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Dec 28, 2023

広範囲のライン構造光視覚センサの精密測定

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7234 (2023) この記事を引用 502 アクセス メトリクスの詳細 高精度と広い測定範囲は、1 台の 3 次元スキャナの目標です。

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7234 (2023) この記事を引用

502 アクセス

メトリクスの詳細

高精度と広い測定範囲は、1 台の 3 次元スキャナーでも実現できます。 線構造光視覚センサの場合、測定精度はその校正結果、つまりカメラ座標系における光面の数式の決定に依存します。 しかし、校正結果は局所的な最適解となるため、広い範囲を高精度に測定することは困難です。 この論文では、広い測定範囲を備えたライン構造光視覚センサの正確な測定方法とそれに対応する校正手順を説明します。 移動範囲150mmの電動直線移動ステージと、加工精度0.05mmの定盤である平面ターゲットを使用します。 直線移動ステージと平面ターゲットの助けを借りて、レーザーストライプの中心点と垂直/水平距離の間の関係を与える関数が得られます。 光縞の画像を取得すると、正規化された特徴点から正確な測定結果を得ることができます。 従来の測定方法と比べて歪み補正が不要となり、測定精度が大幅に向上します。 実験の結果、提案した方法による測定結果の二乗平均平方根誤差は、従来の方法に比べて64.67%減少することがわかりました。

3 次元ライン構造ライトビジョンセンサー (LSLVS) は、通常、1 つのイメージセンサーとラインレーザープロジェクターで構成されます。 広い測定範囲、高精度、情報抽出の容易さなどから工業用計測分野で広く使用されています。 これらの LSLVS は、その構造に応じて 2 つのカテゴリに分類できます。

最初のカテゴリでは、イメージ センサーは通常のレンズを備えた通常のカメラです1、2。つまり、画像面はレンズ面と平行です。 イメージセンサーとレーザープロジェクターの関係は不変であり、測定の過程で三角測量が行われます。 関係が決定されると空間点を確認できます。これは LSLVS のキャリブレーションとして知られています。

これまで、LSLVS には多くの校正方法がありました。 これらの方法は、レーザー平面上の特徴点を取得する方法に応じて、3D ターゲットベースの方法、平面ターゲットベースの方法、および 1D ターゲットベースの方法の 3 つのカテゴリに分類できます3。

3D ターゲットベースの手法では、近年、幾何学的特徴が広く使用されています。 Xiao et al.4は、構造化光平面の消失点と光の投影角度を取得する目的で、3Dターゲット、つまり非常に正確な金属立方体を制御し、純粋な並進運動を正確に行うための追加機能を使用しました。平面投影法は、消失点と、画像座標系の x 軸上の構造化光平面の切片であるベースラインから解決されました。 Yang et al.5 は、2 つの正確に見える平行面を持つ 3D ターゲットを使用して、構造化光面上に 2 本の平行線を取得し、いくつかの消失点が得られると、構造化光面の法線ベクトルを推定することができました。 ベースラインが交差比の不変性に基づいて解決されると、構造化光平面の校正が完了しました。 残念ながら、3D ターゲットベースの方法 6、7、8 は、ターゲットの異なる平面間の相互遮蔽の問題と特徴点の数の少なさのため、十分な精度が得られません。 さらに、3D ターゲットは通常、いくつかの特別なアクセサリを備えた立方体ですが、正確に作成するのが難しく、現場での校正が面倒です。

LSLVS のキャリブレーションには、平面ターゲット ベースの方法がより利用可能です。 Wei ら 9,10 は、チェッカーボード パターンの平面ターゲットを利用してキャリブレーションを完了しました。 二重交差比の不変性に基づいて、光のストライプとチェッカーボードの交点は、各チェッカーボードの正確に既知のサイズとして画像座標系で取得できます。 これにより、光平面上の十分な特徴点が得られる。 関連するフィッティングアルゴリズムに従って、カメラ座標系の下での光面の表現を計算することができます。 Liu et al.11 は、平面ターゲット上の光のストライプを表現するための Plücker マトリックスに基づく新しい方法を提案しました。 ターゲットがいくつかの異なる位置にある場合、光の縞のプリュッカー行列を取得できます。 そして、得られたプリュッカー行列を組み合わせることで光面の表現を解くことができる。 Wei et al.12 は、消失特徴に基づいて LSLVS を校正しています。 光の縞とターゲット面の消失点の交点から光面の消失点を求めることができます。 平面ターゲットを十分に異なる位置に移動すると、消失線だけでなく光面の法線ベクトルも計算できます。 平面ターゲットのサイズは正確にわかっているため、パラメータ D を結果的に推定することができます。 次に,カメラ座標系の下でのライトプレーンの機能を決定した。