(19)中华人民共和国国家知识产权局
| (12)发明专利说明书 | |
| (10)申请公布号 CN 109900205 A (43)申请公布日 2019.06.18 |
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(21)申请号 CN201910129475.3
(22)申请日 2019.02.21
(71)申请人 武汉大学
地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武汉大学
(72)发明人 黄玉春 祝飞 张顺 范佳
(74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙)
代理人 王琪
(51)Int.CI
(54)发明名称
(57)摘要
本发明提出了一种高精度的单线激光器和光学相机的快速标定方法，首先安装激光器和相机，将相机和单线激光器固定在同一个测量装置上，然后在房间中布设摄影测量控制场，得到控制点的准确坐标值，之后将测量装置放置在摄影测量控制场中采集一组有效数据，包括相机影像数据和激光距离数据，接下来根据相机影像数据标定相机的位置和姿态，紧接着根据激光距离数据标定激光的位置和姿态，最后将控制场坐标系作为中介得到单线激光器和相机的外参值。与传统的标定方法相比，该方法不仅能简化标定流程，显著减少观测次数，而且能够取得足够高的精度和稳定性。 | |
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法律状态
权 利 要 求 说 明 书
1.一种高精度的单线激光器和光学面阵相机的快速标定方法，其特征在于包括：首先安装激光器和相机，将相机和单线激光器固定在同一个测量装置上，然后在房间中布设摄影测量控制场，得到控制点的准确坐标值，之后将测量装置放置在摄影测量控制场中采集一组有效数据，包括相机影像数据和激光距离数据，接下来根据相机影像数据标定相机的位置和姿态，紧接着根据激光距离数据标定激光的位置和姿态，最后将控制场坐标系作为中介得到单线激光器和相机的外参值。
2.根据权利要求1所述的单线激光器和光学面阵相机的快速标定方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤(1)，安装激光器和相机，将相机和单线激光器固定在同一个测量装置上，并保证他们之间的位置不发生变化，并定义激光坐标系和相机坐标系；依据线激光的工作原理，设置激光坐标系是以激光扫描中心为原点，扫描平面为x-o-z平面建立右手系；相机坐标系按照小孔成像模型建立，以相机光心为原点，与成像平面平行建立x-o-y平面，光心前方为z轴建立右手系；
步骤(2)，在房间中布设摄影测量控制场，在三维空间中放置大量靶标和标志物，用全站仪测量控制点在控制场坐标系下的精确坐标；其中，控制场坐标系是以控制场墙角顶点为原点，墙角三条棱边分x轴、y轴和z轴建立的右手系；
步骤(3)，将测量装置放置在摄影测量控制场中，打开激光采集设备和相机设备，调整设备位置，使得激光能够同时发射到控制场墙角的三个面上，同时相机能够拍摄到足够多的靶标点；当设备稳定工作后，采集一组观测数据，包括相机影像数据和激光距离数据；
步骤(4)，根据相机影像数据标定相机的位置和姿态；在影像中选取出控制点的像素坐标，根据相机光心、控制点像点和三维空间中控制点共线的条件建立共线条件方程，将共线方程中的相机内参和外参元素线性化，得到共线方程的线性化形式，解该线性方程最终得到相机在
控制场坐标系中的位置和姿态；
步骤(5)，根据激光距离数据标定激光的位置和姿态；从激光距离数据中选取出打到墙角三个平面上的激光点，分别拟合这些激光点，得到三条激光直线方程，求三条直线两两之间的交点，得到三交点在激光坐标系下的坐标，计算三个交点两两之间距离，得到激光点到墙角顶点的距离，即得到三个交点在控制场坐标系下的坐标；最后，利用三个点在激光坐标系和相机坐标系下的不同坐标值求解激光器在控制场坐标系中的位置和姿态；
步骤(6)，激光器和相机的联合标定；以控制场坐标系为中介，经过坐标变换得到激光坐标系和相机坐标系之间的转换关系，即标定的激光器和相机之间的外参。
3.根据权利要求2所述的单线激光器和光学面阵相机的快速标定方法，其特征在于：步骤(4)的具体实现方式如下，
设相机内参为(x<Sub>0</Sub>，y<Sub>0</Sub>，f)，(x<Sub>0</Sub>，y<Sub>0</Sub>)代表像主点坐标，f表示相机焦距，其值可以通过相机内参标定获得。相机在控制场中两个外参为(R<Sub>CW</Sub>，T<Sub>CW</Sub>)，R<Sub>CW</Sub>表示
绕3个坐标轴旋转形成的3×3的旋转矩阵，T<Sub>CW</Sub>表示相机坐标系原点相对于控制场坐标系原点的3×1的平移向量；
<Image>
T<Sub>CW</Sub>＝(X<Sub>S</Sub>,Y<Sub>S</Sub>,Z<Sub>S</Sub>)<Sup>T</Sup>
相机原点S＝(X<Sub>s</Sub>>s</Sub>>s</Sub>)<Sup>T</Sup>，控制点A＝(X>T</Sup>和相片上对应的像点a＝(x,y)三点共线，共线条件方程可表示为：
<Image>
将上式中未知参数用l<Sub>1</Sub>-l<Sub>11</Sub>表示，得到只和像点坐标和控制点坐标相关的方程形式，表现形式如下：
<Image>
进一步化简上式得到共线方程的线性化形式：
<Image>
当控制场中存在n个控制点时，即可列出2n个方程式，写为矩阵的形式如下：
<Image>
将等式左边系数矩阵记为A，未知数记为X，等式右边的值记为L；根据最小二乘法，可求得未知数解为：
X＝(A<Sup>T</Sup>A)<Sup>-1</Sup>A<Sup>T</Sup>L
解上述方程得到了系数l<Sub>1</Sub>-l<Sub>11</Sub>，相机外参的平移向量满足以下关系：
<Image>
联立方程求解平移向量的三个未知数，确定了相机在控制场坐标系中的位置；
同理，系数l<Sub>i</Sub>(i＝1，2…11)和构成旋转矩阵的三个旋转角之间的关系如下：
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