水平运动平台激光扫描标定模版的拼接方法与流程

1.本发明涉及图像及数据处理技术领域，尤其涉及一种水平运动平台激光扫描标定模版的拼接方法。


背景技术：

2.现有的3d数据扫描成像原理是通过激光发射器对物体进行扫描，再通过相机拍摄照片，将照片组合成3d图像。而上述过程首先要使用标定块进行数据校准，然后对物体进行旋转扫描，最后把扫描的图像拼接成3d图像数据。
3.这种方式要求被扫描物体体积小，形状规则，能够在转台上转动时，被激光全面照射到，才能完成3d图像的建模。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种水平运动平台激光扫描标定模版的拼接方法，以相机移动的方式，通过双标定设备，实现对标定板的标定，进而实现对特体的3d扫描。
5.本发明采取的技术方案是：
6.一种水平运动平台激光扫描标定模版的拼接方法，其特征是，
7.所述标定模版为圆点标定模版，标定模版上的圆点为m*n阵列排列，水平运动平台上设置双激光和双相机，所述双激光和双相机同步在水平运动平台上运动，所述标定模版落入所述双相机的视野内，一个相机和一个激光组成一个标定设备，所述拼接方法步骤如下：
8.(1)相机在水平运动平台上运动，在预定的多个时间点上，相机对标定模版进行拍摄照片，获取标定模板的像点-物点对矩阵；
9.(2)根据像点-物点对矩阵解算第一相机姿态和第二相机姿态；
10.(3)根据相机的姿态将标定模版上圆点的像素坐标变换到世界坐标；
11.(4)以标定模板平面作为xoy平面，z轴垂直于标定模版，原点为像点-物点对矩阵的中心点，建立第二相机标定模版坐标系；
12.(5)计算从第二相机的世界坐标系坐标到第二相机标定模版坐标系坐标的变换矩阵；
13.(6)将第二相机的变换矩阵变换到构建的第二相机标定模版坐标系中，形成第二相机标定模板矩阵；
14.(7)将第二相机标定模板矩阵变换成与第一相机标定模板矩阵位置对应的变换后的第二相机标定模板矩阵；
15.(8)对变换后的第二相机标定模板矩阵转换至第二相机的世界坐标系中；
16.(9)将转换至第二相机的世界坐标系中的第二相机标定模板矩阵与世界坐标系中的第一相机标定模板矩阵进行拼接成拼接矩阵，并计算拼接矩阵的逆矩阵；
17.(10)将拼接矩阵的逆矩阵左乘以第一相机姿态矩阵得到新第二相机姿态矩阵，所述新第二相机姿态矩阵与第二相机姿态矩阵关于x-轴和y-轴镜像；
18.(11)计算第二相机姿态矩阵变为新第二相机姿态矩阵的变换矩阵；
19.(12)计算第二相机姿态矩阵变为第一相机姿态矩阵的变换矩阵；
20.(13)将步骤(11)得到的变换矩阵左乘以步骤(12)得到的变换矩阵得到总体拼接矩阵。
21.进一步，所述步骤(7)的过程如下：
22.(71)对第二相机标定模板矩阵相对于第二相机标定模版坐标系的x轴进行镜像变换；
23.(72)对镜像后的第二相机标定模板矩阵相对于第二相机标定模版坐标系的y轴进行镜像变换,得到变换后的第二相机标定模板矩阵。
24.进一步，所述步骤(7)的过程如下：
25.将第二相机标定模板相对于第二相机标定模版坐标系的z轴进行180度旋转变换，得到变换后的第二相机标定模板矩阵。
26.进一步，第一相机与第一激光组成第一标定设备，第二相机与第二激光组成第二标定设备。
27.进一步，第一相机与第二激光组成第一标定设备，第二相机与第一激光组成第二标定设备。本发明的有益效果是：
28.(1)通过标定模板进行标定，简单方便；
29.(2)固定标定物，适合各种标定物体，减少标定物转动带来的偏差；
30.(3)更我借助于软件处理，成本小，修改方便。
附图说明
31.附图1是水平运动激光扫描平台示意图；
32.附图2是两个相机采集的标定模板圆点矩阵示意图；
33.附图3是两个相机计算的三维坐标矩阵示意图；
34.附图4是构建的相机标定模板坐标系示意图；
35.附图5是第二相机的圆点三维坐标矩阵相对于标定模板坐标系x-轴的镜像变换示意图；
36.附图6是第二相机的圆点三维坐标矩阵相对于标定模板坐标系y-轴的镜像变换示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明水平运动平台激光扫描标定模版的拼接方法的具体实施方式作详细说明。
38.参见附图1，水平运动平台通过设置在待测物的侧边的滑轨，对激光和相机进行移动。在标定时，滑轨的侧边布置标定模板，标定模板为5*5的阵列圆点，圆点间距确定，并可标注读取方向。标定模板的阵列为m*n，一般以奇数阵列为主。这里均以5*5的阵列为例，将圆点标定模板放置在水平运动激光扫描平台上，激光和相机均为两个，分别为第一相机、第
一激光、第二相机和第二激光，标定模板水平放置，第一相机采集的标定模板图像中箭头朝上,且第一相机与第二相机都能看到完整的标定模板。在图像处理过程中，标定两条激光线时可以考虑两种组合,第一种组合是第一相机与第一线激光器构成第一设备,第二相机与第二线激光器构成第二设备，第二种组合是第一相机与第二线激光器构成第一设备,第二相机与第一线激光器构成第二设备。两种方式均可实现本发明的技术方案。
39.下面以第一种组合来说明标定模板数据的拼合过程。
40.1、按上述要求布置好设备。
41.2、第一相机与第二相机采集的标定模板的圆点矩阵，采集的图像如附图2所示，图中的标号为人为附加，其中左下位置是第一相机采集的图像，右上位置是第二相机采集的图像。
42.3、将采集数据解析成像点-物点对矩阵，获取的像点-物点对矩阵形式如下：
[0043][0044]
其中i
mn
表示第m行第n列的像点坐标，o
mn
表示第m行第n列的物点坐标。
[0045]
4、然后根据像点-物点对矩阵解算第一相机的姿态和第二相机的姿态matposture1和matposture2。解算算法可参阅文献[1]：“lu,chien-ping,hager,et al.fast and globally convergent pose estimation from video images.[j].ieee transactions on pattern analysis &machine intelligence,2000”。
[0046]
5、根据相机姿态计算标定模版圆点的三维坐标。
[0047]
计算标定模版圆点的三维坐标的方法是：根据校准的相机参数将圆点标定模版的像素坐标变换到世界坐标。假设相机的内参数矩阵相机的姿态矩阵那么从像素坐标到世界坐标的变换公式如下：
[0048][0049]
其中表示经过畸变校正的像素坐标，是得到的世界坐标。
[0050]
相机的内参数矩阵中，为相机校准后和标准参数，也可参阅文献[1]，其中f相机焦距，u、v为相机光轴平移量。r指相机旋转姿态矩阵，t是指相机平移姿态矩阵。
[0051]
参见附图3,可以看出，转换成世界坐标的标定模板的圆点矩阵，第二相机采集并解算的矩阵与第一相机采集并解算的矩阵的位置呈现镜像并相反的状态。
[0052]
6、根据圆点三维坐标矩阵构建第二相机圆点标定模版坐标系。
[0053]
参见附图4,构建的坐标系中，坐标系原点就是w22，xoy平面就是标定模板平面，z-轴垂直于标定模板平面,x-轴方向是从中心点w22到w20,y-轴垂直于x-轴与z-轴，满足左手
坐标系法则。
[0054]
7、计算从第二相机世界坐标系到第二相机圆点标定模版坐标系的变换矩阵cvtcoord2。
[0055]
8、将第二相机圆点三维坐标矩阵变换到构建的标定模版坐标系中。假设坐标系变换矩阵第二相机圆点三维坐标矩阵为那么变换到标定模版坐标系后的圆点三维坐标矩阵具有如下形式：
[0056]
matptbd3d2＝cvtcoord2*matpt3d2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(3)。
[0057]
9、参见附图5,对第8步得到的第二相机圆点三维坐标矩阵matptbd3d2相对于x-轴进行镜像变换。
[0058]
10、参见附图6,对第9步得到的第二相机圆点三维坐标矩阵相对于y-轴进行镜像变换。
[0059]
11、反变换xy-轴镜像变换后的圆点三维坐标矩阵到原来的坐标系。
[0060]
假设相对于x-轴和y-轴镜像变换矩阵为
[0061][0062]
从相机2标定模板坐标系到世界坐标系的反变换矩阵为
[0063][0064]
那么变换过程如下：
[0065]
公式(5)＝cvtcoordinv2·
imaging
xy
·
matptbd3d2ꢀꢀꢀ
公式(6)。
[0066]
12、计算第二相机反变换的圆点三维坐标矩阵到第一相机圆点三维坐标矩阵的拼接矩阵matstitching
2to1
及其逆矩阵
[0067]
13、用第12步得到的逆矩阵左乘以第4步得到的第一相机姿态矩阵得到新的第二相机姿态矩阵。新的第二相机姿态矩阵可以看作第4步得到的第二相机姿态matposture2的关于x-轴和y-轴的镜像：
[0068][0069]
14、计算第二标定设备的激光时所用的第二相机姿态到第13步得到的第二相机姿态的变换矩阵。假设第二标定设备的激光时所用的第二相机姿态矩阵为matposturecalib2，那么变换矩阵的计算公式如下：
[0070]
matcvtposture
2to2
＝matposturei
2-1
·
matposturecalib2ꢀꢀꢀ
公式(8)。
[0071]
15、计算从第4步得到的第二相机姿态到第4步得到的第一相机姿态的变换矩阵。从第4步得到的第二相机姿态到第4步得到的第一相机姿态的变换矩阵如下：
[0072]
matcrtposture
2to1
＝matposture
1-1
·
matposture2........公式(9)。
[0073]
16、总体拼接矩阵就是第15步得到的变换矩阵左乘以第14步得到的变换矩阵。总
体拼接矩阵的计算公式如下：
[0074]
matstitchingtotal
2to1
＝matcvtposture
2to1
·
matcvtposture
2to2
........公式(10)。
[0075]
其中，第(9)步和第(10)步的变换可以采用等价的绕第二相机标定模板坐标系的z-轴旋转180度来代替。
[0076]
拼接矩阵的计算可以计算出标定模板的三维数据，在标定模板的基础上，可以进行三维物体的数据采集。双相机将采集的数据通过上述方法拼合成3d数据，为后续的建模分析提供数据基础。
[0077]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。