[发明专利]一种基于主成分分析的线结构光传感器标定方法及系统

说明书

本发明提供了一种基于主成分分析的线结构光传感器标定方法，包括如下步骤：S1.获取传感器的相机内参和畸变系数；S2.采集同一位置的外部光源照射下的标定板图像和投射有激光条纹的标定板图像，进行畸变矫正；S3.获取标定板每次平移的移动向量；S4.利用单应性矩阵求解特征点在局部坐标系的平面坐标；S5.获取特征点在世界坐标系下的三维坐标；S6.采用主成分分析法将特征点在世界坐标系下的三维坐标重投影为平面坐标；S7.计算光平面到图像平面的单应性矩阵。本发明利用单应性矩阵求解特征点三维坐标，减少了单应性矩阵分解引入的误差，标定精度高于传统基于空间变换的标定方法。

技术领域

本发明涉及线结构光传感器技术领域，尤其是涉及一种基于主成分分析的线结构光传感器标定方法及系统。

背景技术

线结构光传感器具有非接触、速度快、精度高的优点，被广泛应用于焊接引导、工业测量和质量检测等领域。光平面高精度标定是实现线结构光传感器精密测量的关键，从原理上光平面标定方法可分为直接标定法和模型标定法。

直接标定法需借助平移机构精确控制标定靶标作平移运动，通过记录靶标上特征点的三维坐标并提取对应的像素坐标，直接建立二者之间的关系。如邹媛媛等采用组合的量块，建立特征点像素坐标与三维坐标的二维查找表，利用相邻四个点采用最小二乘拟合得到三维坐标。邝泳聪等采用线纹尺建立查找表并结合三次插值法计算三维坐标。直接标定法需要提取较多的特征点对才能精确描述三维坐标与像素坐标的映射关系，人工调整工作量较大。

模型标定法对线结构光传感器的光平面描述方式主要有两种，第一种方式是建立光束平面在相机坐标系下的平面方程。如周富强等采用交比不变性原理计算特征点在局部坐标系的坐标，通过单应性矩阵分解，将特征点统一到世界坐标系拟合光平面方程。之后又涌现多种特征点坐标求解的方法，如韩建栋等采用共线三点透视原理求解特征点三维坐标；魏一等采用射线与平面交汇的方法计算特征点坐标；于龙龙等采用空间变换的方法将光条直线方程统一到相机坐标系。上述方法都需要通过空间变换将特征点统一到世界坐标系，因此引入了单应性矩阵分解误差，限制了传感器标定精度。

模型标定法的另一种方式是在光束平面上建立平面坐标系，通过单应性矩阵来描述该坐标系与图像坐标系之间点的对应关系。如徐光佑等提出的基于交比不变性的三维靶标法，段发阶等提出的锯齿靶标法。但是徐光佑等所提方法要求光平面平行于标定块，段发阶等所提方法要求光平面垂直于锯齿面，因此人工调整较为困难，并不适合于工程化应用。Pan等借助平移机构和齿形靶标，利用特征匹配的方法提取一系列特征点对，但同样要求靶标移动方向与光平面平行。陈晓辉等和彭谦之等通过辅助标定仪实现光面与相机坐标系间的单应性矩阵标定来实现光平面标定，但倾斜的标定板与光平面完全贴合调整困难，且对相机景深要求高，小视场近距离结构光模型并不适合。平乙杉等通过移动平台获得多组特征点的三维坐标来求解单应性矩阵，与徐光佑等方法相似的是，该方法需要激光平面垂直于平面标定板，且也需要光平面与移动平台的轴平行，这限制了该方法的适用范围，对于倾斜激光平面将无法实现标定，人工很难保证绝对的平行和垂直。

虽然理论上采用平面靶标标定单应性矩阵的方法可以有效减少映射转换环节，且利用单应性矩阵求解特征点三维坐标，减少了传统方法单应性矩阵分解引入的误差，总的来说，基于单应性矩阵的方法可以减少引入误差和计算量，步骤简单，精度更高。通过以上综述，现存方法存在精度低，标定流程复杂的问题，特别是现存基于单应性矩阵的标定方法往往对平移机构、标定靶标、光平面之间的位置关系有特殊要求，提高了人工调整的难度。

发明内容

本发明提供一种基于主成分分析的线结构光传感器标定方法及系统，属于基于主成分分析投影的单应性矩阵光平面标定方法，控制标定板在升降机构上作一组平移运动，不需要人工精确调整标定板的摆放位置、升降位移、激光器的投射方向，具有比传统方法更高的标定精度和便捷性。

本发明实施例的一方面公开了一种基于主成分分析的线结构光传感器标定方法，包括如下步骤：

步骤S1.获取传感器的相机内参和畸变系数；