一种基于棋盘格的线激光平面方程标定方法

本发明涉及线激光测量领域，具体涉及一种线激光三维测量系统及线激光平面方程的标定方法。

背景技术：

1、随着我国道路建设的不断发展，路面养护与管理任务日益艰巨。现有道路主要采用水泥混凝土路面和沥青路面，路面裂缝严重影响行车安全与舒适性。线激光测量系统凭借其简洁可靠的设计、出色的稳定性和高效性，以及在不需接触被测物体的情况下展现的卓越性能，正在引起越来越多人的关注，尤其在道路检测领域。这项三维测量技术具备广阔的应用前景，为道路检测带来了全新的可能性和机遇。线激光三维测量技术运用激光器将激光条投射在被测物体表面，形成一个光平面。在此之前，对激光平面进行标定是必要的，以确保在相机坐标系下确定其精准方程。借助相机的成像模型，这项技术能够将捕获的二维图像转换为物体表面的精确三维坐标。在线激光测量系统中，测量精度取决于系统标定的准确性，而线激光平面的标定则是系统标定过程中至关重要的一环。光平面标定的两种主要技术是交比不变法和plücker矩阵法。交比不变法要求线激光投射的光条与棋盘靶标上的棋盘相交，这种方法不太便于提取棋盘角点和光条中心点，导致提取的特征点较少，限制了对线激光的标定精度。而plücker矩阵法则需要联立三个平面方程来计算光平面上多个光条的plücker矩阵，计算过程相对复杂。

技术实现思路

1、本发明的内容为实现了一种基于棋盘格的线激光平面方程标定方法，避免了单应性矩阵的引入，简化了plücker矩阵的计算方法，具有比传统方法更高的标定精度和便捷性。方法中对棋盘格标定板进行了一些改进，在标定板的一侧增加了黑色区域，用于投射线激光条纹。具体技术方案包括以下6个部分。

2、1.标定图片的获取：固定相机和激光器的位置，使用改进的棋盘格标定板，拍摄10-20张不同位姿的棋盘格图片，其中2张以上的图片为带线激光条纹的图片(光条纹必须要投射在标定板上的黑色区域)，采用张正友标定法获取相机的内参矩阵k、外参和畸变矩阵d，外参由旋转矩阵r和平移向量t表示。

3、2.线激光中心线提取：由于相机存在畸变，首先使用1中获取的畸变参数对1中拍摄的带线激光条纹的图片进行消除畸变的处理；为避免复杂背景对光条纹提取的影响，需要提取光条纹区域；然后使用中心线提取算法获取感兴趣区域中线激光中心线的像素坐标。

4、3.线激光条纹直线方程：采用整体最小二乘法对2中获取的特征点进行直线拟合，整体最小二乘法考虑了两个方向上的误差，比一般最小二乘法的误差更小，更具稳定性。获得光条直线在像素坐标系下的直线方程。

5、4.棋盘格平面方程：由于世界坐标系建立在棋盘格所在平面上，则棋盘格平面方程是已知的。

6、世界坐标系和相机坐标系间的转换关系为：

7、

8、则由世界坐标系和相机坐标系间的转换关系和棋盘格平面方程可得棋盘格平面在相机坐标系下的方程为：

9、

10、5.相机坐标系下光条直线的plücker矩阵：任取4中所求直线方程上两点a，b

11、相机坐标系和像素坐标系的转换关系为：

12、

13、则由相机坐标系和像素坐标系的转换关系和棋盘格平面方程可求出a，b两点在棋盘格平面的投影点a′、b′，已知直线上两点坐标，则可求出直线的plücker矩阵表达式。

14、6.线激光光平面方程：重复3到6的步骤，获取多条光条直线在相机坐标系下的plücker矩阵。由于上诉所求多条线激光光条直线在同一激光平面上，由线面约束关系可建立线面方程组。将多个线面约束方程转换为齐次方程组的最小二乘问题，求出线激光光平面方程。

15、本发明由于采用了以上的技术方案，与现有技术相比，本发明的方法的有益效果包括：1.改进棋盘格标定板，提高线激光在标定板上的成像质量；2.将带线激光光条的棋盘格图片引入相机标定，标定得到的外参数据被引入后续计算，充分利用的标定的数据；3.避免了计算过程中单应性矩阵的引入，以此避免了计算单应性矩阵时误差的引入；4.充分利用了整条激光线上的特征点用于标定，将特征点拟合为直线，再将直线用于拟合光平面，比用特征点拟合平面具有更高精度；5.简化了plücker矩阵计算流程，仅利用相机标定出的外参求解；

技术特征：

1.一种基于棋盘格的线激光平面方程标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于棋盘格的线激光平面方程标定方法，其特征在于，所述的步骤1中，标定中使用的棋盘格标定板一侧增加了黑色区域；拍摄的棋盘格图片中两张及以上的图片中需要带激光条纹，且光条纹需要投射在黑色区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于棋盘格的线激光平面方程标定方法，其特征在于，所述的步骤2中，提取光条纹区域具体方法为：由于相机和激光器的位置是相对固定的，光条纹在图像中的位置也是固定的，可以通过设置一个矩形框来提取棋盘格标定板上光条纹区域，保留矩形框中的光条纹区域，即：

4.根据权利要求1所述的一种基于棋盘格的线激光平面方程标定方法，其特征在于，所述的步骤3中，拟合光条纹直线具体为：基于整体最小二乘法对步骤3中获得的坐标数据进行处理，拟合得到线激光光条在像素坐标系下的直线方程。以点到直线的垂直距离建立约束函数：

5.根据权利要求1所述的一种基于棋盘格的线激光平面方程标定方法，其特征在于，所述的步骤4中，求取棋盘格平面方程具体为：由于世界坐标系建立在棋盘格上，则该棋盘格所在平面在世界坐标系下的方程为zw＝0，转换为矩阵形式为：

6.根据权利要求1所述的一种基于棋盘格的线激光平面方程标定方法，其特征在于，所述的步骤5中，求出带光条纹的图片中光条纹所在直线的plücker矩阵表达式具体方法为：任取步骤3所求直线方程上两点a，b，设a(ua,va)，b(ub,vb)。像素坐标系和相机坐标系的转换关系为：

技术总结本发明的内容为实现了一种基于棋盘格的线激光平面方程标定方法，改进棋盘格标定板，简化标定流程，充分利用了整条激光线上的特征点用于标定，并将直线用于拟合光平面，提高了标定精度。改进标准的棋盘格标定板，并拍摄图片完成相机标定；对标定图片中含光条图片进行消除畸变的处理；然后使用中心线提取算法获取消除畸变处理后的图片上线激光中心线的像素坐标；采用整体最小二乘法对获取的特征点进行直线拟合；棋盘格平面方程由于世界坐标系建立在棋盘格所在平面上上，则棋盘格平面方程是已知的，由世界坐标系和相机坐标系间的转换关系和棋盘格平面方程可得棋盘格平面在相机坐标系下的方程；任取所求直线方程上两点A，B，由相机坐标系和像素坐标系的转换关系和棋盘格平面方程可求出A，B两点在棋盘格平面的投影点A′、B′，已知直线上两点坐标，则可求出直线的Plücker矩阵表达式；获取多条光条直线在相机坐标系下的Plücker矩阵，将获得的直线的Plücker矩阵用于拟合平面方程。技术研发人员：舒志成,代少升,朱浩林,任汶皓受保护的技术使用者：重庆邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1