[發明專利]一種基于激光雷達和雙目可見光相機聯合測量方法

有效

• 申請號: 201810240140.4
• 申請日: 2018-03-22
• 公開（公告）號: CN108828606B
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 曹劍中;胡國良;周祚峰;郭惠楠;黃會敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G01S17/02
• 分類號: G01S17/02;G01S17/06;G01S7/40;G01C11/00;G01C25/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 胡樂

本發明提供一種基于激光雷達和雙目可見光相機聯合測量方法，能夠簡便、高效地獲得目標更加準確和稠密的三維信息。該聯合測量方法將激光雷達假設成一個具有固定內參的相機設備，將三維點云數據直接投影為二維圖像，采用圖像處理的方法，利用二維圖像之間的匹配標定出激光雷達設備和雙目相機之間的旋轉、平移關系；其中創新性的引入求矩陣范數和矩陣跡的思想進行旋轉矩陣的求解；最終將激光雷達和雙目立體視覺點云數據融合，不但可以獲得精確的位置和姿態信息，而且可以重建出目標表面特殊的紋理、特征信息，這對于軍用領域中的航天器交匯對接，敵對衛星捕獲等、以及民用領域中的工件測量、無人駕駛等都有很高的應用價值。

技術領域

本發明屬于雷達與視覺測量技術領域，涉及一種三維信息測量的方法。

背景技術

雙目視覺主要研究如何利用計算機實現人眼的功能，即利用二維投影圖像實現對客觀世界三維場景的感知、識別和理解。隨著計算機技術的迅速發展，人們對三維模型的需求越來越多。雙目立體視覺測量工作原理是由不同位置的兩臺拍攝一幅場景，根據空間點在兩幅圖像中的視差，獲得該點的三維坐標值。

視覺測量系統經過長期發展，已經出現了多種先進的圖像處理方法。但是視覺系統仍然只能在工程環境，如工業化或者實驗室場景中使用。在對測量精度要求嚴格的場景中，例如衛星的自主交匯對接和避障中，非合作航天器或衛星的捕獲中，極小的誤差就會導致災難性的后果，這種情況下，視覺系統還不能作為主要手段單獨使用。視覺測量系統的限制來源于測量原理的限制，不管通過主動照明或者被動光源，測量結果往往過于依賴于反射光的強度，因此這種測量方式在敏感的照明條件下，對于成像中的弱紋理區域，物體特征提取與匹配很難實現，導致測量不準確。

激光雷達又稱激光掃描儀，是一種新興的遙感手段，它利用激光測距原理，通過實時的激光束空間角位移來獲取目標物表面點的三維坐標信息。三維激光掃描技術集光、機、電等各種技術于一身，它是傳統測繪計量技術經過精密的傳感工藝整合和多種現代高科技手段集成而發展起來的，是對多種傳統測繪技術的概括及一體化。三維激光掃描技術是一門新興的測繪技術，是測繪領域GPS技術之后的又一次技術革命。由于技術上突破了傳統的單點測量方法，其最大特點就是精度高、速度快、逼近原形，是目前國內外測繪領域研究關注的熱點之一。

激光雷達測量系統與雙目視覺測量系統相比，雖然單點測量精度更高，但如果對整個目標場景掃描，則存在相對數據稀疏、掃描頻率相對低的缺點，而且激光雷達只對距離信息敏感，對紋理不敏感，所以激光雷達點云數據缺失紋理信息，而且缺少表面特殊特征或顏色信息。

中國專利文獻CN 107421465 A(一種基于激光跟蹤儀的雙目視覺拼接方法)提出了采用激光跟蹤儀(并不是激光雷達測量系統)和雙目視覺系統進行三維數據拼接的方法。激光跟蹤儀實質相當于一臺能激光干涉測距和自動跟蹤測角測距的全站儀，區別之處在于它沒有望遠鏡。激光跟蹤儀的關鍵設備是反射器靶標，造價比較昂貴，為一種光學逆反射器，它把所有沿光軸方向入射的光線沿原路反射回去，進入干涉系統，與參考光發生干涉實現對位移的高精度測量。激光跟蹤儀根據接收回來的光束在位置檢測器上的偏差來帶動轉鏡轉動，直至入射光通過目標反射鏡的中心，使系統重新達到跟蹤平衡狀態。此方案中對于目標的測量完全是依靠雙目視覺系統，為了解決遮擋現象，圍繞目標旋轉雙目系統，重建出多組三維點云數據。引入激光跟蹤儀的目的，是將多組雙目點云數據全部轉換到統一的激光跟蹤儀坐標系下，從而實現目標的全部表面的三維重建。為了實現多組點云的融合，系統必須先要獲得相機和激光跟蹤儀之間的旋轉、平移關系，該方法分別建立激光跟蹤儀坐標系，發射器靶標坐標系，雙目相機坐標系三個坐標系，通過分別標定出激光跟蹤儀與靶標坐標系的位置關系，雙目相機與靶標坐標系之間的位置關系，進而求出激光跟蹤儀和雙目相機坐標系之間的位置關系，為后續的點云數據拼接做準備。此方法中使用的反射器靶標造價昂貴，無法使用很多，這樣對于雙目相機和靶標坐標系的標定是非常不利的，因為使用的特征點太少，而且占整個相機成像視場太小，相機標定的精度不會很高。工業中對于表面紋理信息不是非常豐富的工件(比如純色的)進行測量，使用雙目視覺測量手段也是很難實現的，雙目特征誤匹配率非常高。