[发明专利]一种基于几何约束的三维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，一种基于几何约束的三维激光扫描仪与相机标定方法，包括以下步骤：(1)制作标定板，(2)采集标定板三维点云和二维图像，(3)相机标定，(4)在相机坐标系中计算标定板平面，(5)建立点面几何约束，(6)构建线面几何约束，(7)构建面面几何约束，(8)计算点云与图像的几何映射关系。本发明的优点在于：对三维点云的结构进行深入分析，同时利用点面几何约束、线面几何约束和面面几何约束三种思想，来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，充分利用了标定板平面与激光扫描点之间的几何关系，从而使三维激光扫描仪与相机的标定更加准确可靠。

技术领域

本发明涉及一种基于几何约束的三维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。

三维激光扫描仪有两种工作方式，一种是通过单束激光的横向和纵向旋转来实现三维扫描，另一种是通过多束激光的横向旋转来实现三维扫描，这两种工作方式的三维激光扫描仪获取的三维点云均为规则网格化三维点云数据。三维激光扫描仪与相机标定主要是指：利用三维激光扫描仪和相机扫描拍摄标定场景，分别获取标定场景的三维点云和二维图像，利用相机成像原理，求取相机内参矩阵和三维激光扫描仪与相机之间的旋转矩阵和平移向量。确定激光坐标系中三维点云与图像坐标系中二维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。

经大量研究发现，与本发明相近的三维激光扫描仪与相机标定方法如下：制作黑白栅格标定板，标定板上均匀分布着大小相等的圆孔。利用三维激光扫描仪扫描该标定板，获取标定板三维点云。同时利用相机拍摄标定板，获取标定板的二维图像。在激光坐标系中求取圆孔中心的空间坐标，在相机坐标系中求取圆孔中心的像素坐标，构建点点几何约束，求取内部参数和外部参数，从而实现三维激光扫描仪与相机的标定。这种方法存在以下不足之处：1)当三维点云比较稀疏时，很难在激光坐标系中准确计算圆孔中心的空间坐标，影响标定准确度；2)没有对三维点云的结构进行深入的分析，过度依赖标定板圆孔来构建几何约束，缺乏对其点线面几何约束的开发利用，标定的鲁棒性和准确度有待提高。

发明内容

为了进一步提高三维激光扫描仪与相机标定的精度，本发明提供了一种基于几何约束的三维激光扫描仪与相机标定方法。本发明是在利用三维激光扫描仪和相机扫描拍摄三维场景时，为三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三维点云与图像坐标系中二维图像之间的几何映射关系，从而实现激光扫描仪三维点云与相机二维图像之间的准确融合，实时获取场景的三维彩色点云。

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：一种基于几何约束的三维激光扫描仪与相机标定方法，包括以下步骤：

步骤1、制作标定板，标定板尺寸为72ｃｍ×72ｃｍ，其上均匀分布着边长为6cm的黑白栅格；