專利名稱：一種無重疊視場的相機(jī)與二維激光的標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多傳感器數(shù)據(jù)融合領(lǐng)域中的相機(jī)與二維激光的標(biāo)定。
背景技術(shù)：
在智能機(jī)器人的視覺導(dǎo)航中，使用多傳感器融合技術(shù)，可以得到關(guān)于環(huán)境更加可靠、統(tǒng)一、精細(xì)的描述，以便決策與規(guī)劃及控制。在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時，多傳感器的標(biāo)定是必須解決的問題之一。標(biāo)定一般分為各傳感器自身參數(shù)的標(biāo)定以及多傳感器的聯(lián)合標(biāo)定。各傳感器自身參數(shù)的標(biāo)定是為了保證所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而多傳感器的聯(lián)合標(biāo)定是為了多傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確匹配。在相機(jī)與二維激光掃描儀數(shù)據(jù)融合的技術(shù)中，相機(jī)與二維激光的聯(lián)合標(biāo)定是一個至關(guān)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(biāo)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(diǎn)稀疏，掃描頻率低的缺點(diǎn)。將二者融合，可以彌補(bǔ)各自缺失。近年來，相機(jī)與二維激光掃描儀的數(shù)據(jù)融合技術(shù)成為了研究的熱點(diǎn)。通過合理地建立相機(jī)坐標(biāo)系與激光掃描儀坐標(biāo)系，利用相機(jī)圖像與激光掃描儀深度圖中對應(yīng)點(diǎn)的空間約束求解兩坐標(biāo)系的空間變換關(guān)系。但是目前已有的相機(jī)與激光掃描儀的聯(lián)合標(biāo)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(diǎn)的匹配方法，依賴于掃描物質(zhì)的特性及距離激光的遠(yuǎn)近，同時激光數(shù)據(jù)點(diǎn)的稀疏程度也極大地影響標(biāo)定結(jié)果。2.匹配對的選擇依賴于手動點(diǎn)選，引入的人為誤差無法很好的統(tǒng)計(jì)和控制，精度較低，同時手動點(diǎn)選在時間上花費(fèi)較大。3.要求相機(jī)與激光掃描儀必須有重疊的視場，同時檢測到標(biāo)定物，大大限制了相機(jī)與激光掃描儀的擺放位置。

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


圖1是本發(fā)明提出的聯(lián)合標(biāo)定方法的系統(tǒng)組成圖。圖2是本發(fā)明中所定義的相機(jī)坐標(biāo)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(jī)及其像坐標(biāo)系與棋盤坐標(biāo)系變換關(guān)系示意圖。圖5是本發(fā)明中相機(jī)像與激光標(biāo)定示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。如圖1所示為本發(fā)明所述的相機(jī)與二維激光的標(biāo)定系統(tǒng)組成圖。該系統(tǒng)主要包括:二維激光掃描儀，相機(jī)，平面鏡等。步驟1:采用針孔攝像機(jī)模型考慮透鏡畸變因子，使用傳統(tǒng)的棋盤表格進(jìn)行相機(jī)的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定。在圖像平面內(nèi)，以左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閡軸，豎直方向?yàn)閂軸，單位為像素，由于直角坐標(biāo)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(biāo)系x-y，(x, y)表示以毫米為單位的圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)。在x-y坐標(biāo)系中，原點(diǎn)O1定義在攝像機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)處，設(shè)O1在U-V坐標(biāo)系中的坐標(biāo)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(biāo)系下的坐標(biāo)有以下關(guān)系:
權(quán)利要求
1.一種無重疊視場的相機(jī)與二維激光的標(biāo)定方法，其特征在于，包括二維激光掃描儀、相機(jī)、平面鏡等。
2.權(quán)利要求1所述的一種無重疊視場的相機(jī)與二維激光的標(biāo)定方法，其特征在于，相機(jī)與二維激光掃描儀無重疊視場。
3.—種無重疊視場的相機(jī)與二維激光的標(biāo)定方法，其特征在于，包含以下步驟: 步驟1:采用針孔攝像機(jī)模型考慮透鏡畸變因子，使用傳統(tǒng)的棋盤表格進(jìn)行相機(jī)的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定，得到相機(jī)的內(nèi)參數(shù)矩陣M。
步驟2:合理配置激光掃描儀、相機(jī)、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(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系位姿關(guān)系。標(biāo)定時，棋盤紙平面位于相機(jī)視場范圍內(nèi)，使用harris角點(diǎn)檢測方法確定內(nèi)角點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)，使用高斯牛頓迭代方法求得棋盤坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。
步驟4:可根據(jù)鏡面成像對稱關(guān)系求得棋盤坐標(biāo)系和鏡中相機(jī)像坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。從而可確定實(shí)際相機(jī)與鏡中相機(jī)之間的變換關(guān)系。
步驟5:使用黑色三角形標(biāo)定板，確定相機(jī)像坐標(biāo)系與二維激光掃描儀坐標(biāo)系之間的關(guān)系。
步驟6:由相機(jī)與其像之間的位姿關(guān)系和相機(jī)像與二維激光掃描儀之間的位姿關(guān)系，得到相機(jī)坐標(biāo)系與二維激光掃描儀坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)平移變換矩陣。
4.權(quán)利要求3所述的一種無重疊視場的相機(jī)與二維激光的標(biāo)定方法，其特征在于，步驟5具體步驟如下: 5-1.合理地?cái)[放標(biāo)定板,使二維激光掃描儀與鏡中相機(jī)能夠同時檢測到標(biāo)定板。
5-2.通過輪廓提取逼近三角形的方法得到標(biāo)定板在相機(jī)中成像的三個頂點(diǎn)，檢測激光掃描平面與標(biāo)定板的交線的兩個頂點(diǎn)將圖像中檢測到的三個頂點(diǎn)(圖像坐標(biāo)系)與激光與標(biāo)定板邊緣相交的兩個點(diǎn)(激光坐標(biāo)系)作為一個樣本。
5-3.重復(fù)步驟5-1，5-2，得到足夠的樣本，設(shè)定旋轉(zhuǎn)量和平移量的初值，使用高斯牛頓迭代進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，得到旋轉(zhuǎn)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(jī)與二維激光掃描儀的標(biāo)定方法。標(biāo)定系統(tǒng)包括二維激光掃描儀、相機(jī)、平面鏡等。使用傳統(tǒng)的棋盤表格采用針孔攝像機(jī)模型進(jìn)行相機(jī)的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定。合理配置激光掃描儀、相機(jī)、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(jī)視場范圍內(nèi)，確定棋盤坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系之間的變換矩陣。根據(jù)鏡面成像對稱關(guān)系確定棋盤坐標(biāo)系和鏡中相機(jī)像坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，從而得到了實(shí)際相機(jī)與鏡中相機(jī)之間的變換關(guān)系。通過改變黑色三角形標(biāo)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(jìn)行估計(jì)，得到相機(jī)像坐標(biāo)系與二維激光掃描儀之間的變換矩陣。由相機(jī)與其像之間的位姿關(guān)系和相機(jī)像與二維激光掃描儀之間的位姿關(guān)系，得到相機(jī)坐標(biāo)系與二維激光掃描儀坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)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(quán)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(xué)