一种基于空间球的两个三维点云采集系统外参数标定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于空间球的两个三维点云采集系统外参数标定方法，包括以下步骤：S1：根据两个三维点云采集系统的位置建立外参数标定模型；S2：获取预先设定的标定位置分别在每个三维点云采集系统的三维点云数据；S3：根据所述外参数标定模型和所述三维点云数据建立外参数标定的非线性目标函数；S4：优化所述非线性目标函数得到两个三维点云采集系统的外参数估计值，本发明专利技术提供的基于空间球的两个三维点云采集系统外参数标定方法解决了现有方法中标定物尺寸参数难以精确测量的问题，提高了外参数估计的精度。

An external parameter calibration method of two 3D point cloud acquisition systems based on space sphere

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间球的两个三维点云采集系统外参数标定方法
本专利技术属于测绘
，具体涉及一种基于空间球的两个三维点云采集系统外参数标定方法。
技术介绍
随着信息时代各行各业对空间数据需求的日益增长，常规的数据采集方式已经不能满足信息化需要，在测绘系统，数字城市三维重建，逆向工程中，测量的数据从二维形式向三维形式转换，三维点云数据采集作为系统的基础成为必不可少的部分，其数据采集的精度直接影响到系统整体的精度。基于Kinect传感器的三维点云采集系统是目前常用的采集系统，而两个三维点云采集系统之间外参数的标定，是对这些三维点云采集系统坐标系之间的刚体变换参数进行估计，它是对不同三维点云采集系统所获取的点云数据进行信息融合的基础。目前，基于Kinect的两个三维点云采集系统外参数标定方法比较少，现有的方法多数针对摄像机和三维激光扫描仪外参数标定方法。例如，赵松等人提出了一种基于三维立体标定靶的摄像机与三维激光扫描仪外参数标定方法，该方法采用立体标定靶作为标定物，利用牛顿迭代法进行非线性参数优化。然而，该方法标定精度受立体标定靶的标志特征点精度影响，且牛顿迭代法受初值影响较大；同时，现有方法多数需要给定标定物的相关尺寸，而实际标定过程通常难以对标定物的相关尺寸进行精确测量，使得现有标定方法的外参数估计精度较低。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于空间球的两个三维点云采集系统外参数标定方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种基于空间球的两个三维点云采集系统外参数标定方法，包括以下步骤：S1：根据两个三维点云采集系统的位置建立外参数标定模型；S2：获取预先设定的标定位置分别在每个三维点云采集系统的三维点云数据；S3：根据所述外参数标定模型和所述三维点云数据建立外参数标定的非线性目标函数；S4：优化所述非线性目标函数得到两个三维点云采集系统的外参数估计值。在本专利技术的一个实施例中，所述外参数标定模型为：其中，(x1,y1,z1)T表示扫描点P在第一三维点云采集系统的坐标系下的坐标，(x2,y2,z2)T表示扫描点P在第二三维点云采集系统坐标系下的坐标，R为3×3的旋转矩阵，表示第二三维点云采集系统的坐标系到第一三维点云采集系统坐标系的姿态关系，t＝(tx,ty,tz)T为3×1的平移向量，表示第二三维点云采集系统的坐标系到第一三维点云采集系统坐标系的位置关系。在本专利技术的一个实施例中，所述旋转矩阵R的表达式为：R＝R(φ,θ,ψ)＝Rot(Z,φ)Rot(Y,θ)Rot(X,ψ)；其中，φ表示横滚角，θ表示俯仰角，ψ表示偏转角，X、Y、Z表示坐标轴，Rot(X,ψ)表示绕X轴旋转ψ角，Rot(Y,θ)表示绕Y轴旋转θ角，Rot(Z,φ)表示绕Z轴旋转φ角，φ、θ、ψ的取值范围分别为φ∈[-180°,180°)，θ∈[-90°,90°]和ψ∈[-180°,180°)。在本专利技术的一个实施例中，步骤S2包括：S21：将标定球固定放置于预先设定的标定位置，将所述标定球球心OS在第一三维点云采集系统坐标系下的坐标表示为ps＝(xS,yS,zS)T，并设定所述标定球半径为r；S22：获取所述标定球在第一三维点云采集系统中的三维点云数据{Pi1}(i＝1,2,…,N1)，其中，N1为第一三维点云采集系统获取的所述标定球上的扫描点数，所述标定球上的点Pi1在第一三维点云采集系统坐标系下的三维坐标测量值表示为pi1＝(xi1,yi1,zi1)T；S23：获取不同云台偏转角αk(k＝1,2,…,N)下所述标定球在第二三维点云采集系统中的三维点云数据{Pjk2}(j＝1,2,…,Nk2)，其中，N为第二三维点云采集系统的不同云台偏转角个数，Nk2为第k个云台偏转角下第二三维点云采集系统所获取的标定球上扫描点数；所述标定球上的点Pjk2在第二三维点云采集系统坐标系下的三维坐标测量值表示为pjk2＝(xjk2,yjk2,zjk2)T。在本专利技术的一个实施例中，步骤S3包括：根据所述外参数标定模型、所述标定球球心OS在第一三维点云采集系统坐标系下的坐标ps、所述标定球半径r、所述标定球上的点Pi1在第一三维点云采集系统坐标系下的三维坐标测量值pi1以及所述标定球上的点Pjk2在第二三维点云采集系统坐标系下的三维坐标测量值pjk2建立外参数标定的非线性目标函数。在本专利技术的一个实施例中，所述非线性目标函数为：其中，||·||表示欧氏范数。在本专利技术的一个实施例中，步骤S4包括：S41：利用SHADE算法对所述非线性目标函数中的模型参数进行优化得到优化结果；S42：将所述优化结果作为旋转矩阵R和平移向量t的估计值，得到两个三维点云采集系统的外参数估计值。在本专利技术的一个实施例中，步骤S41包括：S411：初始化SHADE算法；S412：设置成功交叉概率集合成功尺度因子集合适应度函数值偏差集合S413：计算当前代每个个体的交叉概率以及尺度因子FiG和其中，Nmax表示种群数量；S414：对所述当前代个体进行变异操作，以产生Nmax个变异个体(i＝1,2,…,Nmax)；S415：将所述变异个体其父代个体进行交叉操作，以生成新的交叉个体S416：对所述当前代个体与其对应产生的交叉个体进行选择操作，保留适应度函数值较小的个体以构成下一代种群；S417：更新种群，并将迭代次数增加1；S418：若判断所述当前迭代次数G达到预设最大迭代次数Gmax，则输出第Gmax次迭代后的所有个体否则，重复步骤S412～S417。在本专利技术的一个实施例中，步骤S42包括：将所述第Gmax次迭代后的所有个体中具有最小适应度的个体作为最小化目标函数的最优解；其中，的前3维分量为所述两个三维点云采集系统外参数中旋转矩阵R所对应的三个RPY姿态角(φ,θ,ψ)的估计值，的第4到第6维分量为外参数中的平移向量t估计值。本专利技术的有益效果：1、本专利技术提供的基于空间球的两个三维点云采集系统外参数标定方法通过建立两个三维点云采集系统外参数的非线性目标函数，然后进行优化，以实现两个三维点云采集系统外参数的估计，解决了现有方法中标定物尺寸参数难以精确测量的问题，提高了外参数估计的精度；2、本专利技术通过云台偏转运动获取不同偏转角下的标定球点云数据，能够有效抑制两个三维点云采集系统测量噪声对外参数标定精度的影响，从而进一步提高了该方法对于两个三维点云采集系统外参数的标定精度。以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种基于空间球的两个三维点云采集系统外参数标定方法流程示意图；图2是本专利技术实施例提供的两个三维点云采集系统外参数标定示意图；图3是本专利技术实施例提供的两个三维点云采集系统外参数标定问题描述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间球的两个三维点云采集系统外参数标定方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：根据两个三维点云采集系统的位置建立外参数标定模型；/nS2：获取预先设定的标定位置分别在每个三维点云采集系统的三维点云数据；/nS3：根据所述外参数标定模型和所述三维点云数据建立外参数标定的非线性目标函数；/nS4：优化所述非线性目标函数得到两个三维点云采集系统的外参数估计值。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于空间球的两个三维点云采集系统外参数标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据两个三维点云采集系统的位置建立外参数标定模型；
S2：获取预先设定的标定位置分别在每个三维点云采集系统的三维点云数据；
S3：根据所述外参数标定模型和所述三维点云数据建立外参数标定的非线性目标函数；
S4：优化所述非线性目标函数得到两个三维点云采集系统的外参数估计值。


2.根据权利要求1所述的两个三维点云采集系统外参数标定方法，其特征在于，所述外参数标定模型为：



其中，(x1,y1,z1)T表示扫描点P在第一三维点云采集系统的坐标系下的坐标，(x2,y2,z2)T表示扫描点P在第二三维点云采集系统坐标系下的坐标，R为3×3的旋转矩阵，表示第二三维点云采集系统的坐标系到第一三维点云采集系统坐标系的姿态关系，t＝(tx,ty,tz)T为3×1的平移向量，表示第二三维点云采集系统的坐标系到第一三维点云采集系统坐标系的位置关系。


3.根据权利要求2所述的两个三维点云采集系统外参数标定方法，其特征在于，所述旋转矩阵R的表达式为：
R＝R(φ,θ,ψ)＝Rot(Z,φ)Rot(Y,θ)Rot(X,ψ)；
其中，φ表示横滚角，θ表示俯仰角，ψ表示偏转角，X、Y、Z表示坐标轴，Rot(X,ψ)表示绕X轴旋转ψ角，Rot(Y,θ)表示绕Y轴旋转θ角，Rot(Z,φ)表示绕Z轴旋转φ角，φ、θ、ψ的取值范围分别为φ∈[-180°,180°)，θ∈[-90°,90°]和ψ∈[-180°,180°)。


4.根据权利要求2所述的两个三维点云采集系统外参数标定方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21：将标定球固定放置于预先设定的标定位置，将所述标定球球心OS在第一三维点云采集系统坐标系下的坐标表示为ps＝(xS,yS,zS)T，并设定所述标定球半径为r；
S22：获取所述标定球在第一三维点云采集系统中的三维点云数据{Pi1}(i＝1,2,…,N1)，其中，N1为第一三维点云采集系统获取的所述标定球上的扫描点数，所述标定球上的点Pi1在第一三维点云采集系统坐标系下的三维坐标测量值表示为pi1＝(xi1,yi1,zi1)T；
S23：获取不同云台偏转角αk(k＝1,2,…,N)下所述标定球在第二三维点云采集系统中的三维点云数据{Pjk2}(j＝1,2,…,Nk2)，其中，N为第二三维点云采集系统的不同云台偏转角个数，Nk2为第k个云台偏转角下...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪霖，潘庆曼，彭进业，廖成峰，李艳艳，姜博，周延，汪照阳，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61