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及方法，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，其特征在于，包括：靶标本体和多个标准孔，所述多个标准孔平行设置在靶标本体上，数量不少于四个，各标准孔上表面的圆心不在同一个空间平面上，相邻两个标准孔中心之间的水平距离大于这两个标准孔的半径之和、垂直距离小于这两个标准孔的半径之和。
为了使得各标准孔表面圆的圆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。
优选，各标准孔为尺寸互不相同的通孔。
一种利用上述的外参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；所述投射器能投射多线平行结构光、多线交叉结构光或散斑；
包括以下步骤：
1)将所述标定装置固定在相机的视场范围内，各个标准孔的上表面垂直于相机光轴，投射器向所述标定装置上投射结构光，被投射出的散斑或，多线结构光中的至少两个光平面能够覆盖标定装置中的所有标准孔；
2)相机采集包含经标准孔调制后结构光图像，提取投射到单个标准孔上的所有散斑结构光特征/多条线结构光的光条中心；利用结构光测量原理进行三维重建，提取圆的边缘特征点，拟合圆并解算出圆心在传感器坐标系下的三维坐标；
遍历各标准孔，采用相同的方法解算各个标准孔上表面圆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孔上表面圆心在外部坐标系中的三维坐标；
4)基于刚体变换，解算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。
上述方法针对散斑结构光传感器和多线结构光传感器进行了外参标定；下面介绍针对单线结构光传感器的标定方法：
一种利用上述的外参装置对结构光传感器进行标定的方法，所述结构光传感器为单线结构光传感器，其包括投射器、相机和光源；
包括以下步骤：
1)将所述标定装置固定在相机的视场范围内，各个标准孔的上表面垂直于相机光轴，关闭光源，投射器向所述标定装置上投射结构光，投射出的单线结构光覆盖标定装置中的所有标准孔；
相机采集包含经标准孔调制后结构光图像，根据结构光图像中的光条计算光平面与单个标准孔上表面相交直线的中心点在传感器坐标系下的坐标(xq,yq,zq)；
关闭投射器、打开光源，相机采集标准孔图像，计算所述单个标准孔上表面的圆心像素坐标，圆心与相机坐标系原点的连线与光平面交于p点，利用线结构光测量原理将p点转换到传感器坐标系下，得到(xp,yp,zp)；
根据空间几何关系，计算单个标准孔表面圆心在传感器坐标系下的空间坐标(xm,ym,zm)：
2)遍历各标准孔，采用步骤1)的计算得到各标准孔上表面圆心在传感器坐标系下的空间坐标；
3)利用标准测量仪获取各个标准孔表面圆心在外部坐标系中的三维坐标；
4)基于刚体变换，解算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。
优选，将传感器坐标系建立在相机坐标系。
进一步，所述标准测量仪包括：三坐标机、激光跟踪仪、全站仪、经纬仪、关节臂式测量机。
进一步，利用标准孔表面圆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：
求取任意两个或多个标准孔上表面圆心的在传感器坐标系下的间距i；
求取任意两个或多个标准孔上表面圆心的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。
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为相机采集被标准孔调制后单线结构光图像；
图3为实施例1中关闭投射器、打开光源时相机采集标准孔的图像；
图4为实施例1中计算标准孔上表面圆心的原理示意图；
图5为实施例2中多线结构光传感器的光平面与标准孔相交示意图。
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孔，所述多个标准孔平行设置在靶标本体上，数量不少于四个，各标准孔上表面的圆心不在同一个空间平面上，相邻两个标准孔中心之间的水平距离大于这两个标准孔的半径之和、垂直距离小于这两个标准孔的半径之和。
为了使得各标准孔表面圆的圆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。
如图1所示，本实施例中，共设置了4个标准孔，为了便于区分，各标准孔为尺寸互不相同的通孔。
下面以单线结构光传感器的外参标定方法为例，阐述具体标定过程：
一种利用上述的外参装置对结构光传感器进行标定的方法，所述结构光传感器为单线结构光传感器，其包括投射器、相机和光源；
包括以下步骤：
1)将所述标定装置固定在相机的视场范围内，各个标准孔的上表面垂直于相机光轴，关闭光源，投射器向所述标定装置上投射结构光，投射出的单线结构光覆盖标定装置中的所有标准孔；
相机采集包含经标准孔调制后结构光图像(如图2所示)，根据结构光图像中的光条计算光平面与单个标准孔上表面相交直线的中心点在传感器坐标系下的坐标(xq,yq,zq)；
关闭投射器、打开光源，相机采集标准孔图像(如图3所示)，计算所述单个标准孔上表面的圆心像素坐标，如图4所示，圆心与相机坐标系原点的连线与光平面交于p点，图中，oc-xyz表示传感器坐标系，om为单个标准孔上表面圆心，a、b为光平面与圆孔的交点，q为ab的中点，圆心om与相机坐标系原点oc之间的连线与光平面的交于p点；
利用线结构光测量原理将p点转换到传感器坐标系下，得到(xp,yp,zp)；
根据空间几何关系，计算单个标准孔上表面圆心在传感器坐标系下的空间坐标(xm,ym,zm)：
2)遍历各标准孔，采用步骤1)的计算得到各标准孔上表面圆心在传感器坐标系下的空间坐标；
3)利用标准测量仪获取各个标准孔表面圆心在外部坐标系中的三维坐标；
4)基于刚体变换，解算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。
其中，标准测量仪可以选用三坐标机、激光跟踪仪、全站仪、经纬仪、关节臂式测量机中的一种。
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孔表面圆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：
求取任意两个或多个标准孔上表面圆心的在传感器坐标系下的间距i；
求取任意两个或多个标准孔上表面圆心的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。
实施例2
实施例1中介绍了针对单线结构光传感器的外参标定方法，本实施例以散斑结构光传感器和多线结构光传感器为例，阐释外参标定装置及其应用过程；
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孔，所述多个标准孔平行设置在靶标本体上，数量不少于四个，各标准孔上表面的圆心不在同一个空间平面上，相邻两个标准孔中心之间的水平距离大于这两个标准孔的半径之和、垂直距离小于这两个标准孔的半径之和。
为了使得各标准孔表面圆的圆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。
本实施例中，共设置了4个标准孔，为了便于区分，各标准孔为尺寸互不相同的通孔。
一种利用上述的外参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；所述投射器能投射多线平行结构光、多线交叉结构光或散斑；
包括以下步骤：
1)将所述标定装置固定在相机的视场范围内，各个标准孔的表面垂直于相机光轴，投射器向所述标定装置上投射结构光，被投射出的散斑或，多线结构光中的至少两个光平面能够覆盖标定装置中的所有标准孔；
本实施例以多线交叉结构光为例，如图5所示，两个交叉的光平面与4个标准孔相交；
2)相机采集包含经标准孔调制后结构光图像，提取投射到单个标准孔上的所有散斑结构光特征/多条线结构光的光条中心；利用结构光测量原理进行三维重建，提取圆的边缘特征点，拟合圆并解算出圆心在传感器坐标系下的三维坐标；
遍历各标准孔，采用相同的方法解算各个标准孔上表面圆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孔上表面圆心在外部坐标系中的三维坐标；
4)基于刚体变换，解算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，将传感器坐标系建立在相机坐标系，具体计算为：
其中，
通过至少4个不共面的圆心坐标，解算上述[rt]变换矩阵中的各个参数。
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孔，所述多个标准孔平行设置在靶标本体上，数量不少于四个，各标准孔上表面的圆心不在同一个空间平面上，相邻两个标准孔中心之间的水平距离大于这两个标准孔的半径之和、垂直距离小于这两个标准孔的半径之和。
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：为了使得各标准孔表面圆的圆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。
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：各标准孔为尺寸互不相同的通孔。
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；所述投射器能投射多线平行结构光、多线交叉结构光或散斑；
其特征在于，包括以下步骤：
1)将所述标定装置固定在相机的视场范围内，各个标准孔的上表面垂直于相机光轴，投射器向所述标定装置上投射结构光，被投射出的散斑或，多线结构光中的至少两个光平面能够覆盖标定装置中的所有标准孔；
2)相机采集包含经标准孔调制后结构光图像，提取投射到单个标准孔上的所有散斑结构光特征/多条线结构光的光条中心；利用结构光测量原理进行三维重建，提取圆的边缘特征点，拟合圆并解算出圆心在传感器坐标系下的三维坐标；
遍历各标准孔，采用相同的方法解算各个标准孔上表面圆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孔上表面圆心在外部坐标系中的三维坐标；
4)基于刚体变换，解算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。
5.一种利用权利要求1所述的外参标定装置对结构光传感器进行标定的方法，其特征在于：所述结构光传感器为单线结构光传感器，其包括投射器、相机和光源；
其特征在于，包括以下步骤：
1)将所述标定装置固定在相机的视场范围内，各个标准孔的上表面垂直于相机光轴，关闭光源，投射器向所述标定装置上投射结构光，投射出的单线结构光覆盖标定装置中的所有标准孔；
相机采集包含经标准孔调制后结构光图像，根据结构光图像中的光条计算光平面与单个标准孔上表面相交直线的中心点在传感器坐标系下的坐标(xq,yq,zq)；
关闭投射器、打开光源，相机采集标准孔图像，计算所述单个标准孔上表面的圆心像素坐标，圆心与相机坐标系原点的连线与光平面交于p点，利用线结构光测量原理将p点转换到传感器坐标系下，得到(xp,yp,zp)；
根据空间几何关系，计算单个标准孔表面圆心在传感器坐标系下的空间坐标(xm,ym,zm)：
2)遍历各标准孔，采用步骤1)的计算得到各标准孔上表面圆心在传感器坐标系下的空间坐标；
3)利用标准测量仪获取各个标准孔表面圆心在外部坐标系中的三维坐标；
4)基于刚体变换，解算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。
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：将传感器坐标系建立在相机坐标系。
7.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：所述标准测量仪包括：三坐标机、激光跟踪仪、全站仪、经纬仪、关节臂式测量机。
8.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：利用标准孔上表面圆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：
求取任意两个或多个标准孔上表面圆心的在传感器坐标系下的间距i；
求取任意两个或多个标准孔上表面圆心的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。
技术总结