维视觉的测量方法，其特征在于，所述图案为圆形。

9.一种结构光三维视觉的测量装置，其利用权利要求4所述的一种结构光三维视觉的标定装置进行结构光三维视觉的标定，其特征在于，包括：

第三获取单元，用于获取待测量物体的光条纹图像；

提取单元，用于提取所述光条纹图像中的光条纹；

第四获取单元，用于根据所述光条纹上像素点的像素坐标和标定参数获取所述待测量光条纹上像素点对应的实际高度，其中所述标定参数包括标定板上所有图案预设位置处的像素坐标、图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度之间的关联关系。

10.根据权利要求9所述的结构光三维视觉的测量装置，其特征在于，所述第四获取单元具体用于：

从所述待测量光条纹中提取光条纹中心；

对于所述光条纹中心上的每个像素点，根据像素点的像素坐标确定距离所述像素点邻近的四个标定板上图案预设位置处的像素坐标，然后根据图案预设位置处的像素坐标与图案预设位置处在所述标定板的实际高度之间的关联关系并通过差值法获取所述像素点对应的实际高度。

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