一种线阵相机与2D激光扫描仪联合标定方法技术

本发明专利技术公开一种线阵相机与2D激光扫描仪联合标定方法，属于测量距离、水准或者方位技术领域，用于线阵相机与2D激光扫描仪联合标定，包括制作混合标定靶标并建立靶标坐标系，搭建实验平台，以三维坐标测量系统坐标系为总体坐标参考基准，线阵标定数据采集，基于交比不变得到特征点的世界坐标与像点对应关系，建立线阵相机成像模型，两步标定法解算相机标定内外参数，借助相机与靶标间外参数将线阵相机坐标系归算到总体坐标参考基准下，根据扫描仪与相机点坐标转换基本方程，通过靶标平面法向量构建几何约束，经过非线性优化方法，精确求解两个传感器间外参数。解两个传感器间外参数。解两个传感器间外参数。

【技术实现步骤摘要】
一种线阵相机与2D激光扫描仪联合标定方法


[0001]本专利技术公开一种线阵相机与2D激光扫描仪联合标定方法，属于测量距离、水准或者方位


技术介绍

[0002]基于摄影测量的检测技术以及基于移动激光扫描的检测技术极大的提高了隧道巡检的效率，一般将工业相机与2D激光扫描仪通集成在隧道检测车上，快速采集隧道衬砌表面的图像与点云数据，对病害进行识别并维护。为了将图像与点云数据进行数据融合，得到更精细准确的隧道实景三维模型，需要对这两个传感器进行联合标定，得到相机与2D激光扫描仪之间的外参数。
[0003]线阵相机由于其分辨率高、扫描频率快、1维成像等特点，适用于隧道这种狭长且连续的检测场景，但同样也由于线阵相机在静止状态下只采集一条线，图像是重复的单条扫描线组成，难以确定像点对应的特征点，现有的线阵相机标定方法一般基于交比不变性原理，通过设计相应的图案，求解特征点世界坐标来解决此问题，进而实现线阵相机静态标定。
[0004]在相机和激光扫描仪外参数联合标定方面，目前的研究主要集中在面阵相机和3D激光扫描仪的标定，以及面阵相机和2D激光扫描仪的标定。通常使用基于标定物的方法进行面阵相机与3D激光扫描仪的联合标定，如将平面棋盘格、正方体、或者球等目标物，放在面阵相机与3D激光扫描仪的公共视场中，分别提取图像与点云中点、线、面等对应特征，构建几何约束，求解外参数。特别的，2D激光扫描仪单次扫描只能得到一条周围环境的轮廓线，在这条线状点云上难以找到特征或者公共点。在现有的面阵相机与2D激光扫描标定方法中，一般通过2D激光扫描仪与面阵相机观测带有棋盘格的标定物或者V型板，找到平面的法向量，建立传感器之间的几何约束进而求解。
[0005]由于线阵相机与2D激光扫描仪特殊的数据采集模式，导致两传感器数据之间完全没有公共部分，更难找到线阵相机图像和2D激光扫描仪线状点云数据之间直接对应的特征以及几何约束，因此，对于集成了线阵相机以及2D激光扫描仪的系统，两个传感器之间的联合标定仍然存在困难。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种线阵相机与2D激光扫描仪标定方法，解决了静态标定时线阵相机与2D激光扫描仪之间无公共视场、图像与点云数据没有直接的对应特征或者几何约束关系从而导致联合标定困难的问题。
[0007]一种线阵相机与2D激光扫描仪联合标定方法，包括：S1.制作混合标定靶标，建立靶标坐标系；S2.搭建实验平台；S3.线阵相机标定数据采集，通过交比不变性原理得到像点对应特征点世界坐标；
S4.建立线阵相机成像模型；S5.两步标定法线阵相机标定参数解算；S6.确定激光断面扫描仪与线阵相机点坐标转换的基本方程；S7.扫描仪数据采集，构建联合标定几何约束模型；S8.非线性优化精确求解联合标定参数。
[0008]S1包括：混合标定靶标包括固定件和平面靶标主体，靶标主体包括多个漫反射标志点、1.5英寸正方形激光跟踪仪靶标球孔洞、0.5英寸正方形激光跟踪仪靶标球孔洞和7个交比三角形图案，7个交比三角形图案包括8条直线和7条斜线；所述固定件支撑靶标主体，在标定数据采集过程中，移动靶标位置后通过固定件进行靶标主体固定；漫反射标志点适用于经纬仪工业测量系统的非接触式测量，得到自身的三维坐标，标志点在靶标主体上均匀分布，其中三个标志点分别对应靶标坐标系的O点、X点和Y点，OX两点连线为X轴，OY两点连线为Y轴，将O点作为靶标坐标系坐标原点，过O点垂直于O
‑
XY平面向上定义为Z轴；激光跟踪仪靶标球孔洞用于激光跟踪仪与其对应的靶标求进行接触式测量，通过孔洞中心点坐标建立靶标坐标系；根据交比三角形图案的设计尺寸，在靶标坐标系推算获得7个交比三角形图案中所有直线的直线方程；S2包括：实验平台包括三维坐标测量系统、线阵相机、2D激光扫描仪、线阵相机照明光源和混合标定靶标，三维坐标测量系统包括激光跟踪仪或经纬仪工业测量系统，混合标定靶标通过固定件安置于固定框架上，使三维坐标测量系统、线阵相机和2D激光扫描仪均能够观测到混合标定靶标。
[0009]S3包括：将混合标定靶标放在线阵相机视场范围内，配合线阵相机照明光源打光，使线阵相机能够采集到清晰的标定图片，线阵相机采集完标定图片后，用三维坐标测量系统对混合标定靶标进行测量，以三维坐标测量系统自身的坐标系作为总体坐标系参考基准，靶标坐标系归算在总体坐标参考基准下，同时拟合出靶标平面，将靶标坐标系作为线阵相机内参标定参数解算时的世界坐标系；在线阵相机实际拍摄时，相机视平面与混合标定靶标上的交比三角形相交，有15个特征点为，在实际标定图像上表现为黑色直线，通过边缘检测算法，提取特征点对应的图像点的像素坐标；通过交比不变性原理，以及每条线段在靶标平面上的直线方程，计算得到图像点对应的特征点世界坐标，其中，特征点为靶标平面上第i条直线上的交点。
[0010]S4包括：已知在线阵相机中，特征点世界坐标与其对应图像点的像素坐标(u，v)之间的对应关系如下式：
；上式即不考虑镜头畸变的相机成像模型，其中，为旋转矩阵的9个元素，包括三个元素组成的平移向量，式（1）为线阵相机的视平面方程，式（2）为符合中心投影关系的方程;表示由世界坐标系到相机坐标系的旋转平移，v为像主点坐标值，v0为线阵相机标定待求解的内参数，代表主点偏移量，表示像素点在y轴方向上对应的物理尺寸；考虑y方向的线阵相机畸变，建立仅考虑一阶径向畸变的线阵相机畸变模型如下式：（3）；其中为在y轴上的畸变；为一阶径向畸变系数；，代表镜头畸变值在像素坐标系下v轴的分量；综合（1）（2）（3）式得到完整线阵相机成像模型如下式：（4）。
[0011]S5包括：以特征点和图像点之间的对应关系以及线阵相机的成像模型为基础，采用两步法计算线阵相机的几何成像模型参数；不考虑镜头畸变的影响，通过直接线性变换方法直接求解、v0和外参数近似值，其中，均为根据相机旋转矩阵得到的旋转角；然后将获取的线阵相机内参数和外参数作为初值，在严格的成像模型下利用LM非线性优化方法获取最终的包含一阶径向畸变的线阵相机标定结果；将公式（1）的提取出来，并代入式（2）得到式（5）：（5）；用参数将相机的内外（5）式中的相机内外参数替代，可得式（6）：；分别如式（7）所示：
（7）；由旋转矩阵的性质可知，，同时考虑到在情况下即靶标坐标系原点在视平面的下方，视平面才会与靶标上所有的直线相交，得出式：（8）；其中，是平面方程的方程参数，至此，解算得出参数；令，为缩放系数，为q
i
缩放后的结果，由公式（8）并结合旋转矩阵的性质，得式（9）：（9）；根据旋转矩阵性质可得式（10）：（10）；将特征点世界坐标代入公式（7）得式（11）：（11）；式（11）采用SVD方法进行求解，解算出的参数任意放缩都可以满足，至此，解算得到参数；将计算得到的外方位元素值带入式（11）中，联立方程组可解算出：（12）；外参数代表靶标坐标系原点在线阵相机坐标系中的z坐标值，在拍摄影像过程中，靶标始终会在相机的前面，，通过这一约束条件将式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种线阵相机与2D激光扫描仪联合标定方法，其特征在于，包括：S1.制作混合标定靶标，建立靶标坐标系；S2.搭建实验平台；S3.线阵相机标定数据采集，通过交比不变性原理得到像点对应特征点世界坐标；S4.建立线阵相机成像模型；S5.两步标定法线阵相机标定参数解算；S6.确定激光断面扫描仪与线阵相机点坐标转换的基本方程；S7.扫描仪数据采集，构建联合标定几何约束模型；S8.非线性优化精确求解联合标定参数。2.根据权利要求1所述的线阵相机与2D激光扫描仪联合标定方法，其特征在于，S1包括：混合标定靶标包括固定件和平面靶标主体，靶标主体包括多个漫反射标志点、1.5英寸正方形激光跟踪仪靶标球孔洞、0.5英寸正方形激光跟踪仪靶标球孔洞和7个交比三角形图案，7个交比三角形图案包括8条直线和7条斜线；所述固定件支撑靶标主体，在标定数据采集过程中，移动靶标位置后通过固定件进行靶标主体固定；漫反射标志点适用于经纬仪工业测量系统的非接触式测量，得到自身的三维坐标，标志点在靶标主体上均匀分布，其中三个标志点分别对应靶标坐标系的O点、X点和Y点，OX两点连线为X轴，OY两点连线为Y轴，将O点作为靶标坐标系坐标原点，过O点垂直于O
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XY平面向上定义为Z轴；激光跟踪仪靶标球孔洞用于激光跟踪仪与其对应的靶标求进行接触式测量，通过孔洞中心点坐标建立靶标坐标系；根据交比三角形图案的设计尺寸，在靶标坐标系推算获得7个交比三角形图案中所有直线的直线方程；S2包括：实验平台包括三维坐标测量系统、线阵相机、2D激光扫描仪、线阵相机照明光源和混合标定靶标，三维坐标测量系统包括激光跟踪仪或经纬仪工业测量系统，混合标定靶标通过固定件安置于固定框架上，使三维坐标测量系统、线阵相机和2D激光扫描仪均能够观测到混合标定靶标。3.根据权利要求2所述的线阵相机与2D激光扫描仪联合标定方法，其特征在于，S3包括：将混合标定靶标放在线阵相机视场范围内，配合线阵相机照明光源打光，使线阵相机能够采集到清晰的标定图片，线阵相机采集完标定图片后，用三维坐标测量系统对混合标定靶标进行测量，以三维坐标测量系统自身的坐标系作为总体坐标系参考基准，靶标坐标系归算在总体坐标参考基准下，同时拟合出靶标平面，将靶标坐标系作为线阵相机内参标定参数解算时的世界坐标系；在线阵相机实际拍摄时，相机视平面与混合标定靶标上的交比三角形相交，有15个特征点为，在实际标定图像上表现为黑色直线，通过边缘检测算法，提取特征点对应的图像点的像素坐标；
通过交比不变性原理，以及每条线段在靶标平面上的直线方程，计算得到图像点对应的特征点世界坐标，其中，特征点为靶标平面上第i条直线上的交点。4.根据权利要求3所述的线阵相机与2D激光扫描仪联合标定方法，其特征在于，S4包括：已知在线阵相机中，特征点世界坐标与其对应图像点的像素坐标(u，v)之间的对应关系如下式：；上式即不考虑镜头畸变的相机成像模型，其中，为旋转矩阵的9个元素，包括三个元素组成的平移向量，式（1）为线阵相机的视平面方程，式（2）为符合中心投影关系的方程;表示由世界坐标系到相机坐标系的旋转平移，v为像主点坐标值，v0为线阵相机标定待求解的内参数，代表主点偏移量，表示像素点在y轴方向上对应的物理尺寸；考虑y方向的线阵相机畸变，建立仅考虑一阶径向畸变的线阵相机畸变模型如下式：（3）；其中为在y轴上的畸变；为一阶径向畸变系数；，代表镜头畸变值在像素坐标系下v轴的分量；综合（1）（2）（3）式得到完整线阵相机成像模型如下式：（4）。5.根据权利要求4所述的线阵相机与2D激光扫描仪联合标定方法，其特征在于，S5包括：以特征点和图像点之间的对应关系以及线阵相机的成像模型为基础，采用两步法计算线阵相机的几何成像模型参数；不考虑镜头畸变的影响，通过直接线性变换方法直接求解、v0和外参数近似值，其中，均为根据相机旋转矩阵得到的旋转角；然后将获取的线阵相机内参数和外参数作为初值，在严格的成像模型下利用LM非线性优化方法获取最终的包含一阶径向畸变的线阵相机标定结果；将公式（1）的提取出来，并代入式（2）得到式（5）：（5）；
用参数将相机的内外（5）式中的相机内外参数替代，可得式（6）：；分别如式（7）所示：（7）；由旋转矩阵的性质可知，，同时考虑到在情况下即靶标坐标系原点在视平面的下方，视平面才会与靶标上所有的直线相交，得出式：（8）；其中，是平面方程的方程参数，至此，解算得出参数；令，为缩放系数，为q
i
缩放后的结果，由公式（8）并结合旋转矩阵的性质，得式（9）：（9）；根据旋转矩阵性质可得式（10）：（10）；将特征点世界坐标代入公式（7）得式（11）：（11）...

【专利技术属性】
技术研发人员：石波，王聪，赵凯，杨密，林康，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：