[发明专利]一种基于POS系统的车载全景相机和线阵激光扫描仪的外参标定方法

摘要

本发明公开了一种基于POS系统的车载全景相机和线阵激光扫描仪的外参标定方法，包括以下步骤(1)事先建立带有绝对坐标点的室外标定场，在该场地进行数据采集，采集结束后根据时间信息，得到每一组全景影像和每一个激光点云获取时的时间，通过POS系统所获取的高密度位置姿态信息，得到上述每一时刻POS系统的位置和姿态信息；(2)解算出全景相机的外参；(3)解算线阵激光扫描仪的外参。本发明的有益效果是使我们在标定线阵激光传感器的时候不必要先测定大量特征点，而只需借由影像的可重复测量特性，将工作量降低到最低。更为重要的是由算法原理决定的全景影像和线阵激光所扫点云在标定完成后可精确配准。

主权项

一种基于POS系统的车载全景相机和线阵激光扫描仪的外参标定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)事先建立带有绝对坐标点的室外标定场，在该场地进行数据采集，采集结束后根据时间信息，得到每一组全景影像和每一个激光点云获取时的时间，通过POS系统所获取的高密度位置姿态信息，得到上述每一时刻POS系统的位置和姿态信息；(2)解算出全景相机的外参：通过已知的空间点位利用成像中心点、像点、物方点三点共线原理联立方程组A可以解出全景相机相对于POS系统的外参；(3)解算线阵激光扫描仪的外参：在已标定全景相机的基础上，联立方程组B，解出线阵激光扫描仪相对于POS系统的外参；所述方程组A为：式中，x,y,z代表传感器相对于POS系统的位置坐标，ω、κ分别代表传感器相对于POS系统的姿态，m1,m2,n1,n2,p1,p2是中间变量；所述方程组B为：式中，x,y,z代表传感器相对于POS系统的位置坐标，ω、κ分别代表传感器相对于POS系统的姿态，m3,m4,n3,n4,p3,p4是中间变量；对方程组A有如下描述：利用目标点、像点、摄影中心三点共线，由单张球面全景影像上的像点，可列出如下共线方程：rim=rposm(t)+Rposm(t)[Rcposrp+rc]]]>rp=λcosφsinθcosφcosθsinφθ=[u-INT(2d-12)]πdφ=[INT(d-12)-v]πd]]>其中：目标在大地坐标系中的坐标，为已知量，POS系统在大地坐标系中的坐标，为已知量，POS系统相对于大地坐标系的旋转矩阵，全景相机相对于POS系统的旋转矩阵，rp目标相对于全景相机的球面坐标，只能表明光线方向，λ成像比例尺，rc全景相机相对于GPS的位移，u、v球面全景影像坐标，d全景影像展开后的宽度的一半，Rmpos=cos(R)cos(Y)+sin(P)sin(R)sin(Y)cos(P)sin(Y)cos(Y)sin(R)-cos(R)sin(P)sin(Y)cos(Y)sin(P)sin(R)-cos(R)sin(Y)cos(P)cos(Y)-sin(R)sin(Y)-cos(R)cos(Y)sin(P)-cos(P)sin(R)sin(P)cos(P)cos(R)]]>此处将Yaw缩写为Y，Roll缩写为R，Pitch缩写为P，Yaw、Roll、Pitch为时间、位置三坐标对应的姿态角；其数学模型如下：1)根据控制点的大地坐标rim(X,Y,Z)，计算光线的与单位球的交点A1(x,y,z)1，则：rA1=R-1cposRpos-1m(t)(rim-rposm(t))-rc]λλ=|rim-rc|]]>R-1mpos=RTposm=cos(R)cos(Y)+sin(P)sin(R)sin(Y)cos(Y)sin(R)sin(R)-cos(R)sin(Y)-cos(P)sin(R)cos(P)sin(Y)cos(P)cos(Y)sin(P)cos(Y)sin(R)-cos(R)sin(P)sin(Y)-sin(R)sin(Y)-cos(R)cos(R)sin(P)cos(P)cos(R)]]>2)根据控制点的像素坐标(u,v)，计算光线的与单位球的交点A2(x,y,z)2θ=[u-INT(2d-12)]πd]]>3)之间的夹角α令rA1=m1n1p1rA2=m2n2p2]]>casα=|m1m2+n1n2+p1p2|m12+n12+p12m22+n22+p22]]>当α接近0的时候，cosα接近1，所以最终的目标函数，即方程组(A)对方程组B有以下描述：利用全景影像上的像点，激光扫描仪所扫到的特征点和相机摄影中心三点共线的原理，可以得到下列的关系式：‑‑‑‑‑‑‑‑‑全景影像观测方程‑‑‑‑‑‑‑‑线阵激光观测方程上式中符号所代表含义：其中：rim目标在大地坐标系中的坐标POS系统在大地坐标系中的坐标POS系统相对于大地坐标系的旋转矩阵全景相机相对于POS系统的旋转矩阵rp目标相对于全景相机的球面坐标，只能表明光线方向rc全景相机相对于POS系统的位移线阵激光相对于POS系统的旋转矩阵，需要求的量其表达式与一致rp2目标相对于线阵激光坐标rL线阵激光相对于POS系统的位移，需要求的量β为激光光束发射方向与X轴所成角度L为激光扫描仪所观测到的距离值对上述方程进行变形，容易由全景相机标定的方程组变形形式得到相似的过程：首先我们要得到线阵激光扫描点和某一张已选择对应点位的影像，所对应的相机成像中心这两个点所对应的向量可以描述为：rA3=rposm(T)+Rposm(T)[RLposrp2+rL]-[rposm(t)+Rposm(t)rc]]]>所述表达式与在形式上完全一致，同样的全景影像像点和成像中心所成的向量可以描述为：θ=[u-INT(2d-12)]πd]]>φ=[INT(d-12)-v]πd]]>rA4=cosφsinθcosφcosθsinφ]]>很容易和前述全景影像的标定形成一致的结论，通过两个向量在集合特性上的重叠，可以得到两个向量之间的关系应如下：同样的令其向量夹角χ的关系为：casχ=|m3m4+n3n4+p3p4|m32+n32+p32m42+n42+p42]]>当χ接近0的时候，cosχ接近1，所以最终的目标函数，即方程组(B)：F(x,y,z,φ,ω,κ)=m3m4+n3n4+p3p4m32+n32+p32m42+n42+p42-1=0.]]>