[發明專利]基于邊界約束和均值逼近的激光掃描儀與相機標定方法

有效

• 申請號: 201810154520.6
• 申請日: 2018-02-23
• 公開（公告）號: CN108389233B
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 安毅;周曉麗;王磊;李博
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80;G06T5/50
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 王樹本;徐雪蓮

本發明涉及三維點云數據處理與三維場景重建技術領域，一種基于邊界約束和均值逼近的激光掃描儀與相機標定方法，包括以下步驟：(1)制作黑白柵格豎孔標定板，(2)采集點云和圖像，(3)在激光坐標系中利用邊界約束計算區間中心，(4)在激光坐標系中利用均值逼近計算平均中心，(5)在激光坐標系中利用最優逼近計算豎孔中心，(6)在圖像坐標系中利用均值逼近計算豎孔中心，(7)計算點云與圖像的幾何映射關系。本發明利用激光坐標系中的豎孔中心和圖像坐標系中的豎孔中心，來求解幾何映射關系，計算過程簡單，利用邊界約束和均值逼近兩種思想，計算激光坐標系中的豎孔中心，提高了激光坐標系中的豎孔中心的計算精度，使二維激光掃描儀與相機標定更加準確可靠。

技術領域

本發明涉及一種基于邊界約束和均值逼近的激光掃描儀與相機標定方法，屬于三維點云數據處理與三維場景重建技術領域。

背景技術

在數字化現實世界的過程中，三維點云數據記錄了物體表面的幾何屬性和位置信息，二維圖像記錄了物體表面的顏色信息和紋理信息，二者的深度融合，將形成一種新興的數字媒體，即三維彩色點云數據，三維彩色點云數據是三維點云數據的進一步發展，可以更加精確地表述現實世界。在三維激光點云與二維圖像融合過程中，激光掃描儀與相機的標定是決定融合精度的一項最為關鍵的技術，具有較強的理論意義和應用價值，目前已在工業檢測、環境感知、自主導航等領域有了越來越多的應用。

二維激光掃描儀的工作方式為線掃描。每次掃描可以獲取一條由一系列離散點順序組成的離散曲線，又稱為線點云。該線點云位于實際場景與激光掃描平面的交線上。二維激光掃描儀與相機的標定主要是指：利用二維激光掃描儀和相機掃描拍攝三維場景，分別獲取場景的點云和圖像，確定激光坐標系中點云與圖像坐標系中圖像之間的幾何映射關系，以獲取每一個激光掃描點所對應的像素點。

目前，激光掃描儀與相機的標定方法主要有以下三種：1)利用激光掃描儀與相機的安裝結構實現標定，該方法主要使用固定裝置將激光掃描儀與相機進行固定安裝，并在實驗環境下通過標定得到激光掃描儀與相機的結構關系，從而完成激光掃描儀與相機的標定；2)利用三維激光點云與二維圖像中的直線或平面特征實現標定，該方法主要是對三維點云與二維圖像中的直線特征進行提取，利用相機光心與直線特征構造平面，通過求取點云中對應直線端點到達該平面的最小距離來求解相機的內部參數和外部參數，進而實現激光掃描儀與相機的標定；3)利用激光角點的回波反射圖與圖像相似性實現標定，該方法利用激光角點的回波反射強度將點云制成反射圖，并根據反射圖與紋理圖像之間的相似性求解幾何映射關系，從而實現激光掃描儀與相機的標定。

與本發明相近的標定方法為發明人前期研發的一種三維激光點云與二維圖像的融合方法，已申請發明專利，專利申請號為201610420484.4。本發明與之不同之處在于：1)在激光坐標系中，同時利用豎孔的上邊界和下邊界，來構建豎孔中心的位置約束區間矩陣，并計算區間中心，區間中心是豎孔中心的一個逼近；2)在激光坐標系中，利用均值逼近方法，計算平均中心，平均中心是豎孔中心的另一個逼近；3)在激光坐標系中，利用區間中心和平均中心，通過最優逼近方法，計算豎孔中心。因此，本發明在標定方法上有了很大的改進，提升了激光坐標系下豎孔中心計算的準確度，使二維激光掃描儀與相機的標定更加精確可靠。

發明內容

為了進一步提高二維激光掃描儀與相機標定的精度，本發明目的是提供一種基于邊界約束和均值逼近的激光掃描儀與相機標定方法。本發明是在利用二維激光掃描儀和相機掃描拍攝三維場景時，為二維激光掃描儀和相機提供一種標定方法，以求解激光坐標系中點云與圖像坐標系中圖像之間的幾何映射關系，從而實現激光掃描儀點云與相機圖像之間的準確融合，實時獲取場景的三維彩色點云數據。

為了實現上述發明目的，解決已有技術中存在的向題，本發明采取的技術方案是：一種基于邊界約束和均值逼近的激光掃描儀與相機標定方法，包含以下步驟：