摄像机与3D激光测距仪外部标定新方法
摄像机与3D激光测距仪外部标定新方法
作者:刘成安;王宁;张华
由于机器人技术的快速发展,使得其在核能利用、 工业制造、航空航天等领域得到了十分广泛的应 用⑴.摄像机和激光测距仪是机器人最常用的传感 器,激光测距仪提供的距离信息和摄像机提供的色 彩信息具有很强的互补性,这2种传感器的融合利 用⑵对于机器人跟踪控制、定位与导航、作业环境 描述与地图创建和多传感器集成与信息融合等关 键技术具有重要的作用,因此融合两者的信息成为 现代机器人技术研究热点之一.
为了实现摄像机与激光测距仪的信息融合,精 确获得激光测距仪坐标系与摄像机坐标系之间的 对应变换关系是至关重要的.获得这一变换关系的 过程称为摄像机与激光测距仪的外部位置关系标 定⑶.近年来,国内外学者做了大量关于摄像机与 激光测距仪外部参数标定方法的研究.美国华盛顿 大学机器人研究室最先提出了激光测距仪与摄像 机的标定方法⑷;G. H. Li等⑶提出了采用直角 三角形平板作为靶标,使用线特征标定激光测距仪 与摄像机外部参数的方法;D. Scarramuzza等⑸提 出将激光测距仪釆集的距离信息图通过变换,使场 景自然边缘更清晰突出,再提取边缘线条与摄像机 拍摄的照片中检测出来的边缘相匹配来实现外部 标定;I. Bauermann等⑹提出在传感器平台沿任意 轨道移动过程中针对固定靶标多次采集数据,通过 最小化不同视角拍摄的多帧间场景点的欧式投影 偏差来得到标定结果;S. Florian等⑺提出了使用 平面模板标定摄像机与激光测距仪参数的方法;A. Sergio等⑻采用圆形标定靶标定摄像机与激光测距 仪的外部位置关系,得到激光测距仪在摄像机坐标 系下的姿态估计.项志宇等⑴提出使用一块平面靶 标,在不同位置摆放若干次,实现摄像机与激光测 距仪的外部标定.
这些标定算法主要利用标定靶建立激光测距仪 与摄像机的约束条件,通过标定靶(或者激光测距仪 与摄像机)变换不同的位置以提供多个约束条件,求 出激光坐标系和摄像机坐标系之间的外部参数.由 于标定靶(或者激光测距仪与摄像机)位置变换需要 多次采集数据,特征点或者边缘提取算法复杂,标定 精度也会因标定过程繁琐而受到影响.针对这些不 足,提出了一种基于角点提取的摄像机与3D激光测 距仪外部参数标定的新方法.该方法釆用一块镂空 的棋盘格作靶标,摄像机与3D激光测距仪一次完成 标定数据釆集,无需变换标定靶(或者激光测距仪与 摄像机)的位置.棋盘格因为其角点清晰,容易提取, 可以很好的应用于摄像机.同时,由于镂空部分形成 距离突变,使得边缘清晰,也易于从3D激光测距仪 的点云数据中提取对应角点.
1标定原理
图像角点检测算法基于灰度图像的角点检 测法是从图像灰度值估计角点的位置.这种方法的 特点是速度快,且独立于其他局部特征.2个具有代 表性的算法:一种是Susan角点检测算法™ ;另一 种是Harris角点检测算法,由于Harris算法采用了 高斯滤波,具有很好的抗噪性'⑴,是在实践中使用 最广泛的角点检测算法.
2实验结果与分析
将摄像机和激光测距仪固定在一起组 成的融合系统实物图,其中摄像机为Bumblebee双 目相机,激光测距仪为Swiss Ranger 4 000 3D激光 测距相机.图3为实验标定靶实物图,采用镂空的 棋盘格.格子的尺寸为6emx6 cm,标靶距3D激光 相机大致为2 in.实验中,首先用双目相机的左目摄像机采集标 定靶的图像数据,用Matlab编程实现Harris角点检 测算法,对图像中镂空棋盘格的角点进行提取.
其次,用3D激光测距相机采集镂空棋盘格的三 维点云数据,并根据相机到棋盘格大致深度,设定阈 值Z,对大于£的深度数据予以滤除,然后VC+ +编 程实现3D点云的点检测算法,计算获得3D角点的 三维信息S,y,z),镂空棋盘格点云数据与图像角点 相应的角点的潍信息(*,y,z).
最后,将表1和表2的对应数据带入方程(6), 并利用最小二乘法求解该超定方程,可计算得出摄 像机和3D激光测距相机之间的旋转矩阵R和平移 矩阵7\其结果如表3所示.根据标定结果,以Mal- lab和VC+ +编程实现算法,对一桌面场景目标进 行空间目标的定位实验.实验流程如下.
1)使用SR 4000 3D激光测距相机和Bumble- bee双目相机的左目摄像机同时采集同一桌面场景 图像和点云数据,图4a、b分别为桌面场景目标的 图像和点云.
2)用阈值法X去除深度较大的点云,见图 5a,然后用RANSAC算法〔⑶对桌面模型进行拟合, 提取桌面点云集,见图5b.
3)分别对点云和图像进行分割,分割结果分 别如图5c和图5d所示.
4)利用点云数据计算目标的三维特征,完成 3D模型的重构,如图5c所示;然后利用图像与点 云的空间映射关系(由标定结果用R和T表示), 估计空间目标位姿、形状和大小,实现空间目标的 定位检测,如图5d所示.从图5d可以看到,由目标 物体的点云数据的三维特征映射到图像中目标物 体的轮廓和位置等相当准确,能准确实现空间目标 的定位.
3结语
针对摄像机和3D激光测距仪系统外部参数的 标定问题,提出一种新的标定方法.该方法采用一 块镂空的棋盘格作靶标,摄像机与3D激光测距仪 仅用一次标定数据采集就完成了外部参数的标定, 无需变换标定靶(或者邀光测距仪与摄像机)的位 表1 置而进行多次数据采集,同时以镂空的棋盘格作靶 标的图像与点云数据易于实现角点提取,算法也相 当简单,从而消除了因标定过程繁琐对标定精度的 影响,提高了标定效率.实验结果表明,该方法精度 较高而且操作简单,具有较高的实用价值.
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