[发明专利]一种三维激光成像系统的相机标定方法

摘要

本发明公开了一种三维激光成像系统的相机标定方法，采用特征点标定相机坐标系的方法，通过微分计算得出相机坐标系与载体坐标系的六个偏差参数，完成相机坐标系的标定，从而得到精确的载体坐标系到相机坐标系的转换矩阵。目前还没有相应的方法能处理三维激光成像系统的相机标定方法，该方法思路简单明了，编程容易实现，提高了三维激光成像系统中点云数据与照片融合的精度。

主权项

1.一种三维激光成像系统的相机标定方法，其特征在于步骤如下：（1）获得惯组中心在地球坐标系下的导航时间T、导航极坐标位置信息和导航姿态信息(γ,θ,ψ)、点云极坐标信息和照片，其中分别表示惯组中心在地球坐标系下的经度、纬度和高度，分别表示点云在地球坐标系下的经度、纬度和高度，(γ,θ,ψ)分别表示惯组中心的俯仰角、方位角和横滚角；（2）根据照片拍摄的时间T_i计算得到该照片拍摄时刻惯组中心在地球坐标系下的极坐标位置信息和姿态信息(γ_i,θ_i,ψ_i)，其中分别表示照片拍摄时刻惯组中心在地球坐标系下的经度、纬度和高度，(γ_i,θ_i,ψ_i)分别表示照片拍摄时刻惯组中心的俯仰角、方位角和横滚角；（3）根据惯组中心在地球坐标系下的极坐标位置信息得到地球坐标系到东北天坐标系的转换矩阵，根据惯组中心在地球坐标系下的姿态信息(γ_i,θ_i,ψ_i)得到东北天坐标系到载体坐标系的转换矩阵；（4）将惯组中心在地球坐标系下的极坐标位置信息转换为惯组中心在地球坐标系下的直角坐标位置(x_i,y_i,z_i)，在点云数据中找出不在同一直线上的三个特征点在地球坐标系下的极坐标信息并将三个特征点从地球坐标系下的极坐标信息转换为三个特征点在地球坐标系下的直角坐标位置(x_ek,y_ek,z_ek)，其中k=1,2,3；（5）从照片中找出步骤（4）选定的三个特征点的对应像素点在照片坐标系下的坐标(m_k,n_k)，并根据相机CCD的宽A、长B和照片的焦距f，计算得出照片中这三个特征点的对应像素点在相机直角坐标系中的俯仰角方位角θ_pk，其中k=1,2,3；（6）利用惯组中心在地球坐标系下的直角坐标位置(x_i,y_i,z_i)和点云数据中的三个特征点在地球坐标系下的直角坐标位置(x_ek,y_ek,z_ek)计算地球坐标系下惯组中心到三个特征点的矢量r_ek，利用转换矩阵将矢量r_ek从地球坐标系转换为东北天坐标系下的矢量r_nk，再利用转换矩阵将矢量r_nk从东北天坐标系转换为载体坐标系下的矢量r_bk′，再根据矢量r_bk′和惯组中心到相机焦点在载体坐标系下的矢量r_b计算得到相机焦点到点云在载体坐标系下的矢量r_pk′，再将矢量r_pk′从载体坐标系转换为相机直角坐标系下的矢量r_pk，计算矢量r_pk在相机直角坐标系下的极坐标其中R_pk′表示距离，θ_pk′表示方位角，表示俯仰角，其中k=1,2,3；（7）计算三个特征点与照片中的这三个特征点的对应像素点的俯仰角偏差方位角的偏差δθ_pk，其中k=1,2,3；（8）根据俯仰角偏差和方位角偏差δθ_pk计算得到相机坐标系相对于载体坐标系的六个偏差参数，即方位角误差Δγ、俯仰角误差Δβ、横滚角误差Δψ、相机坐标系相对于载体坐标系的位置误差δr=[δr_bxδr_byδr_bz]′，从而完成相机坐标系相对于载体坐标系的六个偏差参数的标定；将偏差参数代入到点云从载体坐标系转换到相机坐标系的公式xpypzp=cosΔψsinΔψ0-sinΔψcosΔψ00011000cosΔβsinΔβ0-sinΔβcosΔβcosΔγ0-sinΔγ010sinΔγ0cosΔγ0-10100001xb-rbx-δrbxyb-rby-δrbyzb-rbz-δrbz]]>中，从而得到点云在相机坐标系中的实际坐标，其中xpypzp]]>表示点云在相机坐标系中的坐标，xbybzb]]>表示点云在载体坐标系中的坐标，rbxrbyrbz]]>表示惯组中心到相机焦点在载体坐标系中的矢量，其中k=1,2,3。