CN113111887A - 一种基于相机和激光雷达信息融合的语义分割方法及系统 - Google Patents

一种基于相机和激光雷达信息融合的语义分割方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于相机和激光雷达信息融合的语义分割方法及系统，使用深度神经网络得到图像中目标物体的2D检测框，利用相机和激光雷达之间的转换关系筛选出检测框中的目标点云并进行密度聚类；然后采用改进的四邻域聚类对原始点云进行分割；最后融合不同的聚类结果得到带有语义标签的点云分割结果。图像和点云的信息融合使得该系统可以适用于更多复杂的外界环境，同时综合利用了深度学习和传统的点云聚类方法，使得点云的语义分割结果更加准确且鲁棒性更强。

Description

一种基于相机和激光雷达信息融合的语义分割方法及系统
技术领域
本发明属于检测数据处理技术领域，涉及基于一种基于相机和激光雷达信息融合的语义分割方法及系统。
背景技术
随着新时代科学技术的不断进步，各种传感器不断迭代更新，机器人以及自动驾驶领域对于高精度传感器的需求越来越广，然而由于现实场景的复杂性，仅依靠传统的相机难以在恶劣条件下保证测量的精准性，使得相机在某些场景下失去了它的作用；在结构化场景中，激光雷达能探测到物体的结构特征，在光线较差的环境中依然具有良好的工作性能；但是激光雷达数据稀疏，不便应用于点云的语义分割精度较低。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了基于相机和激光雷达信息融合的语义分割方法及系统，本发明针对机器人及车辆自动驾驶的环境感知问题，综合利用深度学习和传统的点云聚类方法来达到实时的语义分割目的。
本发明采用如下技术方案：
一种相机和激光雷达信息融合的语义分割系统包括五个模块：图像识别模块、雷达相机标定模块、目标点云聚类模块、原始点云聚类模块和融合判断模块；
所述图像识别模块：对被配置为对图像数据进行处理，使用YOLOv3深度神经网络对输入的图像数据进行识别，对行人和车辆目标物体进行识别，生成带有语义标签的2D检测框；
所述雷达相机标定模块：系统在使用前对相机和激光雷达之间的内外参进行标定，得到传感器之间的转换关系，为图像数据和点云数据形成对应关系做准备工作；
所述目标点云聚类模块：将点云和像素点对应并把其RGB信息赋予对应的点云，对2D检测框中的点云进行保留并重新进行密度聚类，保留目标点云中数量最多的聚类结果，作为带有语义标签的点云聚类，同时生成2D检测框对应的3D的Boundingbox信息；
所述原始点云聚类模块：采用基于欧氏距离改进的四邻域聚类方法对原始的点云进行聚类，输出不带有语义信息的Boundingbox信息；
所述融合判断模块：对两次聚类得到的信息进行融合判断，根据两者的重合度对目标物体进行识别判断，并最终输出带有RGB和语义信息的点云聚类结果。
优选地，输出的聚类结果均为每一个聚类对应的语义标签和3D检测框的Boundingbox信息，对于未知障碍物不带有语义标签。
优选地，所述相机与激光雷达内外参联合标定的方法包括：将3D激光雷达与相机固定在移动机器人平台上，并在其前方放置一个三角板，图像数据由二维坐标系(u,v)表示，3D点云数据由雷达坐标系(X,Y,Z)表示；从3D点(x,y,z)到2D点(u,v)的转换可以表示为：
Figure BDA0003039595440000031
式中：fu和fv分别为水平与垂直方向上的有效焦距长度，u0和v0为图像中心点位置坐标，R与T分别为相机与3D激光雷达间的旋转矩阵和平移矩阵，构成相机的外参矩阵；mij为内外参数联合变换矩阵参数。
一种相机和激光雷达信息融合的语义分割方法，包括以下步骤：
S1:首先采用内外参融合的标定方法对传感器进行标定，使用多边形平板做作为标定物体，根据点云三维坐标和像素二维坐标之间的对应关系求解出标定矩阵；
S2:获取相机采集的图像数据；
S3:获取激光雷达原始的点云数据，并对点云进行降噪滤波等预处理；
S4:将图像输入YOLOv3深度神经网络，得到目标物体的2D检测框、概率值及其标签；
S5:将点云投影到图像，筛选出检测框中的目标点云，并赋予图像的RGB信息；
S6:目标点云密度聚类输出聚类结果；
S7:原始的点云进行基于欧氏距离改进的四邻域聚类，输出聚类结果；
S8:最后对两边输出的聚类结果进行融合判断，输出最终的语义分割结果。
优选地，激光雷达获取点云后，系统对点云进行去除噪声、滤波和降采样，减少计算量。
优选地，所述图像和点云数据的时间戳在处理时进行同步，保证信息融合的实时性和准确性。
优选地，所述传感器标定过程设定为离线。
优选地，所述激光雷达和相机标定采用离线模式。
优选地，所述原始的点云采用基于欧氏距离改进的四邻域聚类步骤为：首先通过相邻两点云的连线与点云和雷达坐标原点的连线之间的夹角进行初步判断，若小于设定阈值，则两个点云属于同一类；若夹角大于设定阈值但是点云之间的欧氏距离小于设定阈值，则两个点云仍属于同一类；否者，两点云属于不同类别。根据四邻域的原则遍历所有的点云数据，输出最终不带有语义标签的聚类结果。
优选地，所述步骤S8包括：在对两边输出的聚类结果进行融合判断时，Boundingbox的重合度大于设定阈值的两个聚类结果选择点云数量最多的聚类作为输出并将语义标签赋予该聚类；对于没有在目标点云聚类结果中根据重合度匹配的得到对应目标的原始点聚类结果，则直接输出原始点云聚类结果作为未知障碍物，不带有语义信息；对于没有在原始点云聚类结果中根据重合度匹配到对应目标的目标点聚类结果，若之前计算的密度聚类中最大数量点云占比以及该聚类对应的语义标签的概率值均大于设定阈值，则直接输出对应的聚类结果及其语义标签，否则忽略该聚类结果不进行输出。
有益效果：
1.本发明综合利用相机和激光雷达进行环境感知，对于夜晚等光线较差的环境仍然可以对于环境中的障碍物进行检测，保证安全性和稳定性。
2.本发明使用深度学习和传统的点云聚类相结合的方法，不占用过多的GPU资源，使用CPU进行传统的点云聚类，使用GPU进行深度学习的相关计算。
3.本发明采用两种聚类方法并对结果进行融合，同时利用深度学习得到的标签概率值的进一步提升系统融合的精度，使得系统的鲁棒性更强。
附图说明
图1是相机和激光雷达信息融合的语义分割方法的基本流程图；
图2是基于欧氏距离的四邻域聚类示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
一种相机和激光雷达信息融合的语义分割系统包括五个模块：图像识别模块、雷达相机标定模块、目标点云聚类模块、原始点云聚类模块和融合判断模块；
所述图像识别模块：对被配置为对图像数据进行处理，使用YOLOv3深度神经网络对输入的图像数据进行识别，对行人和车辆目标物体进行识别，生成带有语义标签的2D检测框；
所述雷达相机标定模块：系统在使用前对相机和激光雷达之间的内外参进行标定，得到传感器之间的转换关系，为图像数据和点云数据形成对应关系做准备工作；
所述目标点云聚类模块：将点云和像素点对应并把其RGB信息赋予对应的点云，对2D检测框中的点云进行保留并重新进行密度聚类，保留目标点云中数量最多的聚类结果，作为带有语义标签的点云聚类，同时生成2D检测框对应的3D的Boundingbox信息；
所述原始点云聚类模块：采用基于欧氏距离改进的四邻域聚类方法对原始的点云进行聚类，输出不带有语义信息的Boundingbox信息；
所述融合判断模块：对两次聚类得到的信息进行融合判断，根据两者的重合度对目标物体进行识别判断，并最终输出带有RGB和语义信息的点云聚类结果。
优选地，输出的聚类结果均为每一个聚类对应的语义标签和3D检测框的Boundingbox信息，对于未知障碍物不带有语义标签。
优选地，所述相机与激光雷达内外参联合标定的方法包括：将3D激光雷达与相机固定在移动机器人平台上，并在其前方放置一个三角板，图像数据由二维坐标系(u,v)表示，3D点云数据由雷达坐标系(X,Y,Z)表示；从3D点(x,y,z)到2D点(u,v)的转换可以表示为：
Figure BDA0003039595440000071
式中：fu和fv分别为水平与垂直方向上的有效焦距长度，u0和v0为图像中心点位置坐标，R与T分别为相机与3D激光雷达间的旋转矩阵和平移矩阵，构成相机的外参矩阵；mij为内外参数联合变换矩阵参数。
一种相机和激光雷达信息融合的语义分割方法，包括以下步骤：
S1:首先采用内外参融合的标定方法对传感器进行标定，使用多边形平板做作为标定物体，根据点云三维坐标和像素二维坐标之间的对应关系求解出标定矩阵；
S2:获取相机采集的图像数据；
S3:获取激光雷达原始的点云数据，并对点云进行降噪滤波等预处理；
S4:将图像输入YOLOv3深度神经网络，得到目标物体的2D检测框、概率值及其标签；
S5:将点云投影到图像，筛选出检测框中的目标点云，并赋予图像的RGB信息；
S6:目标点云密度聚类输出聚类结果；
S7:原始的点云进行基于欧氏距离改进的四邻域聚类，输出聚类结果；
S8:最后对两边输出的聚类结果进行融合判断，输出最终的语义分割结果。
优选地，激光雷达获取点云后，系统对点云进行去除噪声、滤波和降采样，减少计算量。
优选地，所述图像和点云数据的时间戳在处理时进行同步，保证信息融合的实时性和准确性。
优选地，所述传感器标定过程设定为离线。
优选地，所述激光雷达和相机标定采用离线模式。
优选地，所述原始的点云采用基于欧氏距离改进的四邻域聚类步骤为：首先通过相邻两点云的连线与点云和雷达坐标原点的连线之间的夹角进行初步判断，若小于设定阈值，则两个点云属于同一类；若夹角大于设定阈值但是点云之间的欧氏距离小于设定阈值，则两个点云仍属于同一类；否者，两点云属于不同类别。根据四邻域的原则遍历所有的点云数据，输出最终不带有语义标签的聚类结果。
优选地，所述步骤S8包括：在对两边输出的聚类结果进行融合判断时，Boundingbox的重合度大于设定阈值的两个聚类结果选择点云数量最多的聚类作为输出并将语义标签赋予该聚类；对于没有在目标点云聚类结果中根据重合度匹配的得到对应目标的原始点聚类结果，则直接输出原始点云聚类结果作为未知障碍物，不带有语义信息；对于没有在原始点云聚类结果中根据重合度匹配到对应目标的目标点聚类结果，若之前计算的密度聚类中最大数量点云占比以及该聚类对应的语义标签的概率值均大于设定阈值，则直接输出对应的聚类结果及其语义标签，否则忽略该聚类结果不进行输出。
本发明中步骤1：雷达相机标定
采用相机与激光雷达内外参联合标定的方法，将3D激光雷达与相机固定在移动机器人平台上，并在其前方放置一个三角板，图像数据由二维坐标系(u,v)表示，3D点云数据由雷达坐标系(X,Y,Z)表示。从3D点(x,y,z)到2D点(u,v)的转换可以表示为：
Figure BDA0003039595440000091
式中：fu和fv分别为水平与垂直方向上的有效焦距长度，u0和v0为图像中心点位置坐标，R与T分别为相机与3D激光雷达间的旋转矩阵和平移矩阵，构成相机的外参矩阵；mij为内外参数联合变换矩阵参数。
以上所述仅是本实用说，在不新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来脱离本发明的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种相机和激光雷达信息融合的语义分割系统包括五个模块：图像识别模块、雷达相机标定模块、目标点云聚类模块、原始点云聚类模块和融合判断模块；
所述图像识别模块：对被配置为对图像数据进行处理，使用YOLOv3深度神经网络对输入的图像数据进行识别，对行人和车辆目标物体进行识别，生成带有语义标签的2D检测框；
所述雷达相机标定模块：系统在使用前对相机和激光雷达之间的内外参进行标定，得到传感器之间的转换关系，为图像数据和点云数据形成对应关系做准备工作；
所述目标点云聚类模块：将点云和像素点对应并把其RGB信息赋予对应的点云，对2D检测框中的点云进行保留并重新进行密度聚类，保留目标点云中数量最多的聚类结果，作为带有语义标签的点云聚类，同时生成2D检测框对应的3D的Boundingbox信息；
所述原始点云聚类模块：采用基于欧氏距离改进的四邻域聚类方法对原始的点云进行聚类，输出不带有语义信息的Boundingbox信息；
所述融合判断模块：对两次聚类得到的信息进行融合判断，根据两者的重合度对目标物体进行识别判断，并最终输出带有RGB和语义信息的点云聚类结果。
2.根据权利要求1所述的一种相机和激光雷达信息融合的语义分割系统，其特征在于，输出的聚类结果均为每一个聚类对应的语义标签和3D检测框的Boundingbox信息，对于未知障碍物不带有语义标签。
3.根据权利要求1所述的一种相机和激光雷达信息融合的语义分割系统，其特征在于，所述相机与激光雷达内外参联合标定的方法包括：将3D激光雷达与相机固定在移动机器人平台上，并在其前方放置一个三角板，图像数据由二维坐标系(u,v)表示，3D点云数据由雷达坐标系(X,Y,Z)表示；从3D点(x,y,z)到2D点(u,v)的转换可以表示为：
Figure FDA0003039595430000021
式中：fu和fv分别为水平与垂直方向上的有效焦距长度，u0和v0为图像中心点位置坐标，R与T分别为相机与3D激光雷达间的旋转矩阵和平移矩阵，构成相机的外参矩阵；mij为内外参数联合变换矩阵参数。
4.一种相机和激光雷达信息融合的语义分割方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:首先采用内外参融合的标定方法对传感器进行标定，使用多边形平板做作为标定物体，根据点云三维坐标和像素二维坐标之间的对应关系求解出标定矩阵；
S2:获取相机采集的图像数据；
S3:获取激光雷达原始的点云数据，并对点云进行降噪滤波等预处理；
S4:将图像输入YOLOv3深度神经网络，得到目标物体的2D检测框、概率值及其标签；
S5:将点云投影到图像，筛选出检测框中的目标点云，并赋予图像的RGB信息；
S6:目标点云密度聚类输出聚类结果；
S7:原始的点云进行基于欧氏距离改进的四邻域聚类，输出聚类结果；
S8:最后对两边输出的聚类结果进行融合判断，输出最终的语义分割结果。
5.根据权利要求4所述的一种相机和激光雷达信息融合的语义分割方法，其特征在于，激光雷达获取点云后，系统对点云进行去除噪声、滤波和降采样，减少计算量。
6.根据权利要求4所述的一种相机和激光雷达信息融合的语义分割方法，其特征在于，所述图像和点云数据的时间戳在处理时进行同步，保证信息融合的实时性和准确性。
7.根据权利要求4所述的一种相机和激光雷达信息融合的语义分割方法，其特征在于，所述传感器标定过程设定为离线。
8.根据权利要求4所述的一种相机和激光雷达信息融合的语义分割方法，其特征在于，所述激光雷达和相机标定采用离线模式。
9.根据权利要求4所述的一种相机和激光雷达信息融合的语义分割方法，其特征在于，所述原始的点云采用基于欧氏距离改进的四邻域聚类步骤为：首先通过相邻两点云的连线与点云和雷达坐标原点的连线之间的夹角进行初步判断，若小于设定阈值，则两个点云属于同一类；若夹角大于设定阈值但是点云之间的欧氏距离小于设定阈值，则两个点云仍属于同一类；否者，两点云属于不同类别。根据四邻域的原则遍历所有的点云数据，输出最终不带有语义标签的聚类结果。
10.根据权利要求4所述的一种相机和激光雷达信息融合的语义分割方法，其特征在于，所述步骤S8包括：在对两边输出的聚类结果进行融合判断时，Boundingbox的重合度大于设定阈值的两个聚类结果选择点云数量最多的聚类作为输出并将语义标签赋予该聚类；对于没有在目标点云聚类结果中根据重合度匹配的得到对应目标的原始点聚类结果，则直接输出原始点云聚类结果作为未知障碍物，不带有语义信息；对于没有在原始点云聚类结果中根据重合度匹配到对应目标的目标点聚类结果，若之前计算的密度聚类中最大数量点云占比以及该聚类对应的语义标签的概率值均大于设定阈值，则直接输出对应的聚类结果及其语义标签，否则忽略该聚类结果不进行输出。
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