基于交比不变的线结构光标定方法研究

赫连雪艳

摘要：线结构光测量技术是摄像机标定的方法之一，其中光平面的提取是此方法的重点和难点，本文在光平面提取的拍摄方法的基础做了改进，有利于摄像机标定更深入的研究。

关键词：摄像机标定;线结构光;交比不变

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）02-0234-02

Abstract： Linear structured light measurement technology is one of the methods of camera calibration， and the extraction of light plane is the key and difficult point of this method. This paper improves the photography method Based on the extraction of light plane， which is conducive to the further study of camera calibration.：

Key  words： camera calibration; Linear structured light; Cross ratio unchanged

近年来，借助光学投射器进行三维测量已经成为计算机视觉领域的发展趋势。在众多的视觉测量方法中，以结构光视觉测量为代表的主动视觉的三维测量技术在工业环境等领域中得到了广泛的应用。其中线结构光视觉测量具有大量程、大视场、较高精度、光条信息易于提取、实时性强及主动受控等特点。

1 线结构光测量技术

线结构光三维视觉测量的标定主要是指在标定出摄像机的内外参数后确定视觉系统的结构参数。视觉系统的结构参数主要是指光平面方程的求解。根据数学知识可知，求解光平面方程要至少获取平面上三个不共线的点，即标定点。线结构光三维测量的标定过程涉及摄像机内外参数、标定点和光平面方程的获取，其中标定点的获取是重点，同时也是难点，主要是因为棋盘各靶标平面上已知的三维世界坐标点很难恰好位于线结构光平面上，使得标定点三维世界坐标的获取变得困难。现有的方法有拉丝法、锯齿靶标法和微分法等，但是这些方法获取的标定点往往提取精度不高，对实验结果造成误差。

基于上述方法的局限性，提出了一种在交比不变定理基础上，更利于结构光条纹准确获取的方法。由于结构光条纹的提取首先要对结构光条纹边缘检测和光条纹直线方程的求解，所以利用该方法可以排除提取棋盘格上结构光条纹的过程中棋盘格角点的影响，从而提高线结构光视觉传感器的标定精度。

2 线结构光视觉传感器的测量模型

线结构光视觉传感器的测量是基于光学三角法测量原理。如图1所示，世界坐标系为[OWXWYWZW]，摄像机坐标系为[OCXCYCZC]，图像坐标系为[OXY]，像素坐标系为[OUV]。摄像机坐标系的[XC]轴和[YC]轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴，Z轴与摄像机坐标系的主光轴（[ZC]轴）重合。光学投射器将一定模式的线结构光投射于棋盘格靶标平面上，投射的结构光平面与靶标平面相交的部分形成结构光条纹。

通过以上计算可以求得标定点D的世界坐标，直线F1与靶标平面上平行直线E2，E3等相交，可以获取多组标定点。由于在同一靶标平面上获取的多组标定点在同一平面内，且至少三个不共线的标定点才能确定光平面，所以通过沿着光平面的方向（前后）移动靶标的位置，摄像机和激光器的位置不变。如图4所示，靶标平面从π1移动到π2，可以获得不共线的特征点。

4 標定实验结果与分析

如图3所示，光平面标定的过程中，标定点的获取是重点和难点，由于结构光条纹F1和棋盘格在一个平面内，徐光佑提出的利用交比不变定理获取标定点的方法拍摄光平面时，不利于提取棋盘格角点和结构光条纹。为了便于获取棋盘格角点和结构光条纹，本文提出了一种新的方法：固定棋盘格位置不变，在棋盘格上贴上一张白纸，把结构光条纹投射到白纸上，如图5所示。分别拍摄棋盘格和结构光，白纸的厚度忽略不计，此时结构光条纹和棋盘格可以看作在同一平面内。

用两种方法分别获取结构光条纹，结果如图6所示。

实验结果分析：

在棋盘格上贴上一张厚度可以忽略不计的白纸，改进前和改进后，拍摄光平面提取光条纹的性质是一样的，改进之后的方法更利于获取棋盘格角点和光条纹。

参考文献：

[1] 魏振忠，长广军，徐园.一种基于先结构光的视觉传感器标定方法[J].机械工业学报，2015，2（2）：210-213.

[2] 邓文怡，吕乃.三未测量技术中采用反向传播神经网络法[J].华中理工大学报，19909，27（1）：78-80.

[3] 徐光祐，刘立峰，曾建超，等.一种新的基于机构光三维视觉系统标定方法[J].计算机学报，1995，18（6）：73-86.

【通联编辑：梁书】