[发明专利]基于单目视觉和圆结构光的目标姿态测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于单目视觉和圆结构光的目标姿态测量系统及测量方法，属于 视觉测量领域。

背景技术

近年来，基于视觉的目标姿态测量技术不断发展，主要分为两大类，基于双目视觉 系统的目标姿态测量技术和基于单目视觉系统的目标姿态测量技术。其中，基于双目视觉 系统的目标姿态测量技术使用两台摄像机对目标姿态进行测量，这种方法视场范围小、测 量距离短、成本较高；而基于单目视觉系统的目标姿态测量技术仅使用单台摄像机对目标 姿态进行测量，不仅克服了双目视觉系统视场范围小等缺点，而且技术实现相对简单。

目前，基于单目视觉的目标姿态测量技术通常是在被测目标表面设置坐标参数已 知的特征点，然后用摄像机拍摄设置有特征点的目标，得到目标表面的特征点在像平面坐 标系中的坐标后，再结合特征点在世界坐标系中的约束关系，测量出被测目标的姿态参数， 即PNP（Perspective-n-Point）问题。这种技术的前提是必须已知特征点在世界坐标系中的 坐标参数。还有其他测量技术是利用被测目标上已存在的直线、曲线、区域等几何特征实现 目标的姿态测量。总之，以上方法都是利用被测目标上已存在的固定特征配合单目摄像机 实现目标姿态测量，这在无法设置固定特征的工业流水线等实际工程领域中无法应用。

发明内容

为解决实际工程中无法在被测目标表面设置固定特征来配合单目视觉系统实现 目标姿态测量的难题，本发明提供一种基于单目视觉和圆结构光的目标姿态测量系统及测 量方法。根据圆结构光投射器投射到被测目标表面的结构光光条的数学参数实现目标的姿 态测量。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于单目视觉和圆结构光的目标姿态测量系统，包括CCD摄像机、工业计算机、千 兆网线、水平工作平台，还包括圆结构光投射器；圆结构光投射器与CCD摄像机通过调整支 架设置于水平工作平台上方，且CCD摄像机的光轴方向与圆结构光投射器的轴线方向平行； CCD摄像机为数字针孔摄像机，通过千兆网线与工业计算机通讯。

上述基于单目视觉和圆结构光的目标姿态测量系统的测量方法，按下述步骤进 行：

（1）根据被测工件的大小调整摄像机支架的高度，使圆结构光投射器能够完全在被测 工件表面成像，同时保证被测工件图像占CCD摄像机成像平面的1/2以上；

（2）利用摄像机标定板对CCD摄像机进行标定，获取CCD摄像机的内外参数；

（3）将被测工件按一定姿态放置在水平工作平台之上，调整被测工件的位置，使其在 CCD摄像机的视场范围内，此时被测工件表面与圆结构光投射器投射出的圆锥曲面相交，在 被测工件表面形成了结构光光条；

（4）利用CCD摄像机拍摄被测工件，CCD摄像机将采集到的被测工件图像信息通过千兆 网线传输到工业计算机；

（5）利用工业计算机对被测工件图像进行分析与处理，得到被测工件表面结构光光条 在摄像机坐标系中的法向量；利用坐标转换将摄像机坐标系中的法向量转换到世界坐标系 中；

（6）将被测工件表面圆结构光光条的法向量根据几何三角关系解算出被测工件的姿 态。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

将圆结构光投射器引入单目视觉系统中，圆结构光投射器投射出锥角很小的圆锥光曲 面，和被测目标相交形成结构光光光条，该结构光光条会在CCD摄像机的成像平面成像；被 测目标表面的结构光光条会随着被测目标姿态变化而发生变化，同样摄像机成像平面的像 也发生变化；CCD摄像机将采集到的图像信息传输到工业计算机，工业计算机对图像信息进 行分析与处理。

本发明根据圆结构光投射器投射到目标表面的结构光光条的数学参数，实现目标 姿态的测量。有效地解决了实际工程中无法在被测目标表面设置固定特征来配合单目视觉 系统实现目标姿态测量的难题。

作为优选，本发明更进一步的技术方案是：

所述的调整支架包括摄像机支架、圆结构光投射器固定架、连接板，摄像机支架由立杆 和装配在立杆上且上、下位置可调的横支架构成，立杆底部与水平工作平台台面固定，横支 架上固定CCD摄像机，圆结构光投射器固定架通过连接板与CCD摄像机连接，圆结构光投射 器固定在圆结构光投射器固定架中