[发明专利]一种三维激光扫描仪内参数标定方法及装置

说明书

本发明涉及一种三维激光扫描仪内参数标定方法及装置，属于三维激光测量技术领域。本发明以单站扫描数据中平面特征的总体平面度和平面内点数来评价点云总体质量，构建目标函数，使得该目标函数值最小的函数最优解作为待求内参数的估值；采用基于平面特征的内参数解算方式求解目标函数，即按设定的平面提取算法提取平面特征，并计算目标函数值，利用非线性优化算法的搜索规则找到使目标函数值最优的一组参数，该参数即为待求内参数。本发明无需配合人工靶标，对场景无特殊要求，可在任何具有平面特征的场景中实现标定，且能够实现扫描仪的现场快速标定，提高了DIY三维激光扫描仪测量精度和点云质量。

技术领域

本发明涉及一种三维激光扫描仪内参数标定方法及装置，属于三维激光测量技术领域。

背景技术

三维激光扫描仪是集光学、机械、电子和计算机等众多高新技术于一体的全新测量仪器，它能够实现快速、高效、准确、全方位的三维空间信息获取，获取的海量数据称为点云(Point Cloud)，并且绝大多数配有内置或外置相机，能够同时获取目标表面的纹理信息，点云与图像融合后可以获得逼真可量测的三维模型，因而三维激光扫描技术被誉为“实景复制技术”。商业三维激光扫描仪虽然性能优良，但在实际应用中也存在诸多问题，如价格昂贵、性能过剩、数据处理困难等。因此，越来越多的低成本及个性化应用催生了基于二维测距仪实现三维扫描的解决方案。2000年以来国内外众多学者尝试探索开发低成本或者专门用途的三维激光扫描仪，亦可称之为DIY三维激光扫描仪，其中最常见的是利用二维激光扫描仪加某种旋转执行机构来实现三维扫描。例如在要求厘米级精度的低成本测图时，在进行矿井等狭长走廊三维测图时，在用于移动机器人和智能车的即时定位与测图时，这种实现具有较高的性价比。

在已有的实现方案中，较少关注旋转执行机构与二维测距仪之间的安置偏差带来的影响，即使在设计时考虑到使二维测距仪的测距原点与旋转执行机构严格同轴，但由于实际加工、安装、磨损等原因，这一偏差仍然造成了较大的点云误差甚至变形，因此需要进行标定，以期在不改变硬件而仅通过数据处理的方式达到改善数据质量的目的。

常用的标定方法主要是基于相机及相机标定板的方法，其中棋盘格标定板最为常用。标定过程如下，用DIY三维扫描仪对标定板进行二维扫描获取点云数据，用相机进行拍照，提取两种数据中特征角点并建立对应关系，利用点线或点面约束构建参数模型，能以较高的精度获得全部6个标定参数。该类方法的标定精度较高。如Laksono提出一种以普通棋盘格为标定板并以点面为约束的标定方法，并通过仿真数据实验得出，该方法角度参数标定误差0.018°，平移参数标定误差2mm。这类方法标定过程较为复杂，适用于设计DIY三维扫描仪时未考虑使二维激光扫描仪光学中心与旋转中心同轴以及要求在实验室条件下进行精确标定的情况。但由于众多实现方案中，为方便运输和携带，各组件是需要经常拆卸和组装的，因而需要在测量现场组装好设备后进行一次快速标定，以提高工作效率，保证测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维激光扫描仪内参数标定方法，以解决目前DIY三维扫描仪参数标定过程复杂，效率低的问题；本发明还提供了一种三维激光扫描仪内参数标定装置。

本发明为解决上述技术问题而提供一种三维激光扫描仪内参数标定方法，该标定方法包括以下步骤：

1)以单站扫描数据中平面特征的总体平面度和平面内点数建立目标函数，使得该目标函数值最小的函数最优解作为待求内参数；

2)从初始点云数据中提取平面特征，利用平面内的点计算目标函数值；

3)利用非线性优化算法的搜索规则找到使目标函数值最优的一组参数，该参数即为待求内参数。

进一步地，所述步骤1)建立的目标函数为：