CN109946680B - 探测系统的外参数标定方法、装置、存储介质及标定系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及计算机技术领域，提供了一种探测系统的外参数标定方法、装置、存储介质及标定系统，该方法包括：获取所述单线激光雷达的发射光束与标定线的交点，以及所述标定线在所述相机的成像平面中的直线方程；根据所述交点在第一坐标系中的坐标信息获取所述交点在所述成像平面中的目标坐标信息，其中所述第一坐标系为所述单线激光雷达对应的坐标系；根据所述目标坐标信息和所述直线方程确定误差方程，并根据所述误差方程获取所述单线激光雷达与所述相机之间的外参数。本公开一方面能够避免在标定板上加特定标志物，提高了标记效率；另一方面能够避免在相机中加装滤波片，防止不平整的滤波片改变相机的内参数使得标定结果不准确。

Description

探测系统的外参数标定方法、装置、存储介质及标定系统

技术领域

本公开涉及计算机领域，特别涉及一种探测系统的外参数标定方法、探测系统的外参数标定装置、计算机可读存储介质及探测系统的外参数标定系统。

背景技术

激光雷达分为单线激光雷达和多线激光雷达，二者最主要的区别是发射的激光光束不同，单线激光雷达用于发射单线的激光光束，多线激光雷达用于发射多线的激光光束。近年来，单线激光雷达由于具有体积小、价格合理、精度高等优势而被广泛应用于机器人领域，辅助其它传感器完成特殊的任务。

通常将相机和单线激光雷达固定在一个处理平台(例如移动机器人)上，通过激光雷达与相机的配合，完成导航、三维重建等高级任务。但是要将激光雷达和相机的图像信息进行有效的融合，必须预先对它们之间的相对位置关系进行标定，获取传感器坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵。而目前相关技术中标定相对位置关系需要对标定板加上特定的标志物，或者对相机加装滤光片，这样会存在标定板的制作不便捷、相机内参数改变导致的标定结果不准确。

鉴于此，本领域亟需开发一种新的探测系统的外参数标定方法。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种探测系统的外参数标定方法、探测系统的外参数标定装置、计算机可读存储介质及探测系统的外参数标定系统，进而至少在一定程度上简化标定方法，提高标定效率。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开实施例的一个方面，提供一种探测系统的外参数标定方法，所述探测系统包括单线激光雷达和相机，包括：

获取所述单线激光雷达的发射光束与标定线的交点，以及所述标定线在所述相机的成像平面中的直线方程；

根据所述交点在第一坐标系中的坐标信息获取所述交点在所述成像平面中的目标坐标信息，其中所述第一坐标系为所述单线激光雷达对应的坐标系；

根据所述目标坐标信息和所述直线方程确定误差方程，并根据所述误差方程获取所述单线激光雷达与所述相机之间的外参数。

在本公开的一个实施例中，所述标定线为标定物中的面相交线，其中所述标定物包括相交的第一标定平面和第二标定平面。

在本公开的一个实施例中，获取所述单线激光雷达的发射光束与标定线的交点，包括：

获取所述发射光束在所述第一标定平面中形成的第一激光直线方程和在所述第二标定平面中形成的第二激光直线方程；

根据所述第一激光直线方程和所述第二激光直线方程确定所述交点及所述交点的坐标信息。

在本公开的一个实施例中，获取所述发射光束在所述第一标定平面中形成的第一激光直线方程和在所述第二标定平面中形成的第二激光直线方程，包括：

获取所述发射光束在所述第一标定平面上形成的第一激光点群，以及所述发射光束在所述第二标定平面上形成的第二激光点群；

分别对所述第一激光点群和所述第二激光点群进行直线拟合，以获取所述第一激光直线方程和所述第二激光直线方程。

在本公开的一个实施例中，分别对所述第一激光点群和所述第二激光点群进行直线拟合，以获取所述第一激光直线方程和所述第二激光直线方程，包括：

方程构建步骤：根据从所述第一激光点群中选取的两激光点的坐标构建第一直线方程，同时根据从所述第二激光点群中选取两激光点的坐标构建第二直线方程；

判断步骤：分别判断所述第一激光点群和所述第二激光点群中预设数量的激光点是否满足所述第一直线方程和所述第二直线方程；

若判定满足，则将所述第一直线方程作为所述第一激光直线方程，将所述第二直线方程作为所述第二激光直线方程；

若判定不满足，则重复执行所述方程构建步骤和所述判断步骤，直至得到所述第一激光直线方程和所述第二激光直线方程。

在本公开的一个实施例中，获取所述标定线在所述相机的成像平面中的直线方程，包括：

通过边缘检测算法获取所述标定线的边缘轮廓；

对所述边缘轮廓进行直线拟合，以获取所述直线方程。

在本公开的一个实施例中，根据所述交点在第一坐标系中的坐标信息获取所述交点在所述成像平面中的目标坐标信息，包括：

将所述交点在所述第一坐标系中的坐标信息转换为第二坐标系中的坐标信息，其中所述第二坐标系为所述相机对应的坐标系；

将所述交点投影到所述成像平面中，并根据所述第二坐标系中的坐标信息获取所述目标坐标信息。

在本公开的一个实施例中，所述交点在所述第二坐标系中的坐标信息为：

P_C＝[X_C Y_C Z_C]^T＝R_CLP_L+t_CL

其中，R_CL为所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的旋转矩阵，为所述外参数的一种；t_CL为所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的平移矩阵，也是所述外参数的一种；P_L为所述交点在第一坐标系中的坐标信息。

在本公开的一个实施例中，所述目标坐标信息为：

其中，f_x、f_y、c_x、c_y为事先标定得到的所述相机的内参数，u为所述交点在成像平面上的投影点在平行于所述第二坐标系X轴方向上的坐标信息，v为所述交点在成像平面上的投影点在平行于所述第二坐标系Y轴方向上的坐标信息。

在本公开的一个实施例中，根据所述目标坐标信息和所述直线方程确定误差方程，并根据所述误差方程获取所述单线激光雷达与所述相机之间的外参数，包括：

根据所述标定线与所述单线激光雷达和所述相机的相对位置的不同，获取多组目标坐标信息和直线方程；

根据所述多组目标坐标信息和直线方程确定多个误差方程，并根据所述多个误差方程构建最小二乘函数；

对所述最小二乘函数进行迭代求解，以获取所述外参数。

在本公开的一个实施例中，对所述最小二乘函数进行迭代求解，以获取所述外参数，包括：

通过六维的李代数对所述外参数进行最小表示，并获取以所述李代数为参数的目标最小二乘函数；

对所述目标最小二乘函数迭代求解，以获取所述李代数的最优值；

根据所述李代数的最优值确定所述外参数。

根据本公开实施例的一方面，提供了一种探测系统的外参数标定装置，所述探测系统包括单线激光雷达和相机，包括：

获取模块，用于获取所述单线激光雷达的发射光束与标定线的交点，以及所述标定线在所述相机的成像平面中的直线方程；

转换模块，用于根据所述交点在第一坐标系中的坐标信息获取所述交点在所述成像平面中的目标坐标信息，其中所述第一坐标系为所述单线激光雷达对应的坐标系；

计算模块，用于根据所述目标坐标信息和所述直线方程确定误差方程，并根据所述误差方程获取所述单线激光雷达与所述相机之间的外参数。

根据本公开实施例的一方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上述实施例中所述的探测系统的外参数标定方法。

根据本公开实施例的一方面，提供了一种探测系统的外参数标定系统，包括：

单线激光雷达，用于发射激光光束，以对待探测对象进行探测；

相机，所述相机与所述单线激光雷达之间连接并具有固定的相对位置，用于获取所述待探测对象的图像信息；

电子设备，所述电子设备与所述单线激光雷达和所述相机连接，并且所述电子设备包括存储器和处理器，其中所述存储器用于存储所述处理器的可执行指令；所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述实施例中所述的探测系统的外参数标定方法，以确定所述相对位置。

由上述技术方案可知，本公开示例性实施例中的探测系统的外参数标定方法及装置、计算机可读存储介质、探测系统的外参数标定系统至少具备以下优点和积极效果：

本公开通过单线激光雷达向标定物发射激光光束，以获取发射光束与标定线的交点，并获取标定线在相机成像平面中的直线方程；接着将交点的坐标从单线激光雷达的坐标系转换为成像平面中的目标坐标信息；最后根据目标坐标信息和直线方程确定误差方程，进而根据误差方程获取单线激光雷达和相机之间的外参数。本公开中的探测系统的外参数标定方法一方面能够避免在标定板上加特定标志物，降低了标定板的制作难度，降低了标记方法的复杂度，提高了标记效率；另一方面能够避免在相机中加装滤波片，防止不平整的滤波片改变相机的内参数使得标定结果不准确。

本公开应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了可以应用本公开实施例的探测系统的外参数标定方法及装置的示例性系统架构的示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的探测系统的外参数标定方法的流程示意图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的单线激光雷达、相机及标定物的相对位置图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的确定交点P的方法流程图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的获取第一激光直线方程和第二激光直线方程的流程示意图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的获取外参数的流程示意图；

图7示意性示出了根据本公开实施例的探测系统的外参数标定装置的结构示意图；

图8示意性示出了根据本公开实施例的探测系统的外参数标定系统的结构示意图；

图9示意性示出了适用于本公开实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

图1示出了可以应用本公开实施例的探测系统的外参数标定方法、探测系统的外参数标定装置的示例性系统架构100的示意图。

如图1所示，系统架构100可以包括终端设备101、网络102和服务器103。网络102用以在终端设备101和服务器103之间提供通信链路的介质。网络102可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。

应该理解，图1中的终端设备101、网络102和服务器103的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的终端设备、逻辑服务器、存储服务器和投影设备。比如服务器103可以是多个服务器组成的服务器集群等。

用户可以使用终端设备101通过网络102与服务器103交互，以接收或发送消息等。终端设备101可以是单线激光雷达和相机，其中相机可以深度相机、摄像机、CCD相机等等。

服务器103可以是提供各种服务的代理服务器。例如获取单线激光雷达的发射光束与标定线的交点以及相机成像平面中与标定线对应的直线方程；根据交点在单线激光雷达对应的坐标系中的坐标信息获取交点在成像平面中的目标坐标信息；最后根据目标坐标信息和直线方程确定误差方程，并根据误差方程获取单线激光雷达和相机之间的外参数，该外参数为单线激光雷达和相机之间的相对位置，具体为单线激光雷达对应的坐标系和相机对应的坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵。通过本公开的技术方案能够避免在标定板上加特定标志物，降低了标定板的制作难度，进而降低了标记方法的复杂度，提高了标记效率；并且能够避免在相机中加装滤波片，防止不平整的滤波片改变相机的内参数使得标定结果不准确。

需要说明的是，本发明实施例所提供的探测系统的外参数标定方法一般由服务器105执行，相应地，探测系统的外参数标定装置一般设置于服务器105中。但是，在本发明的其它实施例中，终端设备也可以与服务器具有相似的功能，从而执行本发明实施例所提供的探测系统的外参数标定方案。

在本领域的相关技术中，要实现激光雷达和相机信息的相互融合需要实现确定激光雷达和相机之间的相对位置关系，即外参数，外参数的标定过程通常利用一个带标定物的标定板来构建激光坐标系和相机坐标系之间的观测约束，当标定平面为单一平面时，该观测约束可以是激光点到标定平面的距离；当标定平面为两个相交平面形成时，该观测约束可以是激光点到面相交线的距离；当激光雷达和相机中存在感光芯片时，该观测约束可以是激光点到激光点在感光芯片中投影形成的图像特征点的距离，然后采集多组数据完成标定。

相关技术中，由于激光频段为非可见光，普通相机无法直接观测到激光光束，因此为了构建观测约束通常需要对标定板加上特定的标志物或者对相机加装滤波片，但是相应地会存在以下的问题，如制作特定标定板的难度较高，加装在相机上的滤波片不平整会改变相机的内参数，使得标定结果不准确。

基于相关技术中存在的问题，在本公开的一个实施例中提出了一种探测系统的外参数标定方法，该探测系统包括单线激光雷达和相机，以对上述问题进行优化处理。具体参照图2所示，该探测系统的外参数标定方法至少包括以下步骤：

步骤S210：获取所述单线激光雷达的发射光束与标定线的交点，以及所述标定线在所述相机的成像平面中的直线方程；

步骤S220：根据所述交点在第一坐标系中的坐标信息获取所述交点在所述成像平面中的目标坐标信息，其中所述第一坐标系为所述单线激光雷达对应的坐标系；

步骤S230：根据所述目标坐标信息和所述直线方程确定误差方程，并根据所述误差方程获取所述单线激光雷达与所述相机之间的外参数。

本公开中的探测系统的外参数标定方法一方面能够避免在标定板上加特定标志物，降低了标定板的制作难度，并且降低了标记方法的复杂度，提高了标记效率；另一方面能够避免在相机中加装滤波片，防止不平整的滤波片改变相机的内参数使得标定结果不准确。

为了使本公开的技术方案更清晰，接下来对探测系统的外参数标定方法的各步骤进行说明。

在步骤S110中，获取所述单线激光雷达的发射光束与标定线的交点，以及所述标定线在所述相机的成像平面中的直线方程。

在本公开的一个实施例中，图3示出了单线激光雷达、相机及标定物的相对位置图，如图3所示，标定物301位于单线激光雷达302和相机303的前方，其中标定物301包括相交的第一标定平面301a和第二标定平面301b，第一标定平面301a和第二标定平面301b之间存在任意的夹角，并且第一标定平面301a和第二标定平面301b的相交线为标定线304，单线激光雷达302的发射光束能够部分或全部落在标定物301的两个平面上，发射光束在标定物301上形成激光线，并与标定线304相交于点P。其中，标定物301可以是自然环境中存在的标定物，也可以是人为加工制作的标定物，只要该标定物是由两个相交平面形成的即可，例如标定物301可以是墙角、对折的纸片、纸盒中的两个相邻面等等，本公开对此不做具体限定。

在本公开的一个实施例中，图4示出了确定交点P的方法流程图，如图4所示，在步骤S401中，获取发射光束在第一标定平面中形成的第一激光直线方程和在第二标定平面中形成的第二激光直线方程；在步骤S402中，根据第一激光直线方程和第二激光直线方程确定交点及交点的坐标信息。步骤S401中，单线激光雷达302的发射光束在标定物301的第一标定平面301a和第二标定平面301b上形成激光线，虽然肉眼观测该激光线为直线，但是由于噪音的存在，像素点不完全在一条直线上，所以有必要对发射光束在第一标定平面301a和第二标定平面301b上形成的激光点进行直线段的提取。并且单线激光雷达302的发射光束在标定物301上形成的图像实质上是很多的激光点，因此可以将发射光束在第一标定平面301a中形成的多个激光点标记为第一激光点群，将发射光束在第二标定平面301b中形成的多个激光点标记为第二激光点群，然后分别对第一激光点群和第二激光点群进行直线拟合，以获取第一激光直线方程L₁和第二激光直线方程L₂。

在本公开的一个实施例中，图5示出了获取第一激光直线方程和第二激光直线方程的流程示意图，如图5所示，在步骤S501中，方程构建步骤：根据从第一激光点群中选取的两个激光点构建第一直线方程，同时根据从所述第二激光点群中选取两激光点的坐标构建第二直线方程；其中选取的两个激光点可以是第一激光点群或者第二激光点群中的任意两个激光点，根据两个激光点的坐标信息能够确定直线方程的系数，进而确定第一直线方程和第二直线方程；在步骤S502中，判断步骤：分别判断第一激光点群和第二激光点群中预设数量的激光点是否满足第一直线方程和第二直线方程；确定好第一直线方程和第二直线方程后，将第一激光点群和第二激光点群剩余的激光点中预设数量的激光点分别代入第一直线方程和第二直线方程，判断其是否满足第一直线方程或第二直线方程，其中预设数量可以根据实际需要进行设定，例如剩余激光点中的80％、90％个激光点等等；在步骤S503中，若判定满足，则将第一直线方程作为第一激光直线方程L₁，将第二直线方程作为第二激光直线方程L₂；在步骤S504中，若判定不满足，则重复执行方程构建步骤和判断步骤，即重复步骤S501-S502，直至得到满足步骤S503的第一激光直线方程L₁和第二激光直线方程L₂。

在本公开的一个实施例中，除了图5所示的直线拟合方法之外，还可以通过最小二乘法等拟合方法对第一激光点群和第二激光点群分别进行直线拟合，以获得第一直线方程L₁和第二直线方程L₂，至于具体地拟合过程本公开在此不做详细阐述。

进一步地，根据第一激光直线方程L₁和第二激光直线方程L₂能够获取交点P在第一坐标系下的坐标信息，具体可以表示为P_L＝[X_L Y_L 0]^T。

在本公开的一个实施例中，相机303能够对标定线304的图像信息进行采集，以在成像平面上形成标定线图像l。在采集标定线304的图像信息时，可以通过边缘检测算法获取标定线304的边缘轮廓，然后对边缘轮廓进行直线拟合，进而获取标定线图像对应的直线方程。其中边缘检测算法可以是canny算法，该算法可以分为以下5个步骤：应用高斯滤波来平滑图像，目的是去除噪声；找寻图像的强度梯度；应用非最大抑制技术来消除边误检；应用双阈值的方法来决定可能的(潜在的)边界；利用滞后技术来跟踪边界。除了canny算法，还可以采用其它的边缘检测算法，例如差分边缘检测、sobel边缘检测算法等等，本公开对此不做具体限定。在确定了标定线304的边缘轮廓后，可以对其进行直线拟合以获取与标定线图像对应的直线方程，其中直线拟合的方法可以与对第一激光点群或者第二激光点群进行直线拟合的方法相同，也可以不同，具体拟合过程在此不再赘述，通过直线拟合可以获取与标定线图像l对应的直线方程为ax+by+cz＝0，其中a、b不同时为0，且c≠0，值得说明的是，通常将相机的光心作为相机坐标系的原点，成像平面对应的坐标为z＝1，因此直线方程中的c通常取值为1，即直线方程为ax+by+z＝0。

在步骤S120中，根据所述交点在第一坐标系中的坐标信息获取所述交点在所述成像平面中的目标坐标信息，其中所述第一坐标系为所述单线激光雷达对应的坐标系。

在本公开的一个实施例中，单线激光雷达302对应第一坐标系，相机303对应第二坐标系，第一坐标系和第二坐标系均为笛卡儿直角坐标系，如图3所示，在单线激光雷达302对应的第一坐标系中，X轴指向标定物，Y轴与X轴位于同一水平平面内，Z轴方向根据Y轴方向的不同而不同；在相机303对应的第二坐标系中，Z轴指向标定物，X轴与Z轴位于同一水平平面内，Y轴方向根据X轴方向的不同而不同。

在本公开的一个实施例中，在对采集的数据进行预处理获得交点P在第一坐标系中的坐标信息和标定线304在成像平面上形成的标定线图像对应的直线方程后，可以将交点P在第一坐标系中的坐标信息转换到第二坐标系中，获取交点P在第二坐标系中的坐标信息，然后再将交点P在第二坐标系中的坐标信息转换到成像平面中，以获取目标坐标信息。

在将交点P在第一坐标系中的坐标信息转换到第二坐标系中后，能够获取交点P在第二坐标系中的坐标信息满足下述表达式(1)：

P_C＝[X_C Y_C Z_C]^T＝R_CLP_L+t_CL (1)

其中，P_C为交点P在第二坐标系中的坐标信息，P_L为交点P在第一坐标系中的坐标信息，R_CL为第一坐标系和第二坐标系之间的旋转矩阵，t_CL为第一坐标系和第二坐标系之间的平移矩阵，其中旋转矩阵和平移矩阵均为待标定的外参数。

确定交点P在第二坐标系中的坐标信息后，可以将其转换为对应成像平面的坐标信息，以获取交点P在成像平面中投影后的投影点所对应的目标坐标信息。目标坐标信息的表达式具体如式(2)(3)所示：

其中，f_x、f_y、c_x、c_y为事先标定得到的相机的内参数，u为投影点在平行于第二坐标系X轴方向上的坐标值，v为投影点在平行于第二坐标系Y轴方向上的坐标值。

在步骤S130中，根据所述目标坐标信息和所述直线方程确定误差方程，并根据所述误差方程获取所述单线激光雷达与所述相机之间的外参数。

在本公开的一个实施例中，在确定目标坐标信息和标定线304在相机成像平面中形成的标定线图像对应的直线方程后，可以根据点到直线的距离公式构建误差方程，该误差方程如式(4)所示：

其中的a、b、u、v均为已知量，R_CL、t_CL为未知量。

在本公开的一个实施例中，为了获取外参数，可以利用多组观测约束构建最小二乘函数，通过对该最小二乘函数进行处理获得外参数。图6示出了获取外参数的流程示意图，如图6所示，在步骤S601中，根据标定线与单线激光雷达和相机的相对位置的不同，获取多组目标坐标信息和直线方程；可以通过改变单线激光雷达302和相机303的位置或者改变标定物301的位置，改变标定线304与单线激光雷达302和相机303之间的相对位置，然后重复执行步骤S110可以获取多组目标坐标信息和直线方程，需要注意的是，单线激光雷达302和相机303之间的相对位置在二者移动的过程中不能改变，防止影响外参数的准确度。在步骤S602中，根据多组目标坐标信息和直线方程确定多个误差方程，并根据多个误差方程构建最小二乘函数；在步骤S603中，对最小二乘函数进行迭代求解，以获取外参数。步骤S602中，根据每组目标坐标信息和直线方程可以构建多个形式如式(4)的误差方程，根据多个误差方程可以构建一最小二乘函数，具体如式(5)所示：

其中，i为观测约束的序号，n为观测约束的总数量。

该最小二乘函数为非线性的最小二乘函数，可以通过迭代求解的方法获取外参数。对最小二乘函数进行迭代求解的方法可以是高斯牛顿迭代法(Guass-Newton)、LM迭代法(Levenberg-Marquardt)等等，下面以通过高斯牛顿迭代法对最小二乘函数进行迭代求解为例对本公开的技术方案继续进行说明。

在本公开的一个实施例中，由于第一坐标系和第二坐标系的自由度均为3，因此旋转矩阵R_CL包含9个参数，平移矩阵t_CL包含3个参数，旋转矩阵和平移矩阵中包含的12个参数不是三维空间刚体变换的最小表示形式，因此在高斯牛顿迭代求解的过程中，可以采用六维的李代数

来对旋转和平移进行最小表示，其中ω表示三维的旋转角速度，υ表示三维的平移线速度。李代数ξ和旋转矩阵R_CL和平移矩阵t_CL之间能够通过公式(6)、(7)进行变换：

其中，I为3×3的单位矩阵，[ω]_×是三维向量ω的反对称矩阵形式。

用李代数ξ替换R_CL、t_CL后得到非线性最小二乘函数

接着只需要通过高斯牛顿算法对ξ进行最优估计，获取ξ的最优值，然后将ξ的最优值转化成R_CL、t_CL即可完成对外参数的求解。在采用高斯牛顿算法迭代求解的过程中首先需要对误差函数进行一阶泰勒近似，可以获得如式(8)所示的表达式：

其中，J_i为2行6列的雅可比矩阵；ξ₀为外参数初始值，可设定为常数0；Δξ为参数ξ的微小增量。

将一阶泰勒近似代入最小二乘函数求解，可得到微小增量Δξ的计算公式，如式(9)所示：

J^TJΔξ＝-J^Tr(ξ₀) (9)

其中，J为将所有J_i按顺序依次堆积而成的2n行6列的雅可比矩阵；r为将所有误差项r_i堆积而成的2n行1列的误差向量。

在高斯牛顿迭代过程中，每次迭代得到的微小增量可以用于更新参数ξ₀，迭代过程直到总误差达到最小为止，最后将迭代得到的最终参数ξ₀转换成R_CL、t_CL即可。

本公开中的探测系统的外参数标定方法能够根据标定线304在成像平面中的标定线图像对应的直线方程和交点P在成像平面中的目标坐标信息确定误差方程，进而根据误差方程获取单线激光雷达302和相机303之间的外参数——旋转矩阵和平移矩阵，一方面能够避免在标定板上制作特定的标志物，标定板的获取更方便，提高了外参数标定的效率；另一方面能够避免在相机上加装滤波片，防止不平整的滤波片改变相机的内参数使得标定结果不准确。

以下介绍本公开的装置实施例，可以用于执行本公开上述的探测系统的外参数标定方法。对于本公开装置实施例中未披露的细节，请参照本公开上述的探测系统的外参数标定方法的实施例。

图7示意性示出了根据本公开的一个实施例的探测系统的外参数标定装置的框图。

参照图7所示，根据本公开的一个实施例的探测系统的外参数标定装置700，包括：获取模块701、转换模块702和计算模块703。

具体地，获取模块701，用于获取所述单线激光雷达的发射光束与标定线的交点，以及所述标定线在所述相机的成像平面中的直线方程；转换模块702，用于根据所述交点在第一坐标系中的坐标信息获取所述交点在所述成像平面中的目标坐标信息，其中所述第一坐标系为所述单线激光雷达对应的坐标系；计算模块703，用于根据所述目标坐标信息和所述直线方程确定误差方程，并根据所述误差方程获取所述单线激光雷达与所述相机之间的外参数。

图8示出了一种探测系统的外参数标定系统的结构示意图，如图8所示，探测系统的外参数标定系统800包括单线激光雷达801、相机802和电子设备803。

其中，单线激光雷达801，用于发射激光光束，以对待探测对象进行探测；相机802，所述相机与所述单线激光雷达之间连接并具有固定的相对位置关系，用于获取所述待探测对象的图像信息；电子设备803，所述电子设备与所述单线激光雷达和所述相机连接，并且所述电子设备包括存储器和处理器，其中所述存储器用于存储所述处理器的可执行指令；所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行本公开实施例所述的探测系统的外参数标定方法，以确定所述相对位置信息。

在本公开的一个实施例中，单线激光雷达801向标定板发射激光光束，在标定板的两个相交平面上分别形成第一激光点群和第二激光点群，并与标定线相交于点P，相应地，在相机的成像平面上形成有标定线图像和相交点P的投影；电子设备803包括存储装置803a和处理器803b，存储装置803a还存储有一个或多个程序，供处理器803b执行。处理器803b可以根据第一激光点群和第二激光点群进行直线拟合，获取对应的第一激光直线方程和第二激光直线方程，并根据第一激光直线方程和第二激光直线方程确定交点P在单线激光雷达坐标系中的坐标信息；进一步地，处理器803b可以根据标定线图像确定其直线方程，同时根据交点P在单线激光雷达坐标系中的坐标信息获取其在相机的成像平面中的目标坐标信息；最后根据目标坐标信息和标定线图像的直线方程构建误差方程，并根据误差方程获取单线激光雷达801和相机802之间的外参数，即二者之间的相对位置信息。

图9示出了适于用来实现本公开实施例的电子设备803的计算机系统的结构示意图。

需要说明的是，图9示出的电子设备的计算机系统900仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图9所示，计算机系统900包括中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)901，其可以根据存储在只读存储器(Read-Only Memory，ROM)902中的程序或者从存储部分908加载到随机访问存储器(Random Access Memory，RAM)903中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 903中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 901、ROM 902以及RAM 903通过总线904彼此相连。输入/输出(Input/Output，I/O)接口905也连接至总线904。

以下部件连接至I/O接口905：包括键盘、鼠标等的输入部分906；包括诸如阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)等以及扬声器等的输出部分907；包括硬盘等的存储部分908；以及包括诸如LAN(Local Area Network，局域网)卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分909。通信部分909经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器910也根据需要连接至I/O接口905。可拆卸介质911，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器910上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分908。

特别地，根据本发明的实施例，下文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分909从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质911被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)901执行时，执行本申请的系统中限定的各种功能。

需要说明的是，本发明实施例所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)、闪存、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、有线等等，或者上述的任意合适的组合。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。

作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现上述实施例中所述的方法。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (12)

1.一种探测系统的外参数标定方法，所述探测系统包括单线激光雷达和相机，其特征在于，包括：

获取所述单线激光雷达的发射光束与标定线的交点，以及所述标定线在所述相机的成像平面中的直线方程；

根据所述交点在第一坐标系中的坐标信息获取所述交点在所述成像平面中的目标坐标信息，其中所述第一坐标系为所述单线激光雷达对应的笛卡尔直角坐标系；

根据所述标定线与所述单线激光雷达和所述相机的相对位置的不同，获取多组目标坐标信息和直线方程；

根据所述多组目标坐标信息和直线方程确定多个误差方程，并根据所述多个误差方程构建最小二乘函数；

通过六维的李代数对所述外参数进行最小表示，并获取以所述李代数为参数的目标最小二乘函数；

对所述目标最小二乘函数迭代求解，以获取所述李代数的最优值；

根据所述李代数的最优值确定所述外参数；

其中，所述根据所述李代数的最优值确定所述外参数，包括：

其中，R_CL为所述外参数中的旋转矩阵，t_CL为所述外参数中的平移矩阵，I为3×3的单位矩阵，[ω]_×是三维向量ω的反对称矩阵形式，ω为三维的旋转角速度，υ为三维的平移线速度。

2.根据权利要求1所述的探测系统的外参数标定方法，其特征在于，所述标定线为标定物中的面相交线，其中所述标定物包括相交的第一标定平面和第二标定平面。

3.根据权利要求2所述的探测系统的外参数标定方法，其特征在于，获取所述单线激光雷达的发射光束与标定线的交点，包括：

获取所述发射光束在所述第一标定平面中形成的第一激光直线方程和在所述第二标定平面中形成的第二激光直线方程；

根据所述第一激光直线方程和所述第二激光直线方程确定所述交点及所述交点的坐标信息。

4.根据权利要求3所述的探测系统的外参数标定方法，其特征在于，获取所述发射光束在所述第一标定平面中形成的第一激光直线方程和在所述第二标定平面中形成的第二激光直线方程，包括：

获取所述发射光束在所述第一标定平面上形成的第一激光点群，以及所述发射光束在所述第二标定平面上形成的第二激光点群；

分别对所述第一激光点群和所述第二激光点群进行直线拟合，以获取所述第一激光直线方程和所述第二激光直线方程。

5.根据权利要求4所述的探测系统的外参数标定方法，其特征在于，分别对所述第一激光点群和所述第二激光点群进行直线拟合，以获取所述第一激光直线方程和所述第二激光直线方程，包括：

方程构建步骤：根据从所述第一激光点群中选取的两激光点的坐标构建第一直线方程，同时根据从所述第二激光点群中选取两激光点的坐标构建第二直线方程；

判断步骤：分别判断所述第一激光点群和所述第二激光点群中预设数量的激光点是否满足所述第一直线方程和所述第二直线方程；

若判定满足，则将所述第一直线方程作为所述第一激光直线方程，将所述第二直线方程作为所述第二激光直线方程；

若判定不满足，则重复执行所述方程构建步骤和所述判断步骤，直至得到所述第一激光直线方程和所述第二激光直线方程。

6.根据权利要求1所述的探测系统的外参数标定方法，其特征在于，获取所述标定线在所述相机的成像平面中的直线方程，包括：

通过边缘检测算法获取所述标定线的边缘轮廓；

对所述边缘轮廓进行直线拟合，以获取所述直线方程。

7.根据权利要求1所述的探测系统的外参数标定方法，其特征在于，根据所述交点在第一坐标系中的坐标信息获取所述交点在所述成像平面中的目标坐标信息，包括：

将所述交点在所述第一坐标系中的坐标信息转换为第二坐标系中的坐标信息，其中所述第二坐标系为所述相机对应的坐标系；

将所述交点投影到所述成像平面中，并根据所述第二坐标系中的坐标信息获取所述目标坐标信息。

8.根据权利要求7所述的探测系统的外参数标定方法，其特征在于，所述交点在所述第二坐标系中的坐标信息为：

P_C＝[X_C Y_C Z_C]^T＝R_CLP_L+t_CL

其中，R_CL为所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的旋转矩阵，为所述外参数的一种；t_CL为所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的平移矩阵，也是所述外参数的一种；P_L为所述交点在第一坐标系中的坐标信息。

9.根据权利要求8所述的探测系统的外参数标定方法，其特征在于，所述目标坐标信息为：

其中，f_x、f_y、c_x、c_y为事先标定得到的所述相机的内参数，u为所述交点在成像平面上的投影点在平行于所述第二坐标系X轴方向上的坐标信息，v为所述交点在成像平面上的投影点在平行于所述第二坐标系Y轴方向上的坐标信息。

10.一种探测系统的外参数标定装置，所述探测系统包括单线激光雷达和相机，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取所述单线激光雷达的发射光束与标定线的交点，以及所述标定线在所述相机的成像平面中的直线方程；

转换模块，用于根据所述交点在第一坐标系中的坐标信息获取所述交点在所述成像平面中的目标坐标信息，其中所述第一坐标系为所述单线激光雷达对应的笛卡尔直角坐标系；

计算模块，用于根据所述标定线与所述单线激光雷达和所述相机的相对位置的不同，获取多组目标坐标信息和直线方程；

根据所述多组目标坐标信息和直线方程确定多个误差方程，并根据所述多个误差方程构建最小二乘函数；

通过六维的李代数对所述外参数进行最小表示，并获取以所述李代数为参数的目标最小二乘函数；

对所述目标最小二乘函数迭代求解，以获取所述李代数的最优值；

根据所述李代数的最优值确定所述外参数；

其中，所述根据所述李代数的最优值确定所述外参数，包括：

其中，R_CL为所述外参数中的旋转矩阵，t_CL为所述外参数中的平移矩阵，I为3×3的单位矩阵，[ω]_×是三维向量ω的反对称矩阵形式，ω为三维的旋转角速度，υ为三维的平移线速度。

11.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～9中任意一项所述的探测系统的外参数标定方法。

12.一种探测系统的外参数标定系统，其特征在于，包括：

单线激光雷达，用于发射激光光束，以对待探测对象进行探测；

相机，所述相机与所述单线激光雷达之间连接并具有固定的相对位置，用于获取所述待探测对象的图像信息；

电子设备，所述电子设备与所述单线激光雷达和所述相机连接，并且所述电子设备包括存储器和处理器，其中所述存储器用于存储所述处理器的可执行指令；所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求1～9中任意一项所述的探测系统的外参数标定方法，以确定所述相对位置。

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