[发明专利]一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法

说明书

本发明提供一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，摄像机水下采集标定板图像，通过标定获得摄像机内参数，推导标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系；前视声纳获取水下环境的声学回波数据，推导前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系；通过上述两个关系，完成水下摄像机与前视声纳之间的联合标定。本发明属于非接触式标定方法，操作简便迅捷、可以大大降低因复杂的人工参与和标定工具所带来的随机误差，提高了标定效率；目标特征既可以在摄像机图像中得以实现，又可以在声纳系统中获得其二维位置信息；能够得到两个传感器测量系统的相对位置关系，解决了标定测量过程繁琐、精确度较差等缺点，具有很强的操作性。

技术领域

本发明属于图像处理和信息融合领域，具体涉及一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法。

背景技术

对于无人运动平台环境中的感知系统，利用多传感器数据融合技术可以减少环境等外部因素对系统性能的影响。水下环境的特殊性也是一大难点，由于无线电波在水中激素衰减和扩散，广泛应用于陆地环境监测的雷达探测系统不适用于水下探测环境。普通光源在水下照明时，由于水介质和水中微粒的吸收和散射，光能量损耗很多而且产生严重的散射光，大大降低了成像质量。光波在复杂的海洋环境中作用有限，不能满足水下的实际需要。而声波不仅在水中传播距离较远，而且适用于水文环境复杂多变的情况，因此成为了一种较为理想的水下探测与环境感知的手段。

在实际研究中，水下摄像机与声纳系统的联合应用于水下机器人运动信息的获取和三维重建等技术中。声纳可以量测到水下物体的二维信息，相对于其他测距仪器测量精度要高得多。而水下摄像机可以获取物体的其他信息，比如形状、尺寸等。水下摄像机和声纳的联合使用可以获得被测量物体更加丰富全面的信息，并且还能够提高测量信息的准确性和简化信息处理过程，在性能上能够达到良好的互补效果。但是由于这两种传感器所获取的数据都是基于各自的坐标系，而实际的数据融合过程需要把这两种传感器系统采集到的数据表示在同一坐标系下。因此，首先要做的工作就是对这两种传感器系统进行联合标定来确定这两个坐标系之间的相对关系。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，利用标定板作为中间介质完成两个系统相对坐标系的转换及相对位置的实时确定，解决了现有技术测量过程繁琐、精确度较差等缺点。本发明的目的是这样实现的：

一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，具体的实现步骤如下：

步骤1.水下摄像机的目标光学探测模块在水下采集不少于20幅标定板图像，通过标定获得摄像机内参数，通过水下摄像机内参数和标定板角点位置，计算标定板坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，推导标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系，标定板平面直角坐标系为O_bX_bY_bZ_b，原点为标定板的右下角，标定板两边分别为O_bX_b、O_bY_b，O_bZ_b轴垂直于标定板平面，摄像机坐标系为O_cX_cY_cZ_c；

步骤2.声学探测模块通过单波束机械扫描式前视声纳获取水下环境的声学回波数据，通过数据处理获得前视声纳与标定板质心之间的距离和角度关系，推导前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系，标定板质心平面直角坐标系为O_b'X_b'Y_b'Z_b'，原点为标定板的质心处，质心所对应的与标定板两边平行的边分别为O_b'X_b'、O_b'Y_b'，O_b'Z_b'轴垂直于标定板平面，声呐的直角坐标系为O_sX_sY_sZ_s；