[发明专利]一种虚拟多球体球心定位的TOF深度相机三维坐标标定装置和方法

摘要

本发明涉及一种虚拟多球体球心定位的TOF深度相机三维坐标标定装置和方法，包括三维运动平移台，TOF深度相机，球体目标和背景板；充分利用球体目标在不同测量角度处的各向不变性，采用相互正交的三个一维运动平移台产生三维方向上的若干次运动，构成具有复杂形状的虚拟多球体目标，该目标在TOF深度相机的不同测量角度处不会产生多表面特征，易于对目标中心进行高精度定位，获取虚拟多球体目标的球心三维坐标测量值及空间位置后即可实现对TOF深度相机的三维坐标标定。本发明降低了单次TOF深度相机对球体目标中心点特征识别的难度和测量误差，有效提高TOF深度相机的三维测量精度，并能灵活设置虚拟标准球体的中心位置和球体个数，易于实现全过程高精度自动化标定。

主权项

一种虚拟多球体球心定位的TOF深度相机三维坐标标定方法，其特征在于：所述的标定方法包括以下步骤：(1)首先确定空间坐标系OXYZ，三维运动平移台的三个平移轴定义为X、Y、Z三个方向，坐标原点O定位为TOF深度相机镜头中心，三维运动平移台安装底面定义为XZ平面，与TOF深度相机安装底面平行；Z方向为TOF深度相机光轴方向，与Z方向平移台平移轴运动方向平行；Y方向为三维运动平移台安装底面的垂直方向；X方向为右手坐标系定义的方向；空间坐标系OXYZ与TOF深度相机三维测量坐标系OcXcYcZc之间的三维坐标转换关系如下所示：xcyczc1=nxxnyxnzxpxnxynyynzypynxznyznzzpz0001xwywzw1]]>其中，xc，yc，zc表示空间任意一点在TOF深度相机三维测量坐标系下的坐标，xw，yw，zw表示该点在空间坐标系OXYZ下的坐标，nxx，nxy，nxz表示空间坐标系X轴在TOF深度相机三维测量坐标系下的方向向量，nyx，nyy，nyz表示空间坐标系Y轴在TOF深度相机三维测量坐标系下的方向向量，nzx，nzy，nzz表示空间坐标系Z轴在TOF深度相机三维测量坐标系下的方向向量，px，py，pz表示空间坐标系的坐标原点在TOF深度相机三维测量坐标系下的坐标；(2)调整TOF深度相机和球体目标的初始位置，使得球体目标表面与TOF深度相机镜头表面紧贴，且保证TOF深度相机镜头光轴通过球体目标球心，球体目标半径为R，则初始位置球心位置坐标为Z0＝R；(3)控制Z方向运动平移台带动TOF深度相机沿着Z方向运动，产生Z方向精确位移，到达Z方向确定位置sz，此时，球心位置变为Z1＝sz+R，Z方向运动完成；(4)控制X方向运动平移台和Y方向运动平移台，带动TOF深度相机在sz位置处，在XY平面内进行遍历运动，形成虚拟多球体目标；在XY平面内运动中的每个位置处，球体目标的球心三维空间位置坐标可以由球体半径R以及运动平移台的运动位置唯一确定，如下式所示：Pij(xij,yij,zij)＝Pij(sxij,syij,sz+R)其中，i和j分别为TOF深度相机在XY平面内X方向和Y方向运动的位置序号；Pij(xij,yij,zij)为球体目标球心的三维空间位置坐标，即：球心在空间坐标系OXYZ下的三维坐标；sxij为X方向运动平移台在X方向产生的位移；syij为Y方向运动平移台在Y方向产生的位移；sz为Z方向运动平移台在Z方向产生的位移；R为球体目标的半径；TOF深度相机对球体目标进行三维球心定位测量，首先测量得到球体目标表面各个点的三维测量坐标值：pijk(xijk,yijk,zijk)，其中，k＝1,2,3……,N为球体目标表面测量点的序号，N为球体目标表面测量点的个数；然后对球体目标表面各个点的三维测量坐标值采用最小二乘拟合方法对球体目标的球心坐标进行高精度定位，得到球心在TOF深度相机三维测量坐标系OcXcYcZc下的坐标为：Pij’(xij’,yij’,zij’)，其中，i＝1,2,3,……，j＝1,2,3,……分别为对应的TOF深度相机在XY平面内X方向和Y方向运动的位置序号；(5)遍历整个XY平面，得到该Z方向位置处所有的XY位置处球体目标球心的三维测量值与空间位置坐标，带入上述坐标转换关系中，解线性方程组即实现对TOF深度相机的三维坐标的标定。