1.本发明涉及视觉测量系统标定技术领域，具体涉及一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法。
背景技术：2.视觉测量具有非接触、测量速度快、精度高、测量方法灵活等优点，广泛应用在缺陷检测、三维面形测量等多个领域。三维视觉测量方法因其速度快、精度高、实用性强等特点成为三维测量的最佳方法之一，三维视觉测量的关键就是获得相机拍摄图片的像素坐标和其对应的世界坐标系下坐标之间的关系，为了准确地描述该关系，需要对相机组成的测量系统进行参数标定即系统标定。在三维视觉测量中，系统标定是系统工作的基本步骤和关键环节，系统标定的精度将会直接影响三维视觉测量系统的测量精度。
3.三维视觉测量系统标定首先需要获得世界坐标系坐标和图像坐标系坐标，世界坐标系的世界坐标的获取是通过建立世界坐标系，此时建立的坐标系称为理想坐标系，由于轴系误差或者标定靶位姿误差，实际的世界坐标系与理想坐标系之间会存在一定的偏差，因此获得的世界坐标系下的实际值与理想值也存在偏差，这个偏差将会影响到系统标定的精度。另一方面，三维视觉测量系统标定后，系统经过长时间放置或者在搬运系统的过程中发生磕碰时，系统内部结构将会发生微小漂移，伴随着系统内部结构的改变，测量系统的参数也会发生改变，初始系统标定的结果将不再适用。因此，需要对系统进行二次标定以保证系统具有较高的测量精度。
技术实现要素：4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供具有重要的实用价值的一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，以提高三维视觉测量系统的标定精度和测量精度。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，包括：
7.步骤s1：根据世界坐标值和图像坐标值对系统模型进行初次标定；
8.步骤s2：用初次标定的系统模型对标准件进行三维重建，根据重建结果对标定误差评价；
9.步骤s3：依据标定误差评价结果，对初次系统标定时采用世界坐标值进行优化，利用优化后的世界坐标值对初次标定的系统模型进行二次标定；
10.步骤s4：利用二次标定后的系统模型重建标准件，直到重建标准件的结果与其的理论值误差满足预设条件，获得高精度标定结果。
11.在本发明中，进一步的，还包括：步骤s5：对步骤s4中标定结果进行精度验证。
12.在本发明中，进一步的，所述步骤s4包括：
13.步骤s41：对标准件重建，并求取每个标准件实际值与理想值的偏差δi；
14.步骤s42：对所有的实际值与理想值的偏差求和为，计算公式如下：
[0015][0016]
步骤s43：判断是否满足预设条件，不满足则返回步骤s31，满足则步骤s44；
[0017]
步骤s44：获得重建标准件精度最高的偏转角，计算此时的世界坐标值，利用该坐标对系统进行标定，获得为高精度标定结果。
[0018]
在本发明中，进一步的，所述步骤s3包括：采用最优化算法对坐标系之间的偏转角进行优化，并将优化后的结果代入世界坐标系中获得优化后的世界坐标值。
[0019]
在本发明中，进一步的，坐标系之间的偏转角与实际世界坐标值的表示关系如下：
[0020]
x＝x0+z0·
sinα
·
cosβ
[0021]
y＝y0+z0·
sinα
·
sinβ
[0022]
z＝z0·
cosα
[0023]
其中，xyz分别为世界坐标系的三个轴向的坐标值，α为靶标移动方向与理想运动方向的夹角，β为o
wzw
轴在面的投影与owxw轴的夹角。
[0024]
在本发明中，进一步的，所述步骤s5包括：利用二次系统标定后的系统模型重建不同的标准件或同一标准件的不同位姿，将重建后的结果与标准件的理论值对比，验证系统测量的精度。
[0025]
在本发明中，进一步的，所述步骤s1前设有步骤s0，步骤s0：获得不同位置特征点的世界坐标下的世界坐标值和图像坐标系下的图像坐标值以及相位值。
[0026]
在本发明中，进一步的，所述步骤s0包括：
[0027]
s0-1：建立世界坐标与相机像素之间转化关系，其中转换关系可表示为：
[0028][0029]
其中，u、v为相机像平面某点坐标，xw、yw、zw为对应的世界坐标系下的世界坐标；
[0030]
s0-2：获得各个靶标点的世界坐标系下的坐标值；
[0031]
s0-3：获得各个靶标点的图像坐标系下的坐标值和相位值。
[0032]
在本发明中，进一步的，所述图像坐标系下的图像坐标值以及相位值的获取方法：
[0033]
获取相机拍摄靶标的拍摄图片，并对图片进行处理获得各个靶标点的圆心的像素值；通过相机拍摄被投影仪投影周期性条纹的靶标，将拍摄的图片进行解算获得每个像素对应的相位大小，通过插值运算获得每个靶标圆心对应的相位值。
[0034]
在本发明中，优选的，所述最优化算法包括但不限于levenberg-marquardt算法。
[0035]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0036]
1、本发明采用优化迭代的方式，对三维视觉测量系统进行二次标定，不需要对系统标定过程进行重复性实验，在减少工作量的同时可以进行高效率的系统标定。
[0037]
2、本发明对长时间放置或者发生微动的系统进行二次标定，解决了系统硬件发生漂移而系统参数发生改变的问题，不需要对系统进行重新标定实验即可对系统参数进行校正。
[0038]
3、本发明在对标定靶标位姿无要求的前提下，保证系统具有较高的测量精度，对原有标定结果进行二次标定，提高系统的测量精度。
附图说明
[0039]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0040]
图1是本发明一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法的流程图；
[0041]
图2是三维视觉测量系统标定时理想与实际靶标位置关系的示意图；
[0042]
图3是本发明的三维视觉测量系统测量模型示意图；
[0043]
图4是本发明的标准台阶的三维模型与其重建结果示意图；
[0044]
图5是本发明的中步骤s0的工作流程示意图；
[0045]
图6是本发明的中步骤s4的工作流程示意图；
[0046]
图7为本发明的方法优化前后的重建标准件结果；
[0047]
图8为系统重投影误差示意图。
具体实施方式
[0048]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0050]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0051]
如图2所示，本发明提供一种三维视觉测量系统，该系统包括相机1和投影仪2，将平面靶标4放在精密位移台3上，使其运动方向与靶标平面垂直。
[0052]
在系统标定过程中所使用的世界坐标系下的靶标圆点中心坐标值的精度将会影响到系统标定的精度，因此需要获得各个靶标点在世界坐标系下的世界坐标值为实际坐标系下的坐标值提高系统标定的准确度；同时对内部结构发生漂移的测量系统进行二次标定，提高系统测量精度。
[0053]
具体的，请参见图1，本发明一较佳实施方式提供一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，包括：
[0054]
步骤s0：获得不同位置特征点的世界坐标下的世界坐标值和图像坐标系下的图像坐标值以及相位值。
[0055]
步骤s1：根据世界坐标值和图像坐标值对系统进行初次标定；
[0056]
步骤s2：用初次标定的系统对标准件进行三维重建，根据重建结果对标定误差评价；
[0057]
步骤s3：依据标定误差评价结果，对初次系统标定时采用世界坐标值进行优化，利用优化后的世界坐标值对初次标定的系统进行二次标定；
[0058]
步骤s4：利用二次标定后的系统重建标准件，直到重建标准件的结果与其的理论值误差满足预设条件，获得高精度标定结果；
[0059]
步骤s5：对步骤s4中标定结果进行精度验证。
[0060]
基于上述实施例，本发明首先根据世界坐标值和图像坐标值对系统进行初次标定，获得系统模型，在根据初次系统标定的结果也就是获得的系统模型对标准件进行三维创建，初次评定系统的标定精度。然后，采用一种新的优化方法对三维视觉测量系统初次标定结果进行优化，利用优化后的世界坐标对系统模型进行二次标定获得新的系统模型，并且使用不同于优化所用的标准件进行验证，并求得系统的重投影误差，最终证明该发明在重建结果精度上有了非常有效的提升。
[0061]
基于上述实施例，本发明具有如下特点：
[0062]
本发明采用优化迭代的方式，对三维视觉测量系统进行二次标定，不需要对系统标定过程进行重复性实验，在减少工作量的同时可以进行高效率的系统标定。
[0063]
本发明对长时间放置或者发生微动的系统进行二次标定，解决了系统硬件发生漂移而系统参数发生改变的问题，不需要对系统进行重新标定实验即可对系统参数进行校正。
[0064]
本发明在对标定靶标位姿无要求的前提下，保证系统具有较高的测量精度，对原有标定结果进行二次标定，提高系统的测量精度。
[0065]
进一步的，在本发明中，如图5所示，步骤s0包括：
[0066]
s0-1：建立世界坐标与相机像素之间转化关系；
[0067]
示例性的，如图3所示为建立的世界坐标与相机像素之间转化关系示意图，建立世界坐标系，其中ow为世界坐标系原点，xw、yw、zw分别为世界坐标系的三个轴向。
[0068]
世界坐标系经过rt旋转矩阵变换为相机坐标系，其中，oc为相机坐标系原点，xc、yc、zc分别为相机坐标系的三个轴向；其中，o
p
为投影仪坐标系原点，x
p
、y
p
、z
p
分别为投影仪坐标系的三个轴向。
[0069]
其中，转换关系可表示为式：
[0070][0071]
其中，u、v为相机像平面某点坐标，xw、yw、zw为对应的世界坐标系下的世界坐标。
[0072]
相对的，相机坐标系成像模型可表示为：
[0073][0074]
同时，将投影仪看作“逆相机”可以得到投影仪成像模型：
[0075][0076]
如此，基于上述实施例建立了世界坐标与相机像素之间转化关系，需要说明的是此时建立的坐标系为理想坐标系，为后续的系统标定奠定基础。
[0077]
s0-2：获得各个靶标点的世界坐标系下的坐标值；
[0078]
示例性的，建立世界坐标系，使世界坐标系的owxw轴、o
wyw
轴和o
wzw
轴相互垂直，获得此时世界坐标系的特征点的世界坐标值。具体的，如图2所示，靶标最左上角的点为世界坐标系的原点ow，向右过横排靶标点圆心为轴，向下过竖排靶标点远心为owxw轴，垂直于靶标平面为o
wzw
轴，由于靶标各个圆点的中心距离已知，每次沿轴运动的距离已知，因此可以获得靶标o
wyw
各个靶标圆点的世界坐标系下的世界坐标值，具体是根据靶标的步进距离以及靶标点的间距计算获得。
[0079]
s0-3：获得各个靶标点的图像坐标系下的坐标值和相位值。
[0080]
具体的，通过相机1拍摄平面靶标，得到相机1拍摄靶标的拍摄图片，并对图片进行处理可提取获得各个靶标点的圆心的像素值；接着，通过相机1拍摄被投影仪2投影周期性条纹的靶标，将拍摄的图片进行解算获得每个像素对应的相位大小，通过插值运算获得每个平面靶标圆心对应的相位值。
[0081]
示例性的，采用图像处理技术提取靶标圆心对应的像素坐标，具体可以使用椭圆拟合及中心提取。此外，相位值可由相位解算以及插值运算获得。
[0082]
进一步的，在本发明中，步骤s1：根据世界坐标值和图像坐标值对系统进行初次标定。具体的，根据世界坐标值和图像坐标值对系统进行初次标定将求得的世界坐标系下的坐标和图像坐标系下的坐标以及相位值代入已知的系统模型，用最小二乘法求解，即可得到系统的参数，也就是完成了已知系统模型的初次标定，得到了系统模型。
[0083]
进一步的，在完成初次标定后，需要对标定精度进行评价，也就是进行步骤步骤s2：用初次标定的系统对标准件进行三维重建，根据重建结果对标定误差评价。
[0084]
优选的，本发明的标准件包括但不限于标准台阶。如图4所示，初次标定后的系统重建标准台阶，通过理论值和测量值对比获得初次标定后系统重建精度。
[0085]
为了提高系统标定精度和测量精度，本方案还对系统进行二次标定。
[0086]
如图2所示，理想情况下，靶标移动的方向与平面靶标4垂直，但是由于系统误差导致靶标移动方向发生改变，与理想运动方向存在一个夹角，此时轴在面的投影与则的夹角为α，此时o
wzw
轴在面的投影与owxw轴的夹角β，则坐标系之间的偏转角(α和/或β)与实际世界坐标值的表示关系如下：
[0087]
x＝x0+z0·
sinα
·
cosβ
[0088]
y＝y0+z0·
sinα
·
sinβ
[0089]
z＝z0·
cosα
[0090]
其中，xyz分别为世界坐标系的三个轴向的坐标值，α为靶标移动方向与理想运动方向的夹角，β为o
wzw
轴在面的投影与owxw轴的夹角。
[0091]
由于α、β均未知，因此采用最优化算法对坐标系之间的偏转角进行优化，并将优化后的结果代入世界坐标系中获得优化后的世界坐标值，利用优化后的世界坐标值对初次标定的系统进行二次标定，获得新的系统参数。
[0092]
优选的，本实施最优化算法采用levenberg-marquardt算法，但不限于该算法。
[0093]
在二次标定完成后即可得到新的系统模型，执行步骤s4：利用二次标定后的系统重建标准件，直到重建标准件的结果与其的理论值误差满足预设条件，获得高精度标定结果。
[0094]
示例性的，如图6所示，步骤s4包括：
[0095]
步骤s41：对标准台阶重建，并求取每个标准台阶实际值与理想值的偏差δi；其中，偏差δi为标准台阶实际值h
0i
与理想值hi之间的差值。
[0096]
步骤s42：对所有的实际值与理想值的偏差求和为δ，计算公式如下：
[0097][0098]
步骤s43：判断是否满足预设条件，不满足则返回步骤s31，满足则步骤s44；具体的，预设条件也就是选定的循环条件，循环条件为δ最小，也可根据实际进行设定，当循环条件不成立时则返回到步骤s31中执行，直到循环条件成立为止。
[0099]
步骤s44：获得重建标准件精度最高的偏转角，计算此时的世界坐标值，利用该坐标对系统进行标定，获得为高精度标定结果。如图8所示，此时获得重建精度最高，同时获得较小的重投影误差。
[0100]
如此，完成了系统的二次标定，本发明基于最优化算法，对标准件的重建结果及其理论值的偏差分析，以得到重建标准件误差最小为优化目标，让其接近实际值，从而实现对系统进行高精度二次标定。
[0101]
在本发明中，进一步的，在标定完成后，还需对系统测量精度进行评价，具体的，利用二次系统标定后的系统模型重建不同的标准件或同一标准件的不同位姿，将重建后的结果与标准件的理论值对比获得系统测量的精度。在本实施例中，如图7所示，测量误差由12降低到2以内，如此可得使用本发明使三维视觉测量系统测量精度得到有效提升。
[0102]
应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0103]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0104]
应当理解，本技术实施例中，从权、各个实施例、特征可以互相组合结合，都能实现
解决前述技术问题。
[0105]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0106]
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
技术特征：1.一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，其特征在于，包括：步骤s1：根据世界坐标值和图像坐标值对系统进行初次标定；步骤s2：用初次标定的系统对标准件进行三维重建，根据重建结果对标定误差评价；步骤s3：依据标定误差评价结果，对初次系统标定时采用世界坐标值进行优化，利用优化后的世界坐标值对初次标定的系统进行二次标定；步骤s4：利用二次标定后的系统重建标准件，直到重建标准件的结果与其的理论值误差满足预设条件，获得高精度标定结果。2.根据权利要求1所述的一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，其特征在于，还包括：步骤s5：对步骤s4中标定结果进行精度验证。3.根据权利要求2所述的一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，其特征在于，所述步骤s4包括：步骤s41：对标准件重建，并求取每个标准件实际值与理想值的偏差δ
i
；步骤s42：对所有的实际值与理想值的偏差求和为δ，δ计算公式如下：步骤s43：判断δ是否满足预设条件，不满足则返回步骤s31，满足则步骤s44；步骤s44：获得重建标准件精度最高的偏转角，计算此时的世界坐标值，利用该坐标对系统进行标定，获得为高精度标定结果。4.根据权利要求2所述的一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，其特征在于，所述步骤s3包括：采用最优化算法对坐标系之间的偏转角进行优化，并将优化后的结果代入世界坐标系中获得优化后的世界坐标值。5.根据权利要求4所述的一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，其特征在于，坐标系之间的偏转角与实际世界坐标值的表示关系如下：x＝x0+z0·
sinα
·
cosβy＝y0+z0·
sinα
·
sinβz＝z0·
cosα其中，xyz分别为世界坐标系的三个轴向的坐标值，α为靶标移动方向与理想运动方向的夹角，β为o
w
z
w
轴在面的投影与o
w
x
w
轴的夹角。6.根据权利要求2所述的一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，其特征在于，所述步骤s5包括：利用二次系统标定后的系统重建不同的标准件或同一标准件的不同位姿，将重建后的结果与标准件的理论值对比，验证系统测量的精度。7.根据权利要求1所述的一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，其特征在于，所述步骤s1前设有步骤s0,步骤s0：获得不同位置特征点的世界坐标下的世界坐标值和图像坐标系下的图像坐标值以及相位值。8.根据权利要求7所述的一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，其特征在于，所述步骤s0包括：s0-1：建立世界坐标与相机像素之间转化关系，其中转换关系可表示为：
其中，u、v为相机像平面某点坐标，x
w
、y
w
、z
w
为对应的世界坐标系下的世界坐标；s0-2：获得各个靶标点的世界坐标系下的坐标值；s0-3：获得各个靶标点的图像坐标系下的坐标值和相位值。9.根据权利要求8所述的一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，其特征在于，所述各个靶标点的图像坐标系下的坐标值和相位值的获取方法：获取相机拍摄靶标的拍摄图片，并对图片进行处理获得各个靶标点的圆心的像素值；通过相机拍摄被投影仪投影周期性条纹的靶标，将拍摄的图片进行解算获得每个像素对应的相位大小，通过插值运算获得每个靶标圆心对应的相位值。10.根据权利要求4所述的一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，其特征在于，所述最优化算法包括但不限于levenberg-marquardt算法。
技术总结本发明涉及视觉测量系统标定技术领域，公开了一种用于三维视觉测量系统的二次标定方法，包括步骤S1：根据世界坐标值和图像坐标值对系统进行初次标定；步骤S2：用初次标定的系统对标准件进行三维重建，根据重建结果对标定误差评价；步骤S3：依据标定误差评价结果，对初次系统标定时采用世界坐标值进行优化，利用优化后的世界坐标值对初次标定的系统进行二次标定；步骤S4：利用二次标定后的系统重建标准件，直到重建标准件的结果与其的理论值误差满足预设条件，获得高精度标定结果。本发明基于最优化算法，对标准件的重建结果及其理论值的偏差分析，以得到重建标准件误差最小为优化目标，对系统进行高精度二次标定。对系统进行高精度二次标定。对系统进行高精度二次标定。
技术研发人员：张效栋 王冬雪 刘皓玥 李琛
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.02.23
技术公布日：2022/7/5
