一种单目旋转结构光三维测量方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114264248A(43)申请公布日2022.04.01(21)申请号202111434800.0(22)申请日2021.11.29(71)申请人中国石油大学（华东）地址266580山东省青岛市黄岛区长江西路66号(72)发明人李肖李伟陈兴佩袁新安殷晓康陈怀远周晶玉赵建明赵建超丁建喜(74)专利代理机构辽宁鸿文知识产权代理有限公司21102代理人苗青(51)Int.Cl.G01B11/24(2006.01)G01B11/00(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图1页(54)发明名称一种单目旋转结构光三维测量方法(57)摘要本发明属于机器视觉测量领域，提供了一种单目旋转结构光三维目标测量方法，通过振镜反射线结构光进行旋转扫描，实现了被测目标的高精度三维测量。对于本方法，在测量过程中线结构光光平面旋转轴轴线可标定出来，因此线结构光无需准确照射在振镜旋转轴轴线上即可实现高精度测量，且线结构光光平面旋转角度通过计算得到。与现有测量方法相比，本方法有效地避免了由控制电压参数或反射镜角度计算线结构光光平面旋转角度带来的误差，所有计算均在世界坐标系下进行，在保证精度的前提下简化了整个测量过程。CN114264248ACN114264248A权利要求书1/2页1.一种单目旋转线结构光三维测量方法，其特征在于，步骤如下：(1)单目旋转线结构光三维测量系统搭建单目旋转结构光三维测量系统主要由相机(1)、线结构光激光器(2)和振镜(3)组成，通过线结构光激光器(2)将线结构光照射在振镜(3)上，然后利用振镜(3)反射后的线结构光对被测目标进行扫描测量；(2)线结构光光平面及其旋转轴轴线的标定1)首先进行相机标定，采用张氏标定法结合高精度棋盘格标定板标定相机内参数矩阵及畸变参数，其标定表达式为：其中，Zc为尺度因子，(u0,v0)为相机(1)拍摄图像的主点坐标，(Cx,Cy)为相机(1)像元在横、纵方向的等效焦距，R为旋转矩阵，T为平移矩阵，(X,Y,Z)为棋盘格标定板角点在世界坐标系O‑XYZ(4)下的三维坐标，(u,v)为棋盘格标定板角点在图像上的像素坐标；根据棋盘格标定板上三维点与二维成像点的对应关系即求解相机(1)的内参数矩阵和畸变参数，包括径向畸变系数k1、k2以及切向畸变参数p1、p2；2)以1号位置棋盘格标定板(5)左上角的角点为原点O，棋盘格竖直排列方向为X轴、水平排列方向为Y轴、垂直于标定板平面向上为Z轴建立世界坐标系O‑XYZ(4)；通过相机(1)拍摄1号位置棋盘格标定板(5)的图像，标定相机(1)在世界坐标系O‑XYZ(4)下的外参数矩阵，进而得到空间点与其图像像素坐标的对应关系为：其中，R1为相机(1)到世界坐标系O‑XYZ(4)的旋转矩阵，T1为相机(1)到世界坐标系O‑XYZ(4)的平移矩阵，X、Y、Z为该点在世界坐标系O‑XYZ(4)下的三维坐标分量；3)开启线结构光激光器(2)，利用振镜(3)将线结构光光平面旋转至θ＝0°的初始角度，则线结构光光平面与1号位置棋盘格标定板(5)相交于直线AB，通过相机(1)拍摄线结构光图像并利用灰度重心法提取线结构光中心线上各点的像素坐标：其中，I(u',v')为线结构光图像中像素坐标(u',v')处的像素点灰度值，Ω为图像u'方向上线结构光所占像素点的集合，(u0',v0')是线结构光中心线上点的像素坐标；2CN114264248A权利要求书2/2页然后根据线结构光中心线上点的像素坐标及公式(2)计算线结构光中心线上点的世界坐标，进而拟合出线结构光AB的方程；4)保持线结构光激光器(2)开启，将线结构光光平面旋转至角度θ，θ由后面计算得到，则线结构光光平面与1号位置棋盘格标定板(5)相交于直线CD，通过相机(1)拍摄线结构光图像并利用灰度重心法提取线结构光的中心，计算出线结构光中心线上各点的世界坐标，并进一步拟合出线结构光CD的方程；5)对2号位置棋盘格标定板(6)重复上述步骤3)和4)，拟合线结构光A'B'与线结构光C'D'的方程，其中1号位置棋盘格标定板(5)与2号位置棋盘格标定板(6)不共面；6)分别基于线结构光AB与A'B'、CD与C'D'的方程，利用最小二乘法拟合出世界坐标系O‑XYZ(4)下两个线结构光光平面方程Zb1、Zb2及其对应法向量nz1、nz2：其中，Zb1、Zb2为两次标定的线结构光光平面方程，nz1、nz2分别为其对应的法向量，a、b、c、d、e、f均为常量；法向量nz1、nz2之间的角度即为线结构光光平面的旋转角度θ，通过计算两线结构光光平面的交线l来确定线结构光光平面旋转轴轴线的单位方向向量k；(3)三维坐标计算在交线l上任取一点o(x1,y1,z1)作为所有线结构光