攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定方法，涉及物體三維信息圖像處理，是一種利用可折疊的標(biāo)定板完成攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定的方法，折疊式標(biāo)定板是由矩形黑白小平面相間拼接成的可展開(kāi)可折疊的長(zhǎng)平面，使用時(shí)將其展開(kāi)，展開(kāi)的角度可自由調(diào)整；采用Matlab相機(jī)標(biāo)定工具箱來(lái)進(jìn)行攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定；構(gòu)建攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀系統(tǒng)；放置折疊式標(biāo)定板并選擇系統(tǒng)最少采集信息次數(shù)完成標(biāo)定；攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀分別采集和處理圖像信息和二維信息；將處理后的攝像機(jī)信息與二維激光測(cè)距儀信息一一匹配進(jìn)行聯(lián)合標(biāo)定；利用Levenberg-Marquardt算法優(yōu)化標(biāo)定結(jié)果，完成標(biāo)定工作。
【專利說(shuō)明】攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的技術(shù)方案涉及物體三維信息圖像處理，具體地說(shuō)是攝像機(jī)與二維激光測(cè) 距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀的聯(lián)合應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛于三維信息獲取、機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 信息和三維重建等技術(shù)中。二維激光測(cè)距儀可以直接測(cè)量到物體的二維信息，并且測(cè)量精 度高，而攝像機(jī)能獲得包括顏色和形狀等信息的圖片；如果能聯(lián)合使用攝像機(jī)與二維激光 測(cè)距儀，將它們的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，將可以獲得被測(cè)量物體更加豐富和全面的信息，并且提高 測(cè)量的精確性和簡(jiǎn)化信息處理過(guò)程。然而，要將攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用，首先就 要將攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀進(jìn)行標(biāo)定處理。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，進(jìn)行標(biāo)定處理所用的標(biāo)定板在應(yīng)用于攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀標(biāo)定 時(shí)有著不少缺陷。如文獻(xiàn)Q.ZhangandR.Pless,"Extrinsiccalibrationofacamera andlaserrangefinder(Improvescameracalibration)，''inIEEE/RSJInternational ConferenceonIntelligentRobotsandSystems，vol.3,2004，pp. 2301 - 2306.提出了 用棋盤(pán)格作為標(biāo)定板?，F(xiàn)在用的最多的也是zhang的方法，首先其完成一次標(biāo)定最少需 要5次棋盤(pán)格數(shù)據(jù)，使得測(cè)量過(guò)程繁瑣；其次，由于標(biāo)定過(guò)程需要計(jì)算攝像機(jī)外參數(shù)，當(dāng)棋 盤(pán)格距離攝像機(jī)距離較遠(yuǎn)時(shí)，其外參數(shù)計(jì)算很容易受到影響，棋盤(pán)格的擺放位置也會(huì)直接 影響標(biāo)定結(jié)果；再次，由于標(biāo)定過(guò)程需要計(jì)算攝像機(jī)外參數(shù)，標(biāo)定板又要放到較遠(yuǎn)的位置， 一般距二維激光測(cè)距儀1?2米，這使得棋盤(pán)格標(biāo)定板規(guī)格較大，不易于攜帶做室外測(cè)量 實(shí)驗(yàn)；最后由于不同的二維激光測(cè)距儀的掃描角度不同，在放置標(biāo)定板時(shí)要放置在合理的 掃描角度內(nèi)，這個(gè)放置位置需要多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不合理要重新擺放。文獻(xiàn)G.Li,Y.Liu，L. Dong,X.Cai,andD.Zhou,"Analgorithmforextrinsicparameterscalibrationofa cameraandalaserrangefinderusinglinefeatures,''inIEEE/RSJInternational ConferenceonIntelligentRobotsandSystems, 2007,pp. 3854 - 3859.提出了用等腰直 角三角形作為標(biāo)定板，該方法也需要最少5次數(shù)據(jù)才能完成標(biāo)定，并且該方法首先需要大 致估計(jì)標(biāo)定結(jié)果，用該結(jié)果作為初值，再利用建立的約束方程求解最終標(biāo)定結(jié)果，導(dǎo)致估計(jì) 的初值對(duì)最后標(biāo)定結(jié)果影響較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外 參數(shù)標(biāo)定方法，利用可折疊的標(biāo)定板完成攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo) 定，克服了現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量過(guò)程繁瑣、精確度較差、標(biāo)定板規(guī)格較大不易于攜帶和標(biāo)定過(guò)程中 估計(jì)的初值對(duì)最后標(biāo)定結(jié)果影響較大的缺陷。
[0005] 本發(fā)明解決該技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用 時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定方法，是一種利用可折疊的標(biāo)定板完成攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用 時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定的方法，步驟如下：
[0006] 第一步，設(shè)計(jì)折疊式標(biāo)定板：
[0007] 攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定方法中所用的標(biāo)定板為折疊 式標(biāo)定板，是由2?10塊50cmX30cm的矩形的黑白小平面相間拼接而成的一個(gè)長(zhǎng)平面，該 長(zhǎng)平面可展開(kāi)可折疊，使用時(shí)將其展開(kāi)，展開(kāi)的角度可自由調(diào)整；
[0008] 第二步，采用Matlab相機(jī)標(biāo)定工具箱來(lái)進(jìn)行攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定：
[0009] 攝像機(jī)采用的是針孔攝像機(jī)，準(zhǔn)備一張黑白棋盤(pán)格的圖片，規(guī)格為包括13X10個(gè) 黑白棋盤(pán)格方格，每個(gè)黑白棋盤(pán)格的大小為2cmX2cm，用需要標(biāo)定的攝像機(jī)從不同角度拍 攝15張圖片，進(jìn)行角點(diǎn)檢測(cè)，計(jì)算出需要標(biāo)定的攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)，內(nèi)參數(shù)包括X軸和y軸的 焦距fx、fy和成像主點(diǎn)（u。，V。)，內(nèi)參數(shù)K為
[0010]

【權(quán)利要求】
1.攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定方法，其特征在于：是一種利用 可折疊的標(biāo)定板完成攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定的方法，步驟如 下： 第一步，設(shè)計(jì)折疊式標(biāo)定板： 攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定方法中所用的標(biāo)定板為折疊式標(biāo) 定板，是由2?10塊50cmX30cm的矩形的黑白小平面相間拼接而成的一個(gè)長(zhǎng)平面，該長(zhǎng)平 面可展開(kāi)可折疊，使用時(shí)將其展開(kāi)，展開(kāi)的角度可自由調(diào)整； 第二步，采用Matlab相機(jī)標(biāo)定工具箱來(lái)進(jìn)行攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定： 攝像機(jī)采用的是針孔攝像機(jī)，準(zhǔn)備一張黑白棋盤(pán)格的圖片，規(guī)格為包括13X10個(gè)黑白 棋盤(pán)格方格，每個(gè)黑白棋盤(pán)格的大小為2cmX2cm，用需要標(biāo)定的攝像機(jī)從不同角度拍攝15 張圖片，進(jìn)行角點(diǎn)檢測(cè)，計(jì)算出需要標(biāo)定的攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)，內(nèi)參數(shù)包括x軸和y軸的焦距 fx、fy和成像主點(diǎn)（u。，vQ)，內(nèi)參數(shù)K為
第三步，構(gòu)建攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀系統(tǒng)： 將第二步標(biāo)定的攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀固定在一個(gè)需要聯(lián)合使用的位置，一旦固定 完成，該攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀的相對(duì)位置不能發(fā)生變化，固定完成后即攝像機(jī)與二維 激光測(cè)距儀系統(tǒng)構(gòu)建完成，待進(jìn)行攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定； 第四步，放置折疊式標(biāo)定板，并選擇系統(tǒng)最少采集信息次數(shù)完成標(biāo)定： 將第一步設(shè)計(jì)好的折疊式標(biāo)定板展開(kāi)，放置在第三步構(gòu)建的攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀 系統(tǒng)前1?2米的位置，攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀系統(tǒng)每次采集信息，需要將折疊式標(biāo)定板 放置在不同位置，通過(guò)折疊式標(biāo)定板的黑白小平面的個(gè)數(shù)來(lái)選擇上述攝像機(jī)與二維激光測(cè) 距儀系統(tǒng)完成標(biāo)定所需要采集信息的次數(shù)，標(biāo)定攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀最少需要8條黑 白相間線，所用折疊式標(biāo)定板有n多2個(gè)黑白小平面，則需要采集8An-l)向上取整數(shù)次 的信息完成標(biāo)定，例：折疊式標(biāo)定板有4個(gè)黑白小平面則需要采集3次信息完成標(biāo)定，折疊 式標(biāo)定板有9個(gè)黑白小平面則需要采集1次信息完成標(biāo)定； 第五步，攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀的聯(lián)合使用，分別采集和處理圖像信息和二維信 息： 攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀系統(tǒng)開(kāi)始工作，攝像機(jī)拍攝圖像，二維激光測(cè)距儀掃描二維 信息，設(shè)空間有一點(diǎn)P，則該點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)表示為Pe，該點(diǎn)在二維激光測(cè)距儀 坐標(biāo)系下表示為激光點(diǎn)PS該點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)表示為p，攝像機(jī)坐標(biāo)系與二維激光 測(cè)距儀坐標(biāo)系的變換關(guān)系：Pe=R?Pl+t其中R、t分別為兩坐標(biāo)系變換的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移 向量即外參數(shù)， 將攝像機(jī)拍攝的圖像導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，在matlab中對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，通過(guò)hough變換直線檢測(cè)算法來(lái)提取圖像中黑白相間的直線1，每一條直線的方程都可以表示為 ax+by+c = 0的形式，設(shè)1=[abc]，將直線方程的系數(shù)由向量i保存，上述的激光點(diǎn)Pl將 位于該直線1上， 二維激光測(cè)距儀掃描距離信息，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，設(shè)二維激光測(cè)距儀掃描 到的距離為r，二維激光測(cè)距儀的坐標(biāo)系x=rcos9，y=rsin0，z= 0,則二維激光測(cè)距儀 坐標(biāo)系的點(diǎn)坐標(biāo)為激光啟
，由平面間空間幾何關(guān)系，二維激光測(cè)距儀在平面檢測(cè) 到一系列點(diǎn)，其中黑白平面相間處即黑白相間的直線的點(diǎn)的y坐標(biāo)會(huì)是極大值或極小值， 將這些在黑白相間直線上的激光點(diǎn)提取出來(lái)，將這些激光點(diǎn)由向量P1保存； 第六步，將處理后的攝像機(jī)信息與處理后的二維激光測(cè)距儀信息一一匹配，進(jìn)行兩者 的聯(lián)合標(biāo)定： 將第五步處理后的攝像機(jī)信息與處理后的二維激光測(cè)距儀信息一一匹配，進(jìn)行兩者的 聯(lián)合標(biāo)定，方法如下： 在圖像坐標(biāo)系中，圖像上的點(diǎn)為
，則其齊次坐標(biāo)表示為
圖像坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換關(guān)系為P= 其中A為尺度因子，K 為第二步中求得的攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)，Pe為點(diǎn)P在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其坐標(biāo)表示為
將第五步中計(jì)算機(jī)提取到的圖像中黑白相間的直線1和檢測(cè)到的位于該直線1上的激 光點(diǎn)妒一一對(duì)應(yīng)匹配，攝像機(jī)坐標(biāo)系與二維激光測(cè)距儀坐標(biāo)系的變換關(guān)系為
其中R、t分別為兩坐標(biāo)系變換的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，也即最終標(biāo)定的結(jié)果，
由于在二維激光坐標(biāo)系中zi= 0,所以二維激光坐標(biāo)系中激光點(diǎn)P1的齊次坐標(biāo)表示為
則攝像機(jī)坐標(biāo)系與二維激光測(cè)距儀坐標(biāo)系的變換關(guān)系可表示為
因此圖像坐標(biāo)系與二維激光測(cè)距儀坐標(biāo)系的變換關(guān)系可表示為
用第六步求得的H作為初值進(jìn)行非線性優(yōu)化，優(yōu)化后得到標(biāo)定結(jié)果H，經(jīng)過(guò)變換后即得 到攝像機(jī)坐標(biāo)系與二維激光測(cè)距儀坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量t，該標(biāo)定工作完成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定方法，其特 征在于：所述折疊式標(biāo)定板是由2?10塊50cmX30cm的黑色矩形塑料板和白色矩形塑料 板按順序相間拼接而成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述攝像機(jī)與二維激光測(cè)距儀聯(lián)合使用時(shí)的外參數(shù)標(biāo)定方法，其特 征在于：所述折疊式標(biāo)定板有n多2個(gè)黑白小平面，其中n= 2?9。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104484887SQ201510025241
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2015年1月19日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月19日
【發(fā)明者】胡釗政, 趙斌, 張?zhí)m, 柏東芳, 夏克文, 劉國(guó)忠, 李冰 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)