本发明涉及外参标定领域，具体涉及一种用于结构光传感器的外参标定装置及方法。
背景技术：
随着计算机视觉的发展，非接触式的视觉检测及其他应用在科研和工业上得到越来越广泛的应用，其中基于线结构光的视觉测量，具有结构简单、成本低、高效率、使用灵活等优点，在科研和工业上有着广泛的应用，线结构光传感器包括线结构光投射器和相机；投射器将一定模式的结构光投射到被测物表面，相机采集结构光特征，经过图像处理提取特征点，根据结构光测量原理，将特征点恢复到传感器坐标系oc-xyz下的三维空间坐标，一般情况下，传感器的坐标系即是传感器中的相机坐标系，传感器坐标系在传感器标定时已标定好。
在结构光测量应用中，仅获得特征在传感器坐标系下的坐标远远不够，还需要将传感器坐标系下三维坐标转换到传感器外部的坐标系下，即进行传感器的外参标定，如何在现场应用中快速准确地获得传感器的外参是传感器标定中的关键技术；目前比较常用的方法是利用pnp进行相机位姿估计，这种方法精度较低，无法满足传感器高精度的标定要求；专利201721209036.6-一种工业现场快速标定装置，提出了一种现场标定的快速靶标，该靶标在标定时每次只能测一个特征点，需要多次将测量球放在不同球座上进行多次测量才能获取多个特征点，操作复杂；此外，在坐标系变换过程中，需要将传感器从紧固装置上拆下，标定结束后再将传感器装回到紧固装置上，耗时长，且加入了装配误差和销孔配合误差。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出一种用于结构光传感器的外参标定装置，本方法操作简单，仅需将标定装置紧固到合适的位置即可，缩短了外参标定过程的时间。
一种结构光传感器的外参标定装置，包括：靶标本体和多个标准球，所述多个标准球设置在靶标本体上，数量不少于四个，各标准球球心不在同一个空间平面上，相邻两个标准球球心之间的水平距离大于这两个标准球的半径之和、垂直距离小于这两个标准球的半径之和。
为了使得各标准球的球心不在同一空间平面上：所述靶标本体设有多个高度不同的平面，所述平面呈阶梯状分布，逐次升高或逐次降低、或先升高再降低，或先降低再升高，或高低上呈无规律分布。
进一步，各标准球的尺寸互不相等。
一种利用上述的外参标定装置对结构光传感器进行标定的方法，所述结构光传感器包括投射器和相机，包括以下步骤：
1)将所述外参标定装置固定在相机的视场范围内，投射器向所述标定装置上投射结构光，至少一个光平面能够覆盖标定装置中的所有标准球；
2)相机采集包含经标准球调制后结构光图像，计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标；
3)利用标准测量仪获取各个标准球球心在外部坐标系中的三维坐标；
4)基于刚体变换，解算出传感器坐标系与外部坐标系之间的旋转平移矩阵，即得出结构光传感器的外参。
进一步，本发明还提供一种利用标准球球心在传感器坐标系下和在外部坐标系下的三维坐标进行精度评价：
分别求取任意两个或多个标准球球心的在传感器坐标系下的间距i，及在外部坐标系下的间距d；
将间距i与间距d进行比对，得出偏差值，依据偏差值评价所述结构光传感器的精度。
进一步，所述结构光传感器包括单线结构光传感器、多线平行结构光传感器、多线交叉结构光传感器、散斑结构光传感器；
所述标准测量仪包括：三坐标机、激光跟踪仪、全站仪、经纬仪或关节臂式测量机。
进一步，当所述结构光传感器为单线结构光传感器时，投射出的单线结构光覆盖标定装置中的所有标准球且不经过各标准球的球心；
步骤2)相机采集包含经标准球调制后结构光图像，计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标，具体方法如下：
根据结构光图像中的单个圆弧拟合圆a，计算圆心在相机坐标系下的坐标(x,y,z)，将其转换到光平面坐标系，得出其在光平面坐标系中的坐标(xp，yp，0)：
其中rt表示光平面坐标系和相机坐标系之间的旋转、平移矩阵；
则球心在光平面坐标系下的坐标表示为(xp，yp，zp)，
再利用传感器内参标定得出的光平面坐标系与传感器坐标系之间的旋转平移关系，解算出球心在传感器坐标系下的三维坐标；
依次拟合结构光图像中的各个圆弧，利用相同的计算，得出各标准球球心在传感器坐标系下的三维坐标。
优选，所述光平面坐标系通过以下方式建立：z轴垂直光平面，原点为相机光轴与光平面的交点，x轴平行于光平面在相机坐标系xc和zc轴上截点的连线，y轴根据右手定则获取。
进一步，当所述结构光传感器为多线结构光传感器时，投射出的多线结构光中有一条结构光能够覆盖标定装置中的所有标准球且不经过各标准球的球心，
或：有两条或多条线结构光覆盖标定装置中的所有标准球，此时，步骤2)计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标，具体方法如下：
提取投射到单个标准球上的所有线结构光的光条中心、利用结构光测量原理进行三维重建，拟合球并解算出球心在传感器坐标系下的三维坐标。
进一步，当所述结构光传感器为散斑结构光传感器时，投射出的散斑结构光能够覆盖标定装置中的所有标准球；
步骤2)中，计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标，具体方法如下：提取投射到单个标准球上的所有散斑结构光特征、利用结构光测量原理进行三维重建，拟合球并解算出球心在传感器坐标系下的三维坐标。
本发明标定装置和方法灵活性高，不仅适用于各种类型的结构光传感器标定，还降低了对标定所处实验环境的依赖性，能够在各类工业现场实施；利用本发明方法标定的外参，将传感器坐标系转换到外部坐标系后，测量相对距离精度可达±0.05mm，满足结构光传感器的高精度标定要求。
附图说明
图1为实施例1中标定装置立体结构示意图及其俯视图；
图2为实施例1中单线结构光传感器投射在标定装置上的示意图；
图3为实施例1中标准球球心坐标的示意图；
图4为实施例2中多线结构光传感器的光平面与标准球位置关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例1
一种结构光传感器的外参标定装置，包括：靶标本体和多个标准球，多个标准球设置在靶标本体上，数量不少于四个，各标准球球心不在同一个空间平面上，相邻两个标准球球心之间的水平距离大于这两个标准球的半径之和、垂直距离小于这两个标准球的半径之和。
这样设置能够保证各个球轮廓不重叠且光平面能够同时覆盖所有标准球；
为了使得各标准球的球心不在同一空间平面上：靶标本体设有多个高度不同的平面，平面呈阶梯状分布，逐次升高或逐次降低、或先升高再降低，或先降低再升高，或高低上呈无规律分布。
为了便于区分，如图1所示，本实施例中，各标准球的尺寸互不相等，共设置了5个标准球。
一种利用上述的外参标定装置对结构光传感器进行标定的方法，结构光传感器包括投射器和相机，包括以下步骤：
1)将外参标定装置固定在相机的视场范围内，投射器向标定装置上投射结构光，至少一个光平面能够覆盖标定装置中的所有标准球；
2)相机采集包含经标准球调制后结构光图像，计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标；
3)利用标准测量仪获取各个标准球球心在外部坐标系中的三维坐标；
4)基于刚体变换，解算出传感器坐标系与外部坐标系之间的旋转平移矩阵，即得出结构光传感器的外参。
为了计算方便，将传感器坐标系直接建立在相机坐标系，则具体计算为：
其中，
通过至少4个不共面的球心坐标，解算上述[rt]变换矩阵中的各个参数；
此外，作为标定装置的另一种应用，本实施例提供了一种利用标准球球心在传感器坐标系下和在外部坐标系下的三维坐标进行精度评价的方法：
分别求取任意两个或多个标准球球心的在传感器坐标系下的间距i，及在外部坐标系下的间距d；
将间距i与间距d进行比对，得出偏差值，依据偏差值评价结构光传感器的精度。
具体的，待标定外参的结构光传感器包括单线结构光传感器、多线平行结构光传感器、多线交叉结构光传感器、散斑结构光传感器；
其中，标准测量仪包括可以选用三坐标机、激光跟踪仪、全站仪、经纬仪或关节臂式测量机中的一种。
本实施例以结构光传感器为单线结构光传感器为例，如图2所示，投射出的单线结构光覆盖标定装置中的所有标准球且不经过各标准球的球心；
则步骤2)相机采集包含经标准球调制后结构光图像，计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标，具体方法如下：
根据结构光图像中的单个圆弧拟合圆a，计算圆心在相机坐标系下的坐标(x,y,z)，将其转换到光平面坐标系，得出其在光平面坐标系中的坐标(xp，yp，0)：
其中rt表示光平面坐标系和相机坐标系之间的旋转、平移矩阵；
如图3所示，则球心在光平面坐标系下的坐标表示为(xp，yp，zp)，
再利用传感器内参标定得出的光平面坐标系与传感器坐标系之间的旋转平移关系，解算出球心在传感器坐标系下的三维坐标；
依次拟合结构光图像中的各个圆弧，利用相同的计算，得出各标准球球心在传感器坐标系下的三维坐标。
为了便于计算，本实施例中，光平面坐标系通过以下方式建立：z轴垂直光平面，原点为相机光轴与光平面的交点，x轴平行于光平面在相机坐标系xc和zc轴上截点的连线，y轴根据右手定则获取。
实施例2
本实施例以结构光传感器为多线结构光传感器和散斑结构光传感器为例，其外参标定装置，包括：靶标本体和多个标准球，多个标准球设置在靶标本体上，数量不少于四个，各标准球球心不在同一个空间平面上，相邻两个标准球球心之间的水平距离大于这两个标准球的半径之和、垂直距离小于这两个标准球的半径之和。
为了使得各标准球的球心不在同一空间平面上：靶标本体设有多个高度不同的平面，平面呈阶梯状分布，逐次升高或逐次降低、或先升高再降低，或先降低再升高，或高低上呈无规律分布。
具体的，当结构光传感器为多线结构光传感器时，一种利用上述的外参标定装置对多线结构光传感器进行标定的方法，结构光传感器包括投射器和相机，包括以下步骤：
1)将外参标定装置固定在相机的视场范围内，投射器向标定装置上投射结构光，其投射出的多线结构光中有一条结构光能够覆盖标定装置中的所有标准球且不经过各标准球的球心，
或：有两条或多条线结构光覆盖标定装置中的所有标准球，
2)相机采集包含经标准球调制后结构光图像，计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标；
详细的，当仅一条结构光能够覆盖标定装置中的所有标准球且不经过各标准球的球心时，解算步骤参照实施例1中单线结构光传感器球心坐标解算方法；
当有两条或多条线结构光覆盖标定装置中的所有标准球，如图4所示，此时，计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标，具体方法如下：
提取投射到单个标准球上的所有线结构光的光条中心、利用结构光测量原理进行三维重建，拟合球并解算出球心在传感器坐标系下的三维坐标；
3)利用标准测量仪获取各个标准球球心在外部坐标系中的三维坐标；
4)基于刚体变换，解算出传感器坐标系与外部坐标系之间的旋转平移矩阵，即得出结构光传感器的外参。
当结构光传感器为散斑结构光传感器时，一种利用上述的外参标定装置对散斑结构光传感器进行标定的方法，结构光传感器包括投射器和相机，包括以下步骤：
1)将外参标定装置固定在相机的视场范围内，投射器向标定装置上投射结构光，其投射出的散斑结构光能够覆盖标定装置中的所有标准球；
2)相机采集包含经标准球调制后结构光图像，计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标；
详细的：提取投射到单个标准球上的所有散斑结构光特征、利用结构光测量原理进行三维重建，拟合球并解算出球心在传感器坐标系下的三维坐标；
3)利用标准测量仪获取各个标准球球心在外部坐标系中的三维坐标；
4)基于刚体变换，解算出传感器坐标系与外部坐标系之间的旋转平移矩阵，即得出结构光传感器的外参。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。
1.一种结构光传感器的外参标定装置，其特征在于，包括：靶标本体和多个标准球，所述多个标准球设置在靶标本体上，数量不少于四个，各标准球球心不在同一个空间平面上，相邻两个标准球球心之间的水平距离大于这两个标准球的半径之和、垂直距离小于这两个标准球的半径之和。
2.如权利要求1所述结构光传感器的外参标定装置，其特征在于：所述靶标本体设有多个高度不同的平面，所述平面呈阶梯状分布，逐次升高或逐次降低、或先升高再降低，或先降低再升高，或高低上呈无规律分布。
3.如权利要求1所述用于结构光传感器的外参标定装置，其特征在于：各标准球的尺寸互不相等。
4.一种利用权利要求1所述的外参标定装置对结构光传感器进行标定的方法，所述结构光传感器包括投射器和相机，其特征在于：包括以下步骤：
1)将所述外参标定装置固定在相机的视场范围内，投射器向所述标定装置上投射结构光，至少一个光平面能够覆盖标定装置中的所有标准球；
2)相机采集包含经标准球调制后结构光图像，计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标；
3)利用标准测量仪获取各个标准球球心在外部坐标系中的三维坐标；
4)基于刚体变换，解算出传感器坐标系与外部坐标系之间的旋转平移矩阵，即得出结构光传感器的外参。
5.如权利要求4所述的结构光传感器的外参标定方法，其特征在于：利用标准球球心在传感器坐标系下和在外部坐标系下的三维坐标进行精度评价：
分别求取任意两个或多个标准球球心的在传感器坐标系下的间距i，及在外部坐标系下的间距d；
将间距i与间距d进行比对，得出偏差值，依据偏差值评价所述结构光传感器的精度。
6.如权利要求4或5所述的结构光传感器的外参标定方法，其特征在于：所述结构光传感器包括单线结构光传感器、多线平行结构光传感器、多线交叉结构光传感器、散斑结构光传感器；
所述标准测量仪包括：三坐标机、激光跟踪仪、全站仪、经纬仪或关节臂式测量机。
7.如权利要求4所述的结构光传感器的外参标定方法，其特征在于：当所述结构光传感器为单线结构光传感器时，投射出的单线结构光覆盖标定装置中的所有标准球且不经过各标准球的球心；
步骤2)相机采集包含经标准球调制后结构光图像，计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标，具体方法如下：
根据结构光图像中的单个圆弧拟合圆a，计算圆心在相机坐标系下的坐标(x,y,z)，将其转换到光平面坐标系，得出其在光平面坐标系中的坐标(xp，yp，0)：
其中rt表示光平面坐标系和相机坐标系之间的旋转、平移矩阵；
则球心在光平面坐标系下的坐标表示为(xp，yp，zp)，
再利用传感器内参标定得出的光平面坐标系与传感器坐标系之间的旋转平移关系，解算出球心在传感器坐标系下的三维坐标；
依次拟合结构光图像中的各个圆弧，利用相同的计算，得出各标准球球心在传感器坐标系下的三维坐标。
8.如权利要求7所述的结构光传感器的外参标定方法，其特征在于：所述光平面坐标系通过以下方式建立：z轴垂直光平面，原点为相机光轴与光平面的交点，x轴平行于光平面在相机坐标系xc和zc轴上截点的连线，y轴根据右手定则获取。
9.如权利要求4所述的结构光传感器的外参标定方法，其特征在于：当所述结构光传感器为多线结构光传感器时，投射出的多线结构光中有一条结构光能够覆盖标定装置中的所有标准球且不经过各标准球的球心，
或：有两条或多条线结构光覆盖标定装置中的所有标准球，此时，步骤2)计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标，具体方法如下：
提取投射到单个标准球上的所有线结构光的光条中心、利用结构光测量原理进行三维重建，拟合球并解算出球心在传感器坐标系下的三维坐标。
10.如权利要求4所述的结构光传感器的外参标定方法，其特征在于：当所述结构光传感器为散斑结构光传感器时，投射出的散斑结构光能够覆盖标定装置中的所有标准球；
步骤2)中，计算各标准球球心的在传感器坐标系下的三维坐标，具体方法如下：提取投射到单个标准球上的所有散斑结构光特征、利用结构光测量原理进行三维重建，拟合球并解算出球心在传感器坐标系下的三维坐标。
技术总结