[发明专利]基于边界约束和均值逼近的激光扫描仪与相机标定方法

说明书

本发明涉及三维点云数据处理与三维场景重建技术领域，一种基于边界约束和均值逼近的激光扫描仪与相机标定方法，包括以下步骤：(1)制作黑白栅格竖孔标定板，(2)采集点云和图像，(3)在激光坐标系中利用边界约束计算区间中心，(4)在激光坐标系中利用均值逼近计算平均中心，(5)在激光坐标系中利用最优逼近计算竖孔中心，(6)在图像坐标系中利用均值逼近计算竖孔中心，(7)计算点云与图像的几何映射关系。本发明利用激光坐标系中的竖孔中心和图像坐标系中的竖孔中心，来求解几何映射关系，计算过程简单，利用边界约束和均值逼近两种思想，计算激光坐标系中的竖孔中心，提高了激光坐标系中的竖孔中心的计算精度，使二维激光扫描仪与相机标定更加准确可靠。

技术领域

本发明涉及一种基于边界约束和均值逼近的激光扫描仪与相机标定方法，属于三维点云数据处理与三维场景重建技术领域。

背景技术

在数字化现实世界的过程中，三维点云数据记录了物体表面的几何属性和位置信息，二维图像记录了物体表面的颜色信息和纹理信息，二者的深度融合，将形成一种新兴的数字媒体，即三维彩色点云数据，三维彩色点云数据是三维点云数据的进一步发展，可以更加精确地表述现实世界。在三维激光点云与二维图像融合过程中，激光扫描仪与相机的标定是决定融合精度的一项最为关键的技术，具有较强的理论意义和应用价值，目前已在工业检测、环境感知、自主导航等领域有了越来越多的应用。

二维激光扫描仪的工作方式为线扫描。每次扫描可以获取一条由一系列离散点顺序组成的离散曲线，又称为线点云。该线点云位于实际场景与激光扫描平面的交线上。二维激光扫描仪与相机的标定主要是指：利用二维激光扫描仪和相机扫描拍摄三维场景，分别获取场景的点云和图像，确定激光坐标系中点云与图像坐标系中图像之间的几何映射关系，以获取每一个激光扫描点所对应的像素点。

目前，激光扫描仪与相机的标定方法主要有以下三种：1)利用激光扫描仪与相机的安装结构实现标定，该方法主要使用固定装置将激光扫描仪与相机进行固定安装，并在实验环境下通过标定得到激光扫描仪与相机的结构关系，从而完成激光扫描仪与相机的标定；2)利用三维激光点云与二维图像中的直线或平面特征实现标定，该方法主要是对三维点云与二维图像中的直线特征进行提取，利用相机光心与直线特征构造平面，通过求取点云中对应直线端点到达该平面的最小距离来求解相机的内部参数和外部参数，进而实现激光扫描仪与相机的标定；3)利用激光角点的回波反射图与图像相似性实现标定，该方法利用激光角点的回波反射强度将点云制成反射图，并根据反射图与纹理图像之间的相似性求解几何映射关系，从而实现激光扫描仪与相机的标定。

与本发明相近的标定方法为发明人前期研发的一种三维激光点云与二维图像的融合方法，已申请发明专利，专利申请号为201610420484.4。本发明与之不同之处在于：1)在激光坐标系中，同时利用竖孔的上边界和下边界，来构建竖孔中心的位置约束区间矩阵，并计算区间中心，区间中心是竖孔中心的一个逼近；2)在激光坐标系中，利用均值逼近方法，计算平均中心，平均中心是竖孔中心的另一个逼近；3)在激光坐标系中，利用区间中心和平均中心，通过最优逼近方法，计算竖孔中心。因此，本发明在标定方法上有了很大的改进，提升了激光坐标系下竖孔中心计算的准确度，使二维激光扫描仪与相机的标定更加精确可靠。

发明内容

为了进一步提高二维激光扫描仪与相机标定的精度，本发明目的是提供一种基于边界约束和均值逼近的激光扫描仪与相机标定方法。本发明是在利用二维激光扫描仪和相机扫描拍摄三维场景时，为二维激光扫描仪和相机提供一种标定方法，以求解激光坐标系中点云与图像坐标系中图像之间的几何映射关系，从而实现激光扫描仪点云与相机图像之间的准确融合，实时获取场景的三维彩色点云数据。

为了实现上述发明目的，解决已有技术中存在的向题，本发明采取的技术方案是：一种基于边界约束和均值逼近的激光扫描仪与相机标定方法，包含以下步骤：