CN111964694A - 一种用于三维测量的激光测距仪标定方法 - Google Patents

一种用于三维测量的激光测距仪标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于三维测量的激光测距仪标定方法，包括下列步骤：将相机和激光测距仪安装在二维转台同一旋转平台上组成相机‑激光测距仪组合系统，调整激光测距仪的激光轴和相机光轴近似平行，保证激光光斑位于相机视场中，安装完成后保持相机和激光测距仪相对位置固定不动；构建好的相机‑激光测距仪组合系统前方放置激光光斑接收靶平面，使激光测距仪的激光光斑投射到激光光斑接收靶平面上；在相机光学中心建立三维坐标系；得到激光光斑像素坐标与激光测距仪测量距离的关系；同时相机采集每一个位置处的激光光斑图像，提取激光光斑的质心；得到激光光斑像素坐标与激光测距仪测量距离的关系方程，完成激光测距仪的预标定。

Description

一种用于三维测量的激光测距仪标定方法
技术领域
本发明属于激光视觉测量领域，具体涉及一种用于恶劣环境下三维测量的激光测距仪标定方法。
背景技术
随着激光测量技术和图像处理技术的发展，相机-激光测距仪组合系统已经成为三维测量领域研究的热点。相机-激光测距仪组合系统，具有结构简单、测量效率高、非接触的特点，广泛应用在三维重建、机器人导航及智能驾驶等工业测量领域。激光测距仪与相机的空间位姿标定是实现三维测量的一个关键步骤。但在强光照和复杂背景的恶劣测量环境下，相机无法采集到激光光斑的有效图像信息，进而无法实现相机-激光测距仪组合系统的三维测量。这一技术瓶颈很大程度上限制了相机-激光测距仪组合系统的实际应用。
一维激光测距仪输出的只有一维长度信息，在基础研究方面占比较少，但是在实际工程应用中却非常广泛。室外、生产现场等场合的环境往往较为恶劣，因此目前普遍采用的标定激光测距仪与相机之间刚体转化的方法不再适用，难以解决恶劣环境下的激光光斑采集的问题。
发明内容
为克服激光视觉测量在包括恶劣环境的实际测量环境下激光光斑难以成像和处理的技术问题，本发明的目的在于：提供一种用于三维测量的激光测距仪标定方法。本发明在良好环境下预先标定激光测距仪测量距离和激光光斑像素坐标之间对应关系，在实际测量环境，包括恶劣测量环境下，根据激光测距仪距离值和预标定模型获得激光光斑像素坐标，引导激光光斑和被测目标点重合，实现大尺寸三维测量。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于三维测量的激光测距仪标定方法，包括下列步骤：
(1)将相机和激光测距仪安装在二维转台同一旋转平台上组成相机-激光测距仪组合系统，调整激光测距仪的激光轴和相机光轴近似平行，保证激光光斑位于相机视场中，安装完成后保持相机和激光测距仪相对位置固定不动
(2)步骤(1)构建好的相机-激光测距仪组合系统前方放置激光光斑接收靶平面，使激光测距仪的激光光斑投射到激光光斑接收靶平面上，相机和激光测距仪每次采集信息时，需要将激光光斑接收靶平面放置在不同位置处；
(3)在相机光学中心建立三维坐标系oc-xcyc，设激光光斑的三维坐标为L(t)，激光测距仪初始点的三维坐标为PL0(xL0,yL0,zL0)，激光轴的方向向量为
Figure BDA0002640360350000011
则激光测距仪激光轴的直线方程表示为：
Figure BDA0002640360350000012
其中t表示长度系数，激光测距仪和相机的相对位置固定后，公式(1)中的激光测距仪初始点坐标PL0(xL0,yL0,zL0)和激光轴方向向量
Figure BDA0002640360350000013
是恒定但未知的；
(4)根据公式(1)，在激光测距仪测量距离L处激光光斑的三维坐标PL1(xL1,yL1,zL1)表示为：
Figure BDA0002640360350000014
(5)在像平面中心建立二维坐标系O-XY，根据透视投影原理，激光光斑在像平面上的像素坐标
P(X,Y)表示为：
Figure BDA0002640360350000021
其中f表示相机的焦距；
(6)根据公式(2)和(3得到激光光斑像素坐标与激光测距仪测量距离的关系方程：
Figure BDA0002640360350000022
其中f是已知量，xL0,yL0,zL0和i,j,k是未知量，即本标定方法的输出量；
在标定范围内，将激光光斑接收靶平面在相机-激光测距仪组合系统前自由移动N(N＞4)个位置，记录激光测距仪实时输出的N组测量距离；
(7)同时相机采集每一个位置处的激光光斑图像，由计算机进行图像处理，采用椭圆拟合法提取激光光斑的质心，得到N组像素坐标；
(8)拟合步骤(7)中得到的N组测量距离与步骤(8)中得到的N组像素坐标之间的关系曲线属于非线性最小二乘问题，采用Levenberg-Marquardt算法求解非线性最小二乘优化问题，得到激光测距仪初始点三维坐标PL0(xL0,yL0,zL0)和激光轴方向向量
Figure BDA0002640360350000023
的最优解。
(9)将步骤(9)求解出的最优解代入公式(4)中得到激光光斑像素坐标与激光测距仪测量距离的关系方程，完成激光测距仪的预标定。
本发明提供的一维激光测距仪标定方法可实现相机-激光测距仪组合系统在强光照和复杂背景下的三维测量。突破了相机-激光测距仪组合系统在恶劣测量环境下无法对激光光斑成像的技术瓶颈，实际测量时直接根据激光测距仪距离值和标定模型获取激光光斑的像素坐标，无需相机对激光光斑成像与图像处理，为在恶劣环境下实现大尺寸三维测量提供有效的解决方案。
附图说明
图1是本发明的实施流程示意图。
图2是标定激光光斑像素坐标与激光测距仪测量距离的关系方程的原理图。
图中1是激光测距仪，2是激光测距仪起始点，3是激光轴，4是激光光斑，5是相机光轴，6是相机，7是像素点。
具体实施方式
本发明提供一种可以用于恶劣环境下进行三维测量的激光测距仪标定方法。下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
(1)将相机和激光测距仪安装在二维转台同一旋转平台上组成相机-激光测距仪组合系统，并放置在良好的测量环境下，安装时调整激光测距仪的激光轴和相机光轴近似平行，保证激光光斑位于相机视场中，安装完成后，相机与激光测距仪的相对位置要保持固定不动；
(2)在步骤(1)构建好的相机-激光测距仪组合系统前方放置激光光斑接收靶平面，使激光测距仪的激光光斑投射到激光光斑接收靶平面上，相机和激光测距仪每次采集信息时，需要将激光光斑接收靶平面放置在不同位置处；
(3)如图2所示为标定激光光斑像素坐标与激光测距仪测量距离的关系方程的原理图。在相机光学中心建立三维坐标系oc-xcyczc，设激光光斑的三维坐标为L(t)，激光测距仪初始点的三维坐标为PL0(xL0,yL0,zL0)，激光轴的方向向量为
Figure BDA0002640360350000031
则激光测距仪的激光轴的直线方程可表示为：
Figure BDA0002640360350000032
其中t表示长度系数，激光测距仪和相机的相对位置固定后，公式(1-1)中的激光测距仪初始点坐标PL0(xL0,yL0,zL0)和激光轴方向向量
Figure BDA0002640360350000033
是恒定但未知的；
(4)根据公式(1-1)，激光测距仪测量距离L处激光光斑的三维坐标PL1(xL1,yL1,zL1)可以表示为：
Figure BDA0002640360350000034
(5)在像平面中心建立二维坐标系O-XY，根据透视投影原理，激光光斑在像平面上的像素坐标P(X,Y)可以表示为：
Figure BDA0002640360350000035
其中f表示相机的焦距。
(6)根据公式(1-2)(1-3)可以得出激光光斑像素坐标与激光测距仪测量距离的关系方程为：
Figure BDA0002640360350000036
其中f是已知量，xL0,yL0,zL0和i,j,k是未知量，即本标定方法的输出量；
(7)将激光光斑接收靶平面在相机-激光测距仪组合系统前自由移动N(N＞4)个位置，记录激光测距仪实时输出的N组测量距离；
(8)同时相机采集每一个位置处的激光光斑图像，由计算机进行图像处理，采用椭圆拟合法提取激光光斑的质心，得到N组像素坐标；
(9)拟合步骤(7)中得到的N组测量距离与步骤(8)中得到的N组像素坐标之间的关系方程属于非线性最小二乘问题。以X像素坐标为例，非线性最小二乘问题对应的目标函数为：
Figure BDA0002640360350000037
其中α表示激光光斑接收靶平面位置放置的顺序，Xα表示第α个位置处激光光斑的X像素坐标，Lα表示第α个位置处激光测距仪的测量距离；
(10)采用Levenberg-Marquardt算法通过迭代求解非线性最小二乘问题对应的目标函数达到最小时的最优解，即求解非线性最小二乘优化问题，得到激光测距仪初始点三维坐标PL0(xL0,yL0,zL0)和激光轴方向向量
Figure BDA0002640360350000041
的最优解。
(11)将步骤(10)求解出的最优解代入公式(1-4)中得到激光光斑像素坐标与激光测距仪测量距离的关系方程，完成激光测距仪的预标定。

Claims (1)

1.一种用于三维测量的激光测距仪标定方法，包括下列步骤：
(1)将相机和激光测距仪安装在二维转台同一旋转平台上组成相机-激光测距仪组合系统，调整激光测距仪的激光轴和相机光轴近似平行，保证激光光斑位于相机视场中，安装完成后保持相机和激光测距仪相对位置固定不动
(2)步骤(1)构建好的相机-激光测距仪组合系统前方放置激光光斑接收靶平面，使激光测距仪的激光光斑投射到激光光斑接收靶平面上，相机和激光测距仪每次采集信息时，需要将激光光斑接收靶平面放置在不同位置处；
(3)在相机光学中心建立三维坐标系oc-xcyczc，设激光光斑的三维坐标为L(t)，激光测距仪初始点的三维坐标为PL0(xL0,yL0,zL0)，激光轴的方向向量为
Figure FDA0002640360340000011
则激光测距仪激光轴的直线方程表示为：
Figure FDA0002640360340000012
其中t表示长度系数，激光测距仪和相机的相对位置固定后，公式(1)中的激光测距仪初始点坐标PL0(xL0,yL0,zL0)和激光轴方向向量
Figure FDA0002640360340000013
是恒定但未知的；
(4)根据公式(1)，在激光测距仪测量距离L处激光光斑的三维坐标PL1(xL1,yL1,zL1)表示为：
Figure FDA0002640360340000014
(5)在像平面中心建立二维坐标系O-XY，根据透视投影原理，激光光斑在像平面上的像素坐标P(X,Y)表示为：
Figure FDA0002640360340000015
其中f表示相机的焦距；
(6)根据公式(2)和(3得到激光光斑像素坐标与激光测距仪测量距离的关系方程：
Figure FDA0002640360340000016
其中f是已知量，xL0,yL0,zL0和i,j,k是未知量，即本标定方法的输出量；
在标定范围内，将激光光斑接收靶平面在相机-激光测距仪组合系统前自由移动N(N＞4)个位置，记录激光测距仪实时输出的N组测量距离；
(7)同时相机采集每一个位置处的激光光斑图像，由计算机进行图像处理，采用椭圆拟合法提取激光光斑的质心，得到N组像素坐标；
(8)拟合步骤(7)中得到的N组测量距离与步骤(8)中得到的N组像素坐标之间的关系曲线属于非线性最小二乘问题，采用Levenberg-Marquardt算法求解非线性最小二乘优化问题，得到激光测距仪初始点三维坐标PL0(xL0,yL0,zL0)和激光轴方向向量
Figure FDA0002640360340000021
的最优解。
(9)将步骤(9)求解出的最优解代入公式(4)中得到激光光斑像素坐标与激光测距仪测量距离的关系方程，完成激光测距仪的预标定。
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