[發明專利]基于攝像機和三維激光雷達的外部參數標定方法及系統

無效

• 申請號: 200910235291.1
• 申請日: 2009-09-30
• 公開（公告）號: CN101699313A
• 公開（公告）日: 2010-04-28
• 發明（設計）人: 付夢印;楊建;孟紅
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01S7/497
• 分類號: G01S7/497;G06T7/00
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理事務所(普通合伙) 11270
• 代理人: 張穎玲;王黎延

技術領域

本發明涉及攝像機和三維激光雷達技術，尤指一種基于攝像機和三維激光 雷達的外部參數標定方法及系統。

背景技術

目前，由于可見光攝像機的探測范圍寬、信號豐富，在車輛環境感知的過 程中得到了廣泛的應用，但它易受外界因素影響，存在目標缺失、模糊等問題。 近些年來，隨著激光雷達的逐步發展，使用激光雷達測距已得到廣泛應用，激 光雷達具有測距原理簡單，測量精度高、速度快，不受外界光照條件的影響等 優點，其提供的距離信息和攝像機的色彩信息具有很強的互補性，因此融合兩 者的信息成為當今的研究熱點。這種融合方式可以應用到很多場合，例如環境 感知、障礙檢測、機器人導航、三維重建和紋理映射等。

通常攝像機坐標系和激光雷達坐標系的轉換關系，可以采用公式(1)表示：

m_c＝Rm_l+t????(1)

其中，m_c為攝像機坐標系的點，m_l為激光雷達坐標系的點，標定的目的就 是：確定旋轉矩陣R和平移向量t的值，將二者的坐標統一到同一個坐標系中。

近年來，在攝像機和激光雷達系統外部參數標定方面有很多研究成果，其 中，QiLong?Zhang較早研究了攝像機和二維激光雷達的標定方法，具體是：通 過攝像機和二維激光雷達觀測平面棋盤格時的不同“視圖”，根據特征的約束條 件可以求解出外部參數，建立起激光雷達每個測量值和攝像機中心到標定靶面 的距離之間的幾何約束關系，由于用到的激光雷達是二維的，因此可以假設z 軸坐標為0，從而簡化計算模型，采用非線性方法進一步優化R、t。

劉大學等特制了一塊標定板，在黑色的平面上制作兩個白色等腰直角三角 形，頂點的位置精確已知，通過激光在黑色平面上不反射、在白色平面上反射 的特點，實現雷達數據點和圖像像素點的匹配，就可以實現R、t的標定。

在攝像機和三維激光雷達外部參數標定方面，D.Scaramuzza將三維激光雷 達采集的距離圖像進行變換，使場景自然邊緣更清晰突出；再提取邊緣線條與 攝像機拍攝的相片中檢測出來的邊緣相匹配；最后，通過選擇自然場景中，人 工選擇攝像機圖像和三維激光雷達的距離圖像的對應點，就可以實現外部參數 的標定，這種標定的方法稱作自標定。

Ranjith?Unnikrishnan采用棋盤格作為靶標，進行標定攝像機以及和三維激 光雷達的外部參數，并對結果進行全局優化，得到了很好的效果，但是這種方 法沒有考慮從不同靶標平面計算所得中間量的誤差的影響。

上述所提到的各種方法都沒有考慮到對標定結果中測量誤差進行準確的估 計，從而導致對外部參數旋轉矩陣R的標定不夠準確。

發明內容

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種基于攝像機和三維激光雷達的 外部參數標定方法及系統，使標定結果的準確性得到提高。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

本發明提供了一種基于攝像機和三維激光雷達的外部參數標定方法，該方 法包括：

攝像機拍攝不同位置棋盤格靶標的圖像，建立靶標平面的特征點和對應圖 像平面上的點之間的關系，計算出攝像機的內參數矩陣，從而標定靶標相對于 攝像機坐標系的外部參數旋轉矩陣和平移向量；

將三維激光雷達數據進行處理，得到三維激光雷達坐標系下靶標平面方程 的參數；

根據外部參數旋轉矩陣和平移向量，得到攝像機坐標系原點到不同位置靶 標平面的垂線方向和距離；

根據三維激光雷達坐標系下靶標平面方程的參數，得到三維激光雷達坐標 系原點到不同位置靶標平面的垂線方向；

根據三維激光雷達坐標系原點到不同位置靶標平面的垂線方向，從三維激 光雷達坐標系轉換到攝像機坐標系的轉換關系中測量誤差的協方差，并根據三 維激光雷達坐標系原點到不同位置靶標平面的垂線方向的測量誤差的協方差， 得到轉換關系中測量誤差的協方差中含有攝像機測量噪聲的方差與三維激光雷 達測量噪聲的方差的平方和的算式；

將得到的所有攝像機測量噪聲的方差與三維激光雷達測量噪聲的方差的平 方和的倒數作為加權系數，標定出具有最大似然估計的旋轉矩陣。