專利名稱：一種無重疊視場的相機與二維激光的標定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多傳感器數(shù)據(jù)融合領域中的相機與二維激光的標定。
背景技術：
在智能機器人的視覺導航中，使用多傳感器融合技術，可以得到關于環(huán)境更加可靠、統(tǒng)一、精細的描述，以便決策與規(guī)劃及控制。在進行數(shù)據(jù)融合時，多傳感器的標定是必須解決的問題之一。標定一般分為各傳感器自身參數(shù)的標定以及多傳感器的聯(lián)合標定。各傳感器自身參數(shù)的標定是為了保證所采集數(shù)據(jù)的準確性，而多傳感器的聯(lián)合標定是為了多傳感器數(shù)據(jù)的準確匹配。在相機與二維激光掃描儀數(shù)據(jù)融合的技術中，相機與二維激光的聯(lián)合標定是一個至關重要的環(huán)節(jié)。視覺傳感器探測范圍寬，信號豐富，但易受外界影響，對環(huán)境光照變化敏感，存在目標缺失、模糊等問題。激光受外部環(huán)境變化影響小，但存在數(shù)據(jù)點稀疏，掃描頻率低的缺點。將二者融合，可以彌補各自缺失。近年來，相機與二維激光掃描儀的數(shù)據(jù)融合技術成為了研究的熱點。通過合理地建立相機坐標系與激光掃描儀坐標系，利用相機圖像與激光掃描儀深度圖中對應點的空間約束求解兩坐標系的空間變換關系。但是目前已有的相機與激光掃描儀的聯(lián)合標定方法存在不少問題:1.一般采用的通過尋找黑白格交錯信息完成視覺和二維激光數(shù)據(jù)點的匹配方法，依賴于掃描物質的特性及距離激光的遠近，同時激光數(shù)據(jù)點的稀疏程度也極大地影響標定結果。2.匹配對的選擇依賴于手動點選，引入的人為誤差無法很好的統(tǒng)計和控制，精度較低，同時手動點選在時間上花費較大。3.要求相機與激光掃描儀必須有重疊的視場，同時檢測到標定物，大大限制了相機與激光掃描儀的擺放位置。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有相機與二維激光標定方法的不足，提出一種精度高的相機與二維激光聯(lián)合標定方法。本發(fā)明采用如下技術方案:一種無重疊視場的相機與二維激光的標定系統(tǒng)，包括二維激光掃描儀、相機、平面鏡等。一種無重疊視場的相機與二維激光的標定方法，包括以下步驟:步驟1:采用針孔攝像機模型考慮透鏡畸變因子，使用傳統(tǒng)的棋盤表格進行相機的內參數(shù)標定，得到相機的內參數(shù)矩陣M。步驟2:合理配置激光掃描儀、相機、平面鏡之間的關系，且在平面鏡上貼一張黑白相間的棋盤表格。
步驟3:確定鏡面棋盤坐標系與相機坐標系位姿關系。標定時，棋盤紙平面位于相機視場范圍內，使用harris角點檢測方法確定內角點在圖像坐標系的坐標,使用高斯牛頓迭代方法求得棋盤坐標系和相機坐標系之間的旋轉矩陣R和平移矩陣T。步驟4:根據(jù)鏡面成像對稱關系求得棋盤坐標系和鏡中相機像坐標系之間的變換關系，從而可確定實際相機與鏡中相機之間的變換關系。步驟5:使用黑色三角形標定板，確定相機像坐標系與二維激光掃描儀坐標系之間的關系。其中的詳細步驟如下:5-1.合理地擺放標定板,使二維激光掃描儀與鏡中相機能夠同時檢測到標定板。5-2.通過輪廓提取逼近三角形的方法得到標定板在相機中成像的三個頂點，檢測激光掃描平面與標定板的交線的兩個頂點，將圖像中檢測到的三個頂點(圖像坐標系)與激光與標定板邊緣相交的兩個點(激光坐標系)作為一個樣本。5-3.重復步驟5-1，5-2，得到足夠的樣本，設定旋轉量和平移量的初值，使用高斯牛頓迭代進行最優(yōu)估計，得到旋轉和平移矩陣。步驟6:由相機與其像之間的位姿關系和相機像與二維激光掃描儀之間的位姿關系，得到相機坐標系與二維激光掃描儀坐標系之間的旋轉平移變換矩陣。本發(fā)明的優(yōu)點有:1.相機與二維激光掃描儀沒有重疊的視場，兩者數(shù)據(jù)融合具有更大的視場范圍。2.無須手動點選匹配對，只需進行標定區(qū)域的選擇，提高了標定的自動化程度，具有標定快速性，自動化的特點。3.本發(fā)明具有較高的標定精度，為后期的相機與二維激光掃描儀的數(shù)據(jù)融合奠定了基礎。


圖1是本發(fā)明提出的聯(lián)合標定方法的系統(tǒng)組成圖。圖2是本發(fā)明中所定義的相機坐標系。圖3是本發(fā)明中使用的棋盤示意圖。圖4是本發(fā)明中相機及其像坐標系與棋盤坐標系變換關系示意圖。圖5是本發(fā)明中相機像與激光標定示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進行進一步說明。如圖1所示為本發(fā)明所述的相機與二維激光的標定系統(tǒng)組成圖。該系統(tǒng)主要包括:二維激光掃描儀，相機，平面鏡等。步驟1:采用針孔攝像機模型考慮透鏡畸變因子，使用傳統(tǒng)的棋盤表格進行相機的內參數(shù)標定。在圖像平面內，以左上角為坐標原點，水平方向為u軸，豎直方向為V軸，單位為像素，由于直角坐標系U-V只表示了數(shù)字圖像中像素所處的行數(shù)和列數(shù)，而沒有用物理單位表示出該像素在圖像中的位置，需要再建立已物理單位表示的坐標系x-y，(x, y)表示以毫米為單位的圖像坐標系的坐標。在x-y坐標系中，原點O1定義在攝像機光軸與圖像平面的交點處，設O1在U-V坐標系中的坐標為(Utl, V0)，每一個像素在X軸和y軸方向上的物理尺寸大小為dx，dy，則在圖像中每一個像素在兩個坐標系下的坐標有以下關系:
權利要求
1.一種無重疊視場的相機與二維激光的標定方法，其特征在于，包括二維激光掃描儀、相機、平面鏡等。
2.權利要求1所述的一種無重疊視場的相機與二維激光的標定方法，其特征在于，相機與二維激光掃描儀無重疊視場。
3.—種無重疊視場的相機與二維激光的標定方法，其特征在于，包含以下步驟: 步驟1:采用針孔攝像機模型考慮透鏡畸變因子，使用傳統(tǒng)的棋盤表格進行相機的內參數(shù)標定，得到相機的內參數(shù)矩陣M。
步驟2:合理配置激光掃描儀、相機、平面鏡，且在平面鏡上貼一張黑白相間的棋盤表格。
步驟3:確定鏡面棋盤坐標系與相機坐標系位姿關系。標定時，棋盤紙平面位于相機視場范圍內，使用harris角點檢測方法確定內角點在圖像坐標系的坐標，使用高斯牛頓迭代方法求得棋盤坐標系和相機坐標系之間的旋轉矩陣R和平移矩陣T。
步驟4:可根據(jù)鏡面成像對稱關系求得棋盤坐標系和鏡中相機像坐標系之間的變換關系。從而可確定實際相機與鏡中相機之間的變換關系。
步驟5:使用黑色三角形標定板，確定相機像坐標系與二維激光掃描儀坐標系之間的關系。
步驟6:由相機與其像之間的位姿關系和相機像與二維激光掃描儀之間的位姿關系，得到相機坐標系與二維激光掃描儀坐標系之間的旋轉平移變換矩陣。
4.權利要求3所述的一種無重疊視場的相機與二維激光的標定方法，其特征在于，步驟5具體步驟如下: 5-1.合理地擺放標定板,使二維激光掃描儀與鏡中相機能夠同時檢測到標定板。
5-2.通過輪廓提取逼近三角形的方法得到標定板在相機中成像的三個頂點，檢測激光掃描平面與標定板的交線的兩個頂點將圖像中檢測到的三個頂點(圖像坐標系)與激光與標定板邊緣相交的兩個點(激光坐標系)作為一個樣本。
5-3.重復步驟5-1，5-2，得到足夠的樣本，設定旋轉量和平移量的初值，使用高斯牛頓迭代進行最優(yōu)估計，得到旋轉和平移矩陣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無視場重疊的相機與二維激光掃描儀的標定方法。標定系統(tǒng)包括二維激光掃描儀、相機、平面鏡等。使用傳統(tǒng)的棋盤表格采用針孔攝像機模型進行相機的內參數(shù)標定。合理配置激光掃描儀、相機、平面鏡，在平面鏡上貼一張黑白相間的棋盤表格，棋盤表格位于相機視場范圍內，確定棋盤坐標系和相機坐標系之間的變換矩陣。根據(jù)鏡面成像對稱關系確定棋盤坐標系和鏡中相機像坐標系之間的變換關系，從而得到了實際相機與鏡中相機之間的變換關系。通過改變黑色三角形標定板的位置和姿態(tài)，選取足夠的觀測次數(shù)以獲得足夠的觀測樣本，使用高斯牛頓迭代方法進行估計，得到相機像坐標系與二維激光掃描儀之間的變換矩陣。由相機與其像之間的位姿關系和相機像與二維激光掃描儀之間的位姿關系，得到相機坐標系與二維激光掃描儀坐標系之間的旋轉平移變換矩陣。
文檔編號G06T7/00GK103177442SQ20131006783
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權日2013年3月4日
發(fā)明者葉平, 孫漢旭, 賈慶軒, 杜宇楠, 竇仁銀 申請人:北京郵電大學