一種激光與相機(jī)相對(duì)位姿關(guān)系的標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像處理領(lǐng)域，具體涉及一種激光與相機(jī)相對(duì)位姿關(guān)系 的標(biāo)定方法，通過(guò)使用相機(jī)標(biāo)定技術(shù)測(cè)量激光與相機(jī)坐標(biāo)系的相對(duì)位姿關(guān)系。
【背景技術(shù)】
[0002] 在復(fù)雜的場(chǎng)景中使用相機(jī)準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)的大小、位置在工業(yè)測(cè)量中有著重要的應(yīng) 用，而通過(guò)在相機(jī)上固定激光發(fā)射裝置，然后提取激光點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)，可以提供目標(biāo)物 體的附加信息，使視覺(jué)測(cè)量更易實(shí)現(xiàn)。在已知激光發(fā)射裝置與相機(jī)相對(duì)位姿的前提下，我們 可以更加有效的測(cè)量目標(biāo)與相機(jī)間的三維位置關(guān)系。本發(fā)明新需要提出一種測(cè)量激光與相 機(jī)坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系的方法，包括激光與相機(jī)坐標(biāo)系各平面之間的夾角和交點(diǎn)坐標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提供一種激光與相機(jī)相對(duì)位姿關(guān) 系的標(biāo)定方法，在已知激光與相機(jī)的相對(duì)位置信息的前提下，通過(guò)提取激光點(diǎn)在圖像中的 像素點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法完成對(duì)目標(biāo)位置、目標(biāo)大小等的測(cè)量，操作簡(jiǎn)單，結(jié)果 精確。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0005] 步驟一、將相機(jī)和激光器固定在一起，并保證它們的相對(duì)位置以及相機(jī)的內(nèi)部參 數(shù)不發(fā)生改變;定義相機(jī)坐標(biāo)系⑶、世界坐標(biāo)系〇w;對(duì)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，得到相機(jī)的 內(nèi)部參數(shù)矩陣
，其中（fx，fy)為相機(jī)的等效焦距，（u Q，VQ)為相機(jī)光心坐標(biāo)；
[0006] 步驟二、取標(biāo)定板并正對(duì)于激光器發(fā)射出的激光束，打開(kāi)激光，移動(dòng)標(biāo)定板，并始 終使激光束的中心打在標(biāo)定板上，用相機(jī)采集標(biāo)定板的圖像;建立圖像坐標(biāo)系，首先獲得激 光點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Di，之后通過(guò)相機(jī)成像模型求得激光點(diǎn)此時(shí)在相機(jī)坐標(biāo)系下的 坐標(biāo)P cl;然后將標(biāo)定板由近及遠(yuǎn)放置在不同的位置下，重復(fù)上述步驟，按上述方法依次計(jì)算 出激光點(diǎn)在各個(gè)距離位置下的坐標(biāo)，記為ΡιΡα . .P?;
[0007] 步驟三、由各位置下激光點(diǎn)坐標(biāo)Pcl，Pc2. . .Pcn擬合出激光束在相機(jī)坐標(biāo)系下的直 線方程
[0008]
[0009]其中，[XQ，y0，Z()]為激光束直線上一點(diǎn)的坐標(biāo)，[mo,no,PQ]為激光束直線的方向向 量；
[0010]由激光束在相機(jī)坐標(biāo)系下的直線方程，即求得激光束與相機(jī)坐標(biāo)系Χ0Υ平面、Υ0Ζ 平面、Χ0Ζ平面的夾角及交點(diǎn);結(jié)果如下： L F 」
[0017] 通過(guò)上式計(jì)算，完成激光束與相機(jī)坐標(biāo)系夾角及交點(diǎn)的測(cè)量。
[0018] 所述的標(biāo)定板采用黑白格標(biāo)定板，黑白格標(biāo)定板的黑白方格數(shù)為11*10,邊長(zhǎng)為 12mm〇
[0019] 固定相機(jī)不動(dòng)，將標(biāo)定板由近及遠(yuǎn)放在距離相機(jī)300mm、600mm、700mm、900mm、 1100mm、1300mm處，將激光束照射在標(biāo)定板上，使相機(jī)采集到的圖像含有完整的標(biāo)定板。 [0020]相機(jī)采集標(biāo)定板的圖像時(shí)，記錄相機(jī)采集到的各距離下圖像上激光點(diǎn)在圖像坐標(biāo) 系下的坐標(biāo)
，由D, (i = 1，2，. . .，6)和相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣 A計(jì)算出各個(gè)距離激光點(diǎn)的歸一化坐#
則各距離下通過(guò)相機(jī)光心與激光 點(diǎn)的直線方程為f = f = f，由采集到的標(biāo)定板圖像計(jì)算標(biāo)定板與相機(jī)之間的內(nèi)部參數(shù)， rii y m 1 計(jì)算出標(biāo)定板平面在各個(gè)位置時(shí)的平面方程ai*x+bi*y+ci*z+di = 0。
[0021 ]所述平面方程的計(jì)算過(guò)程推導(dǎo)如下：在已知標(biāo)定板方格邊長(zhǎng)的前提下，得到標(biāo)定 板上各方格頂點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)
&第1個(gè) 頂點(diǎn)的世界坐標(biāo)系坐標(biāo);并用標(biāo)定工具計(jì)算出此時(shí)標(biāo)定板相對(duì)于相機(jī)的外部參數(shù)[R。T。]， 其中，RC、T。分別為標(biāo)定板處世界坐標(biāo)系相對(duì)于相機(jī)坐標(biāo)系點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量;若標(biāo) 定板上各方格頂點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)記為
為第i 個(gè)頂點(diǎn)的相機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)，則Pcb = Rc^Pwb+T。，式中相同符號(hào)的定義如上所述；由Pcb擬合出標(biāo) 定板平面在相機(jī)坐標(biāo)系下的平面方程為:ai*x+bi*y+ci*z+di = 0。
[0022] 根據(jù)各個(gè)距離下，通過(guò)相機(jī)光心與激光點(diǎn)的直線方程= +以及標(biāo)定板的 χη? ) ni 1 平面方程ai*x + bi*y + Ci*z + di = 0，求得各個(gè)位置下的激光點(diǎn)三維坐標(biāo)，記為
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采集不同位置的標(biāo)定板圖像，通過(guò)視覺(jué)方法，由相機(jī)內(nèi)部 參數(shù)、標(biāo)定板與相機(jī)之間的外部參數(shù)計(jì)算出激光束打在標(biāo)定板上的坐標(biāo)，完成激光與相機(jī) 坐標(biāo)系夾角及交點(diǎn)的測(cè)量。本發(fā)明方法的優(yōu)勢(shì)在于：1、不需要使用任何復(fù)雜的光學(xué)儀器以 及測(cè)量?jī)x器。2、通過(guò)多個(gè)點(diǎn)的擬合能夠排除因認(rèn)為操作帶來(lái)的干擾，找到準(zhǔn)確的直線。3、傳 統(tǒng)方法往往測(cè)量的是激光與相機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)或者相機(jī)光學(xué)中心的相對(duì)關(guān)系，在圖像測(cè)量領(lǐng)域 仍然無(wú)法直接使用，而本發(fā)明直接建立了相機(jī)成像中心與激光器的關(guān)系，能夠直接運(yùn)用在 所有位姿測(cè)量程序中，具有通用性。本發(fā)明克服了基于激光器與相機(jī)的視覺(jué)測(cè)量中不能準(zhǔn) 確測(cè)量激光與相機(jī)相對(duì)位姿的不足，具有可操作性好，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且操作步驟簡(jiǎn) 單，僅需一個(gè)標(biāo)定板就能完成測(cè)量。本發(fā)明實(shí)用性較高，測(cè)量結(jié)果能夠應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè) 量等多種領(lǐng)域。
[0024] 進(jìn)步一步的，本發(fā)明標(biāo)定板采用黑白格標(biāo)定板，具有極易識(shí)別的圖像模式，易于實(shí) 現(xiàn)黑白格頂點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度定位，使用方法成熟，有助于提高后續(xù)測(cè)量的 精度。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1本發(fā)明方法的流程圖；
[0026]圖2本發(fā)明實(shí)施裝置示意圖；
[0027] 圖3各坐標(biāo)系定義及夾角定義示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0029] 此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0030] 參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例的實(shí)施步驟如下：
[0031 ] 1、如圖2所示，將攝像機(jī)和激光器固定在一起，并保證他們的相對(duì)位置與相機(jī)內(nèi)參
不再發(fā)生改變。制作標(biāo)定板，黑白方格數(shù)為11*10,邊長(zhǎng)為12mm。這里不限于黑白格標(biāo)定板， 具有一定明顯圖形模式，且易于識(shí)別的平面物體均可，因?yàn)楹诎赘駱?biāo)定板比較常見(jiàn)，對(duì)黑白 格頂點(diǎn)的定位精度$父尚，有助于提尚后續(xù)測(cè)量的精度。如圖3所不，定義相關(guān)坐標(biāo)系：定義相 機(jī)坐標(biāo)系〇(；、世界坐標(biāo)系〇w，其中0c、0w均為右手坐標(biāo)系。0w坐標(biāo)系的原點(diǎn)定義為標(biāo)定板的左 上角頂點(diǎn)，X軸方向?yàn)橛稍c(diǎn)沿著棋盤(pán)格的邊向下，Y軸方向?yàn)橛稍c(diǎn)沿著棋盤(pán)格的邊向右， Z軸方向?yàn)榇怪庇讦?Υ平面指向相機(jī)；
[0032] 2、對(duì)相機(jī)內(nèi)參進(jìn)行標(biāo)定，得到相機(jī)內(nèi)參矩陣. ，其中（fx，fy)為相機(jī) 的等效焦距，（u〇，vo)為相機(jī)光心坐標(biāo)；