专利名称：轮廓测量系统的校准的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于校准测量系统的方法，该系统包括光源、光学装置和传感器。该光 源适合产生光平面，而该光学装置被定位在该光平面和该传感器之间。该方法被执行是为 了获得从传感器上至少一个点到到该光平面中至少一个点的映射。该方法包括步骤接通 光源以便产生该光平面和在该光平面中的第一映射位置中引入映射校准轮廓，其中该映射 校准轮廓包括形成直线的至少三个点。本发明还涉及可以在这种校准方法中使用的校准物体。
背景技术：
为了测量物体轮廓的尺寸，可以使用测距摄像机。测距摄像机通常包括光源和传 感器，其中该光源适合于在待测量物体上产生光平面。再有，光学装置一般被定位在该传感 器和该物体之间以便聚焦从物体反射到传感器上的光。光源、物体和传感器一般被定位在 相互离开一定的距离上，以便使它们每个形成假想的三角形的角。传感器在传感器平面中延伸，并可以被本领域熟练技术人员认识到，为了能确定 轮廓的尺寸，需要从传感器平面中的点到光平面中的点的映射，以便使传感器平面中的坐 标可以被变换到真实世界的坐标。获得这种映射的过程一般被称为测距摄像机的校准。除 别的因素以外，主要是由于未知的映射的标度、未知的该光平面相对于传感器的投影畸变 和未知的前述光学装置的畸变，因此这种校准一般借助参考物体的测量而被确定。为此，现有技术建议执行前述校准的各种方式。例如，Zjhang的文献名为“A flexible new technique for camera calibration. "IEEETransactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22 (11) : 1330-1334，2000，建议把两维图形，诸如方 格棋盘放置在光平面的假设延伸中，尽管光源已经被关闭。图形至少可以被放置在两个位 置，其中至少一个位置是在光平面的延伸中，以便使校准可以被执行。然而，因为如上文建 议那样，在校准过程期间，光源已经被关闭，自然存在图形被无意识地放置在光平面的延伸 之外的风险，这将削弱校准的结果。此外，前述方法是基于光源产生的光平面是完美的平面 的假设，该假设不总是必然真实的，而该假设也可以削弱校准过程的结果。另外，现有技术教导说，校准物体可以被放在光平面中的多个预定位置中，而从传 感器平面到光平面的映射是通过使用该多个位置的图像以及关于前述位置的信息完成的。 然而，这种校准过程要求校准物体的位置可以被适当精确地确定，这种校准过程一般导致 校准物体的定位是通过使用运动试验台完成的。除去使用时的昂贵和麻烦不说，运动试验 台还存在它要求围绕光平面的空间的缺点，由于例如靠近测距摄像机的空间有限，该空间 不总是可提供的。如从以上可以了解到的，需要进一步改进测距摄像机的校准过程，该改进至少消 除上文定义的现有技术校准过程的缺点之一。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种测距摄像机校准方法，该方法不要求使用运动试
验台ο本发明的第二个目的是提供一种测距摄像机校准方法，该方法可以计及由测距摄 像机产生的光平面的扩展。本发明的第三个目的是提供一种测距摄像机校准方法，该方法可以计及从传感器 平面到测距摄像机的光平面的线性以及非线性映射。本发明的第四个目的是提供一种测距摄像机校准方法，该方法可以被用于校准提 供大的光平面的测距摄像机。至少一个前述目的是通过用于校准按照权利要求1的测量系统的方法达到的。这样，本发明涉及一种用于校准测量系统的方法，该系统包括光源、光学装置和传 感器。该光源适合于产生光平面，而该光学装置被定位在该光平面和该传感器之间。该方法被 执行是为了获得从传感器上至少一个点到光平面中至少一个点的映射，且该方法包括步骤-接通该光源以便使该光平面被产生，和-在该光平面中的第一映射位置中引入映射校准轮廓，其中该映射校准轮廓包括 形成直线的至少三个点。按照本发明，该方法还包括步骤-通过使用该映射校准轮廓的该至少三个点，计算从该传感器的至少第一部分到 该光平面的至少第一部分的非线性映射；-在该光平面中的第一单对应性位置中引入单对应性(homography)校准轮廓，其 中该单对应性校准轮廓包括其间相对距离已被预先确定的至少四个点，和-根据该单对应性校准轮廓的该至少四个点，计算从该传感器的至少第一部分到 该光平面的至少第一部分的单对应性。因此，由于本发明的方法只要求关于校准轮廓上的点之间相对距离的信息，所以 校准轮廓受控定位的需要已经被缩减并甚至被消除。此外，由于映射校准轮廓以及单对 应性校准轮廓已经被引入实际光平面中，不存在对不在光平面中的虚构平面确定映射的风 险，如上文的讨论，这种风险当使用如z. aiang所建议的方法的情形下是可能存在的。按照本发明的校准方法的一个实施例，该方法还包括步骤-改变该映射轮廓的位置为连续的映射位置；和-使用关于来自每一个该连续映射位置的映射校准轮廓的至少三个点的信息，以 便计算该非线性映射。当确定非线性映射时，改变映射轮廓的位置并且使用关于每一个位置的信息，增 加非线性映射的精确度。即使在视场大于校准物体的情形下，也能用校准测量覆盖全部视 场。按照本发明的校准方法的另一个实施例，改变映射轮廓的位置为连续的映射位置 的步骤被执行，以便使该连续映射位置被随机地选择。这样，由于映射位置可以被随机地选 择，不需要映射轮廓的受控定位，这一点表明，连续的映射位置可以按简单的方式，例如简 单地用手工改变映射轮廓的位置而获得。按照本发明的校准方法的另一个实施例，该方法还包括步骤
-改变单对应性轮廓的位置为连续的单对应性位置；和-使用关于来自每一个连续单对应性位置的单对应性校准轮廓的至少四个点的信 息，以便计算该单对应性。至于非线性映射，这增加了单对应性的精确度。按照本发明的校准方法的另一个 实施例，改变单对应性轮廓的位置为连续的单对应性位置的步骤被执行，以便使连续单对 应性位置被随机地选择。按照本发明的校准方法的另一个实施例，该映射校准轮廓包括至少三个点被定位 在其上的平的表面。按照本发明的校准方法的另一个实施例，该单对应性校准轮廓包括有预定尺寸的 锯齿形部分，其中至少四个点被定位在该锯齿形部分上。按照本发明的校准方法的另一个实施例，该单对应性校准轮廓沿形成轮廓校准平 面的纵向维度和竖直维度延伸，其中当单对应性轮廓在单对应性位置中时，该轮廓校准平 面适合于基本上与该光平面平行，该单对应性校准轮廓还沿基本上垂直于该轮廓校准平面 的横向维度延伸，该单对应性校准轮廓还包括至少两条直的控制线，其中每一条控制线与 所述横向维度形成角度，该方法还包括步骤通过利用控制线确定轮廓校准平面相对于光 平面的轮廓倾斜的测量。按照本发明的校准方法的另一个实施例，该方法还包括步骤在计算该单对应性 时，补偿该轮廓倾斜。按照本发明的校准方法的另一个实施例，该光学装置包括光轴且该传感器在有传 感器法线方向的平面中延伸，而其中该光轴与该传感器法线方向形角，其 中该方法还包括步骤在生成从该传感器上至少一个点到该光平面中至少一个点的映射 时，补偿该Scheimpflug角。按照本发明的校准方法的另一个实施例，该光源是激光源，以便使所述光平面是 激光平面。按照本发明的校准方法的另一个实施例，该映射校准轮廓和该单对应性校准轮廓 被定位在单个校准物体上。本发明的第二方面涉及一种计算机程序产品，包括含有在计算机或处理器中可执 行的计算机程序代码的计算机程序，以便实施本发明的方法的步骤，所述产品被存储在计 算机可读媒体或载波上。计算机程序可以包括在计算机或处理器中可执行的计算机程序代码，该计算机程 序适合于从传感器接收信号，并实施如上面所描述方法的计算步骤，其中该计算机程序可 存储在计算机可读存储媒体上或可由载波分配。本发明的第三方面涉及一种电子控制单元，包括按照本发明第二方面的计算机程 序产品，并被安排执行按照本发明的校准方法。本发明的第四方面涉及一种测量系统，包括第一光源、传感器和按照本发明第三 方面的电子控制单元。本发明的第五方面涉及一种包括单对应性校准轮廓的校准物体，该校准物体又包 括由多个齿构成的锯齿形部分。每一个齿包括基座部分，该基座部分在校准平面中向齿尖 部分延伸，而该校准物体还有基本上垂直于校准平面延伸的横向维度。按照本发明的第二方面，该单对应性校准轮廓还包括至少两条控制线，每一条控制线与该横向维度形成角度。按照本发明的第五方面的一个实施例，该至少两条控制线被定位在齿的基座部分 和齿尖部分之间。按照本发明的第五方面的另一个实施例，该至少两条控制线的每一条被定位在齿 之一的齿尖部分上，使该齿尖部分有与横向维度形成角度的延伸。
本发明将在本文下面借助非限制例子参照附图进一步解释，其中图1是测距型测量系统的示意透视图；图2是从本发明的方法获得的映射的示意流程图；图3是图1测量系统在确定非线性映射的步骤被执行时的示意透视图；图4A和4B示出非线性映射已被执行之前和之后的直的轮廓的图像；图5A和5B示出非线性映射已被执行之前和之后的多条直的轮廓的图像；图6是图1测量系统在确定线性映射的步骤被执行时的示意透视图；图7A到7C示出光平面中多个虚构的点如何在理想的传感器平面中被映射和被使 用；图8A和8B示出当轮廓相对于光平面分别是平行的和倾斜的时候，该光平面如何 与校准轮廓相交；图9示出按照本发明的单对应性校准轮廓；图10和11示出图9单对应性校准轮廓的一部分；图12示出当图9单对应性校准轮廓被插入光平面时的一部分；图13示出图9单对应性校准轮廓；图14是从本发明的方法的实施例获得的映射的示意过程图；和图15是测量系统的示意侧视图，其中它的传感器相对于它的光学装置倾斜。
具体实施例方式本发明将在下面以实施例举例说明。然而，应当理解，被包含的实施例是为了解释 本发明的原理，而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书限定。图1示出测距型测量系统10。系统10包括光源12和传感器14。光源12适合于 以入射光平面18照亮测量物体16，该光平面也可以被称为光的片。传感器14适合于检测 从测量物体16反射的光20，并根据该反射光20生成图像。再有，系统10最好包括适合于 被定位在传感器14和测量物体16之间的光学装置22。图1中的光学装置22被示意地示 出为一个单透镜，但其他光学设备当然是可能的。再有，该测量系统最好设有电子控制单元 24，以适合于存储和/或分析由传感器14记录的图像。最好是，该系统还包括观察装置沈， 如显示器装置，适合于显示记录的图像和/或由电子控制单元M生成的图像。图1中还示 出总的或真实世界的分别有X、Y和Z维度的坐标系统。光源12适合于生成光平面18或光的片，且可以是合适该应用的任何类型，例如激 光、发光二极管(LED)、普通的灯(灯泡)等等，这些都是本领域熟练技术人员熟知的，本文 将不再描述。然而，光源12最好适合于产生激光，使该光平面18是激光平面。再有，图1示出该光平面18沿第一和第二光平面维度延伸。在图1所示的例子中，第一光平面 维度&平行于X维度而第二光平面维度\平行于总坐标系统的Z维度。然而，在图1所示 测量系统10的其他实施方案中，光平面18可以被取向，使它不平行于X、Y和Z维度的任何一个。操作期间，测量物体16 —般相对于测量系统10沿移动的第一方向，在图1中是Y 方向，移动。为此，测量物体16可以例如被放在传送带(未画出)或任何类似的设备上。任 选地，测量物体16可以是静止的而代之以测量系统10适合于相对于测量物体16移动。自 然，上面两种替代方案的组合当然也是可能的。传感器14最好是CMOS传感器，但本领域熟练技术人员应懂得，本发明可以被应用 于其他类型的传感器，诸如CCD传感器或适合根据从物体反射的光生成物体的图像的任何 其他传感器。如从图1可以发现的，传感器14 一般在有传感器纵向维度ν和传感器横向维 度u的传感器平面中延伸。传感器横向维度u最好基本上垂直于移动的第一方向Y。如本领域熟练技术人员可以理解到，为了根据从传感器14获得的信息而获得物 体16的正确的总坐标，即沿X、Y和Z维度的坐标，需要从传感器维度U、ν到X、Y和Z维度 的映射。然而，应当指出，从光平面18到X、Y和Z维度的映射可以使用传统中的映射技术 容易获得，因为这种映射简单地涉及把在总坐标系统中的取向已知的平面上的点，映射到 X、Y和Z维度。这样，按照本发明的映射方法并如在下文所给出的，最好可以约化为获得从 传感器维度u、v中的坐标到光平面维度\、\中对应的坐标的映射方法，就是说，约化为获 得从传感器平面15到光平面18的映射方法。关于从传感器平面15到光平面18的映射，这种映射可以被认为包括三个子映射， 即单对应性或线性映射H，非线性映射D和固有参数映射K。这样，对光平面18中的点X， 传感器平面15中对应的点u可以用公式表示为u KD (HX)方程 1一旦按照方程1的映射已经被获得，其中定义的表达式可以被逆变换，以获得从 传感器平面15到光平面18的映射，即X 『Ι-1 (Γ1 (u))方程 2如从以上可以认识到，需要确定子映射K、D和H，以便获得如方程1或方程2任一 个中定义的映射。在许多应用中，固有参数映射K可以被假设为单元映射(unitymapping)，即K = 1 而不致削弱校准的结果。使用前述假设，光平面18中点X到传感器平面15中的对应点u 的映射可以用公式表示为u D(HX)方程 3和X (u)方程 4从下文的描述将看到，本发明的某些实施例也针对其中固有参数映射K被实际上 计及的情况。由方程3所规定的从光平面18到传感器平面15的映射，在图2中被示出，其中映 射D和H被示出。这样，单对应性或线性映射H把光平面18映射到有维度u、v的虚构的理 想传感器平面，而非线性映射D接着把理想传感器平面映射到有维度f、 ；的畸变的传感器平面，因为尚未考虑固有参数映射K，所以在本情形中，该畸变的传感器平面与实际传感 器平面15相同。上文关于平面和映射所定义的专门用语，除非另外指出，在下文的描述继 续遵从。为了确定映射D和H，本发明建议一种用于校准测量系统的方法，该方法包括步 骤-接通光源12，以便使光平面18被产生；-在光平面18中的第一映射位置中引入映射校准轮廓观，其中该映射校准轮廓观 包括形成直线的至少三个点；-通过使用映射校准轮廓观的该至少三个点，计算从传感器14的至少第一部分到 光平面18的至少第一部分的非线性映射D—1 ；-在光平面18中的第一单对应性位置中引入单对应性校准轮廓32，其中该单对应 性校准轮廓32包括其间相对距离已被预先确定的至少四个点，和-根据单对应性校准轮廓32的该至少四个点，计算从传感器14的至少第一部分到 光平面18的至少第一部分的单对应性H—1。上文所定义的方法将在下面详细解释，以该方法关于非线性映射的步骤开始。除别的因素以外，由于光学装置22将引入从测量物体16反射到传感器14的光20 的畸变这一事实，非线性映射对如图1所示测量系统10是需要的。这种畸变可以因光学装 置22的不规则性，如因光学装置透镜的制造容差引起，但也可以因构成光学装置的透镜的 形状一般是弯曲的，如凸的，它当反射光20通过光学装置22时自动地产生反射光20的非 线性变换这一事实引起。图3示出图1的测量系统10，其中，映射校准轮廓观已经被引入光平面18。再有， 图3中的测量系统的光学装置和传感器被以一个单独的单元17示出。在图3中，映射校准 轮廓观被定位在映射校准物体30上。映射校准轮廓观包括形成直线的至少三个点，并在 图3所示映射校准轮廓观的实施方案中，该映射校准轮廓观事实上包括平的表面，使在本 情形中的映射校准轮廓观包括连续的直线。然而，应当指出，当确定非线性映射时，映射校 准轮廓观的其他实施方案，例如，包括构成直线(未画出)上分立点的三个点或多个点的 轮廓观，也是可行的。图4A示出如果反射光20在碰到传感器14之前遭受非线性变换，图3所示映射校 准轮廓观是如何被成像的。如从图4A可以发现，非线性变换导致映射校准轮廓观的直线 被成像为传感器14上弯曲的线观‘。因此，图4A所示的图像的非线性变换是需要的，使映 射校准轮廓观被代之以成像为如图4B所示的直的线2 "。取决于当确定非线性变换，诸如从图4A到图4B的非线性变换时被考虑的非线性 变换，映射可以变化。纯粹作为例子，如果透镜畸变被建模，非线性映射可以按下面的方式 确定。首先，参看图4A，畸变的传感器平面被定义为有畸变维度^iiT,而从畸变的传感器平 面到理想的传感器平面的变换可以用公式表示为U=u+Fd(U,方程 5其中
和U= - 0 , v = v-v0 , Γ =Vm2+ν2，δ = [k1 k2, P1, P2, M0 , ，其中 S0 和 P0 定 义畸变的传感器平面坐标中的畸变中心。因此，建立从畸变的传感器平面到理想的传感器平面的变换可以被认为是确定δ 参数的适当的值。纯粹作为例子，S参数的适当的值可以利用优化过程获得，该优化过程 选择导致在理想传感器平面中的尽可能直的线观“的δ参数。为此，需要一种有关线观〃的直线度的直线度测量(measurers，为了获得δ参 数的较佳集合，可以分析该直线度测量MS。就此而言，本发明的发明人已经了解到，如果假 设线观“由多个点{pj构成-而该假设总是可能做到的-则适当的直线度测量可以按照 下式被定义MS = f 方程 7其中λ工是主方向中点{pj的坐标的变化，该主方向是理想传感器平面中导致点{Pi} 的最大变化的方向，和λ 2是垂直于该主方向的方向中点{;Pi}的坐标的变化。如从上文直线度测度MS的定义可以了解到，完美的直线有零的直线度测量MS,而 半圆形的线将有0.5的直线度测量MS。此外，本领域熟练技术人员可以理解到，用于获得 δ参数的适当值的过程，可以用公式表示为最小化问题，即
权利要求
1.一种用于校准测量系统(10)的方法，该系统(10)包括光源(12)、光学装置02)和 传感器(14)，其中所述光源(1 适合于产生光平面(18)，而所述光学装置0 被定位在 所述光平面(18)和所述传感器(14)之间，其中所述方法被执行，为的是获得从所述传感器 (14)上至少一个点到所述光平面(18)中至少一个点的映射，所述方法包括步骤-接通所述光源(1 ，以便使所述光平面(18)被产生；-在所述光平面(18)中的第一映射位置中引入映射校准轮廓( )，其中所述映射校准 轮廓08)包括形成直线的至少三个点；特征在于，该方法还包括步骤-通过使用所述映射校准轮廓08)的所述至少三个点，计算从所述传感器(14)的至少 第一部分到所述光平面(18)的至少第一部分的非线性映射；-在所述光平面(18)的第一单对应性位置中引入单对应性校准轮廓(32)，其中所述单 对应性校准轮廓(3 包括其间相对距离已被预先确定的至少四个点，和-根据所述单对应性校准轮廓(3 的所述至少四个点，计算从所述传感器(14)的至少 第一部分到所述光平面(18)的至少第一部分的单对应性。
2.按照权利要求1的方法，其中所述方法还包括步骤-改变所述映射轮廓08)的位置为连续的映射位置；和-使用关于来自每一个所述连续映射位置的所述映射校准轮廓08)的所述至少三个 点的信息，以便计算所述非线性映射。
3.按照权利要求2的方法，其中改变所述映射轮廓08)的位置为所述多个连续映射位 置的所述步骤被执行，以便使所述连续映射位置被随机地选择。
4.按照权利要求1到3任一项的方法，其中所述方法还包括步骤-改变所述单对应性轮廓(3 的位置为连续的单对应性位置；和-使用关于来自每一个所述连续单对应性位置的所述单对应性校准轮廓(3 的所述 至少四个点的信息，以便计算所述单对应性。
5.按照权利要求4的方法，其中改变所述单对应性轮廓(3 的位置为所述多个连续的 单对应性位置的所述步骤被执行，以便使所述连续单对应性位置被随机地选择。
6.按照前面权利要求任一项的方法，其中所述映射校准轮廓08)包括所述至少三个 点被定位在其上的平的表面。
7.按照前面权利要求任一项的方法，其中所述单对应性校准轮廓(3 包括有预定尺 寸的锯齿形部分，其中至少四个点被定位在所述锯齿形部分上。
8.按照前面权利要求任一项的方法，其中所述单对应性校准轮廓(3 沿形成轮廓校 准平面(P')的纵向维度和竖直维度延伸，其中当所述单对应性轮廓(3 是在单对应性位 置中时，所述轮廓校准平面(P')适合于基本上与所述光平面(18)平行，所述单对应性校 准轮廓(3 还沿基本上垂直于所述轮廓校准平面(P')的横向维度(y')延伸，所述单对 应性校准轮廓(3 还包括至少两条直的控制线(38，40)，其中每一条所述控制线(38，40) 与所述横向维度)形成角度，所述方法还包括步骤通过利用所述控制线(38，40)，确 定所述轮廓校准平面(P')相对于所述光平面(18)的轮廓倾斜的测量。
9.按照权利要求8的方法，其中所述方法还包括步骤在计算所述单对应性时，补偿所 述轮廓倾斜。
10.按照前面权利要求任一项的方法，其中所述光学装置0 包括光轴，且所述传感 器(14)在有传感器法线方向的平面中延伸，而其中所述光轴与所述传感器法线方向形成 kheimpf Iug角，其中所述方法还包括步骤在生成从所述传感器(14)上至少一个点到所 述光平面(18)中至少一个点的所述映射时，补偿所述kheimpflug角。
11.按照前面权利要求任一项的方法，其中所述光源(1 是激光源，使所述光平面是 激光平面。
12.按照前面权利要求任一项的方法，其中所述映射校准轮廓08)和所述单对应性校 准轮廓(3 被定位在单个校准物体(30)上。
13.计算机程序，包括在计算机或处理器中可执行的计算机程序代码，所述计算机程序 适合于从传感器(14)接收信号，并实施按照权利要求1-12任一项的方法的计算步骤，所述 计算机程序可存储在计算机可读存储媒体上或可由载波分配。
14.电子控制单元(M)，特征在于，它包括按照权利要求13的计算机程序，并被安排执 行按照权利要求1-12任一项的校准方法。
15.一种测量系统(10)，包括第一光源(12)和传感器(14)，特征在于，所述测量系统 (10)包括按照权利要求14的电子控制单元04)。
16.一种校准物体，包括单对应性校准轮廓(32)，该单对应性校准轮廓(3 又包括由 多个齿(34，36)构成的锯齿形部分，其中每一个所述齿包括基座部分(34b，36b)，该基座部 分(34b，36b)在校准平面(P')中向齿尖部分(34' ,36')延伸，所述校准物体还有基本 上垂直于所述校准平面(P')延伸的横向维度(y')，特征在于，所述单对应性校准轮廓 (32)还包括至少两条控制线(38，40)，每一条所述控制线(38，40)与所述横向维度(y') 形成角度。
17.按照权利要求16的校准物体，其中所述至少两条控制线(38，40)被定位在所述基 座部分(34b，36b)和所述齿的所述齿尖部分(34' ,36')之间。
18.按照权利要求16的校准物体，其中所述至少两条控制线(38，40)中的每一条被定 位在所述齿(34，36)之一的所述齿尖部分(34' ,36')之上，以便使所述齿尖部分有与所 述横向维度(y')形成角度的延伸。
全文摘要
一种用于校准测量系统的方法，该系统包括被构成的光源、光学装置和传感器。该光源适合于产生光的平面或片，而该光学装置被定位在该光平面和该传感器之间。该方法被执行以便获得从传感器到光平面的映射。在该方法中，光源被接通，以便使该光平面被产生。为了计及由光学装置产生的畸变，映射校准轮廓被引入该光平面中，其中该映射校准轮廓包括形成直线的至少三个点。其后，通过使用该至少三个点，计算从传感器到光平面的非线性映射。下一步，为了计及投影的畸变，单对应性校准轮廓被引入该光平面中，其中该单对应性校准轮廓包括其间相对距离已被预先确定的至少四个点。然后，根据该四个点计算从传感器到光平面的单对应性。在这种方法中使用的校准物体也被给出。
文档编号G01B11/25GK102132125SQ200980132731
公开日2011年7月20日 申请日期2009年7月2日 优先权日2008年7月4日
发明者H·特贝尔, R·安德森 申请人:西克Ivp股份公司
专业数控铣床产品供应商
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