线结构光传感器

1 研究意义
线结构光传感器的标定是型面数字化，外形检测，准确的标定线结构光参数是进行精确测量的前提。

2 基本概念

2.1 结构光相关

结构光方法：

   结构光方法(Structured Light)是一种主动式光学测量技术，基本原理是由结构光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器(如摄像机)获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。

 
 
   
   
   
   

 
 
   
   
   
   

    
    
    
    
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结构光类型：

光点式：逐点扫描物体，图像获取和处理极为费时，难以完成实时测量

光线式：只需一维线扫描即可得到物体深度信息

光面式：二维投影到物体，测量速度最快，常用为投射光栅条纹

 
 
   
   
   
   

 
 
   
   
   
   

    
    
    
    
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2.2 线结构光相关

线结构光组成：激光投射器，摄像机等

线结构光的数学模型：①摄像机的透视投影模型；②结构光光平面方程

需要标定内容：摄像机内参（相机焦距、主点、畸变系数），线结构光传感器结构参数（光平面方程）。主要指结构参数的标定，即光平面相对摄像机的位置。

 
 
   
   
   
   

 
 
   
   
   
   

    
    
    
    
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3 研究历史

主要标定方法：机械调整法，细丝散射法，基于交比不变法等。

从靶标角度分类：立体靶标，平面靶标，一维靶标，无靶标等。

 
 
   
   
   
   

 
 
   
   
   
   

    
    
    
    
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3.1机械调整法

机械调整法是最早出现的线结构光传感器标定方法，它是一种比较直接的方法。天津大学邹定海在文献[1]中，首先调整机构把光平面调到相对摄像机的一个特定位置，再利用理想透视模型求得光平面相对摄像机的位置；文献[2]利用“微分标定法”，首先调整标准块和光平面至一个特殊位置，通过前后移动标准块并利用CCD对光条成像，记录标准块移动距离和光条成像的变化，可推算出传感器的结构参数；文献[3]以量块做靶标，结合多维自由度的微动工作台，利用“参数分离法”分别得到投射角和基线长度两个参数，可以得到标定结果。文献[4]则需要借助平台带动线结构光传感器平移、旋转以完成标定。机械调整法由于人为调整环节多，摄像机模型简化为理想模型，因此精度不高，只能适应一些小测量范围场合。

 
 
   
   
   
   

 
 
   
   
   
   

    
    
    
    
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3.2 细丝散射法

细丝散射法又名拉丝法，由R.Dewar[5]和K.W.James[6]分别提出，主要原理是让激光平面投射到在空间分布的几根不共面的细丝上，由于细丝散射，从而在细丝上形成多个可在像面成像的亮点，同时采用其他坐标仪器测出亮点在空间中的坐标值。利用像面亮点成像坐标及亮点在空间中测得的坐标值来求解视觉传感器的参数。该方法获取的标定点数目少，特征点图像坐标提取精确度不高，且标定过程较为复杂。

 
 
   
   
   
   

 
 
   
   
   
   

    
    
    
    
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3.3 齿形靶标法

齿形靶标法是以特殊设计的锯齿形立体结构作为靶标的线结构光标定方法。文献[7]从简化获得结构光平面和摄像机相对位置方法的角度，提出用简单齿形靶标和一个一维工作台，通过求解迭代方程并结合罚函数约束得到相应参数的方法，完成线结构光传感器的标定。但是该方法要求靶标与光平面呈一个特殊位置，且获得标定点较少，调整复杂，精度不高。

 
 
   
   
   
   

 
 
   
   
   
   

    
    
    
    
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3.4 基于交比不变法

基于交比不变法的线结构光传感器标定是近年来的研究热点，其原理是通过至少三个已知坐标的共线特征点生成标定结构光参数所需的标定点坐标。文献[8]率先提出交比不变法在线结构光传感器的结构参数标定中的应用；文献[9]着重强调了如何获得位于结构光平面上样本点的精确位置，同样基于交比不变法，利用精确设计的标定块得到较为准确的标定结果；文献[10]重点解决标定前的光平面定位问题，利用圆阵列靶标结合一维工作台构造出三维特征点空间，首先通过靶标前后移动对摄像机内参和外参进行标定，然后用交比不变原理标定结构光平面的法向矢量和中心点坐标两个参数，最终完成标定，优点在于标定过程中不需要严格限制光平面的位置，但仍需借助一维平台完成标定过程；文献[11]提出了一种基于共面参照物的线结构光传感器标定方法，首先标定摄像机内参，然后利用交比不变原理进行局部世界坐标系到摄像机坐标系的变换，接着确定标定特征点的局部世界坐标系，最后求解传感器结构参数，该方法中靶标可以在测量空间内自由移动，且基于共面参照物的标定思想简化了标定过程，使得线结构光视觉传感器向工程化应用靠拢，但该方法在确定光平面标定点在摄像机坐标系下的三维坐标时，需要进行多次坐标转换，这样会增大光平面标定点的定位误差，在通过拟和多个光平面标定点确定光平面方程时，每个光平面标定点的误差都会传递到光平面方程上，故精度较差；文献[12][13]从如何获得更多的高精度标定点思考，提出了一种基于双重交比不变性的线结构光传感器系统标定点获取方法，利用特殊设计的立体靶标可以获取较多数量的高精度标定点，从而解决了线结构光视觉传感器三维标定点不易获取且数量少的问题，但第一次交比不变引起的误差会传播到第二次交比不变而带来误差累积，不易获得较高的精度，并且要求高精度立体靶标具有至少有两个相互垂直的平面特征，使得标定过程中容易造成平面之间的相互遮挡，难以获得高质量的标定图像，同时获取标定点的数量不可能太多。

 
 
   
   
   
   

 
 
   
   
   
   

    
    
    
    
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3.5 基于自由移动的平面靶标

基于自由移动平面靶标的线结构光传感器标定技术是目前常用的标定方法。文献[14]提出了一种线结构光传感器的快速标定方法，该方法默认相机内参已经标定，通过无约束移动共面标定参照物，利用摄像机透视投影中心及摄像机在像面获取的光条信息确定一平面，根据此平面与共面参照物平面的交线，及在传感器测量空间内无约束移动共面参照物后得到的另外一条交线，确定光平面相对摄像机的位置；文献[15]提出一种基于三点透视模型的标定方法，平面靶标上只需要共线且位置确定的三个特征点，平面靶标自由移动几个位置，通过三个特征点以及光条纹在摄像机像面的成像信息，就可以获得光平面在摄像机坐标系中的平面方程，该方法不需求解坐标系之间的转换矩阵，适合现场标定；文献[16]提出了一种不需计算光平面标定点的线结构视觉传感器标定方法，通过移动靶标位置，根据多次投射光条直线计算光平面方程，最后利用非线性优化方法得到平面方程最优解，但大面积的高精度标靶不易制作，因而限制了该方法的应用范围。

 
 
   
   
   
   

 
 
   
   
   
   

    
    
    
    
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3.6 其他方法

文献[17]提出一种基于自由移动的一维靶标的结构光视觉传感器标定方法，首先由共线三点计算一维靶标特征线及其投影之间的一维射影变换，进而获取特征线的消隐点，并与摄像机原点确定特征线在摄像机坐标系下的方向矢量，然后根据特征点的长度约束及方向约束计算特征点的摄像机坐标，从而获得特征线的方程，最后由射影变换和特征线的方程获得光条上控制点的摄像机坐标，该方法虽精度不高，但无需求解靶标相对于摄像机坐标系的旋转矩阵和平移矢量，并且为大尺寸结构光视觉测量传感器的标定提供解决方法，拓宽了线结构光测量的应用领域；文献[18]提出了一种基于主动视觉的光平面标定方法，只需控制线结构光传感器做若干平移运动，两步可完成光平面的标定，首先经多次平移运动得到光平面中相互平行直线在摄像机中的投影，经计算消影点完成光平面法向的标定，然后控制传感器沿设定的与光平面法向垂直的方向做２次平移运动，使其满足三点透视模型，完成摄像机坐标系原点到光平面距离信息的标定，与以往求取光平面上标定点后拟合平面的方法不同，该方法本质上属于自标定方法，标定过程无需使用标靶，在一定程度上节省成本；文献[19]提出了一种基于双目立体视觉的线结构光参数标定算法，首先采用Tsai两步法标定摄像机内参数和双目相机坐标系间的刚体变换，然后利用立体视觉极线约束条件匹配双目激光条纹点，并将其重构到三维空间以进行光平面标定，相对于传统方法，该算法的优势在于标定光平面时不需要标靶的辅助，只需将线结构光以任意姿态投射到任意物体表面即可获取稠密的标定点进而得到光平面方程；文献[20]提出利用已知半径的标准球进行标定的方法，但其方法基于数控铣床，需要数控铣床保证传感器运动精度；文献[21]基于消隐点和消隐线的方法，利用自由移动的简单平面靶标成像，通过一系列计算完成标定。

 
 
   
   
   
   

 
 
   
   
   
   

    
    
    
    
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4 小结

 线结构光传感器标定的发展情况可以从两方面阐述，即标定思想和辅助装置。标定思想早期以机械法[1-3]为主，包括随后产生的齿形靶标法[7]，标定过程要求结构光平面和靶标具有特殊位置关系，需借助平移台或旋转台带动靶标运动，通过CCD相机对不同位置的靶标成像，以解算出传感器的结构参数。之后发展的基于交比不变法[8-13]思想从原理上摆脱了标定需依靠精密平台的束缚，利用特殊设计的立体靶标可以获得一定数量且精度较高的标定点，以完成标定。其他方法如基于消隐点[21]、基于三点透视模型[15]、基于主动视觉[18]、基于双目立体视觉[19]等，均在某些场合有一定应用，极大的丰富了线结构光传感器的标定方法。

线结构光传感器标定过程所采用的辅助装置，除了经历各类平台从有到无的过程，更重要的是标定所需靶标的发展。靶标的发展是一个从繁到简的过程，早期使用精心设计的立体靶标，如类梯形台[2]、齿形靶标[7]、垂直面靶标[11]等。随着以图形结构代替立体结构思想的产生，逐渐发展出二维平面靶标，如圆阵列[14]、棋盘格[16]等，并成为主流标定方法。近几年又出现一维靶标[17]，乃至无靶标标定方法[18]，极大的拓宽了标定思路，丰富了线结构光传感器标定方法。

 
 
   
   
   
   

 
 
   
   
   
   

    
    
    
    
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参考文献

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