一种三维激光成像系统的相机标定方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种三维激光成像系统的相机标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维激光成像系统的相机标定方法，尤其涉及一种采用微分方法标定相机坐标系与载体坐标系关系的六个偏差参数的方法，属于图像处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002]三维激光成像系统是指将激光扫描仪、全球定位系统、惯性测量系统等集成为一套设备，装在载体上对地面目标进行扫描，得到地面目标的三维信息，通过处理得到需要的三维空间图像。由于获取的反射回来的激光点数据呈星云状密集分布，所以形象地称为激光点云(Point Cloud)，意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果。
[0003]通过三维激光成像系统获得激光点云图能够呈现被扫描物的三维形状特征，能够在三维点云模型中看出被扫描物体的位置，大小，形状信息。但缺乏被扫描物体的颜色信息，这样就缺少了被扫描物体的纹理，不能很好的表述被扫描物体的细节。因此，有必要找到一种方法能够自动快速的处理照片和点云之间的关系，并将照片中被扫描物体与三维立体模型进行融合，赋予被扫描物体的模型以原本的颜色，得到真彩色的立体模型。在2013年提交的申请号为201310557041.6的专利申请《一种三维激光成像系统的点云模型真彩色处理方法》中对于载体坐标系与相机坐标系进行了理想化处理，认为两者之间的关系能够精确的已知，但在实际情况中，相机安装方式为非固定安装，故载体坐标系和相机坐标系之间的关系不能完全精确通过测量已知，需要进行修正。
[0004]理想状态下点云从载体坐标系转换到相机坐标系的转换方式为:
【权利要求】
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U,熟h〉和导航姿态信息(gamma, θ, ψ)、点云极坐标信息U1,,只,,/u和照片，其中α,弘W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，(Y’ 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Ti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(4肩為)和姿态信息Ui, Gi, &)，其中(4，《為)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，(Yi, Qi, Vi)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(λ1,ψ1，h1,)得到地球坐标系到东北天坐标系的转换矩阵C:，根据惯组中心在地球坐标系下的姿态信息(Yi，θ” Vi)得到东北天坐标系到载体坐标系的转换矩阵Cf ； (4)将惯组中心在地球坐标系下的极坐标位置信息(為肩為:?转换为惯组中心在地球坐标系下的直角坐标位置(Xi，Yi, Zi)，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(4,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(Xdt，yek, Zdt)，其中k=l，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(mk, nk)，并根据相机CXD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巧*、方位角Θ pk，其中k=l，2，3 ； (6)利用惯组中心在地球坐标系下的直角坐标位置(Xi，yi，Zi)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zek)计算地球坐标系下惯组中心到三个特征点的矢量rek，利用转换矩阵C:将矢量rek从地球坐标系转换为东北天坐标系下的矢量rnk，再利用转换矩阵C〗将矢量rnk从东北天坐标系转换为载体坐标系下的矢量rbk'，再根据矢量rbk'和惯组中心到相机焦点在载体坐标系下的矢量rb计算得到相机焦点到点云在载体坐标系下的矢量rpk',再将矢量!Tpk'从载体坐标系转换为相机直角坐标系下的矢量rpk,计算矢量rpk在相机直角坐标系下的极坐标其中Rpk'表示距离，Qpk'表示方位角，表示俯仰角，其中k=l，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^ppk、方位角的偏差δ 0pk，其中k=l，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Λ Y、俯仰角误差Λ β、横滚角误差Λ V、相机坐标系相对于载体坐标系的位置误差S r=[ Srbx Srby Srbz]'，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
2.根据权利要求1所述的一种三维激光成像系统的相机标定方法，其特征在于:所述步骤(2)的实现方法为: 根据导航时间信息T，计算照片拍摄时间Ti所在的导航区间s，S=Hoor(T1-Td))/ΔΤ+1, AT为惯组采样周期，根据导航区间s计算出惯组中心在地球坐标系下的极坐标位置信息(為肩為)和姿态信息(Yi, Θ j, Iiri),计算方法为:
3.根据权利要求1所述的一种三维激光成像系统的相机标定方法，其特征在于:所述步骤(3)中根据惯组中心在地球坐标系下的极坐标位置信息(為,?名)得到地球坐标系到东北天坐标系的转换矩阵C的方法为:
4.根据权利要求1所述的一种三维激光成像系统的相机标定方法，其特征在于:所述步骤(4)的实现方法为:
5.根据权利要求1所述的一种三维激光成像系统的相机标定方法，其特征在于:所述步骤(5)中三个特征点的对应像素点在相机直角坐标系中的俯仰角的计算公式为
6.根据权利要求1所述的一种三维激光成像系统的相机标定方法，其特征在于:所述步骤(6)中计算在地球坐标系下惯组中心到三个特征点的矢量rek的方法为:
7.根据权利要求1所述的一种三维激光成像系统的相机标定方法，其特征在于:所述步骤(7)的实现方法为: 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的计算公式为
8.根据权利要求6或7所述的一种三维激光成像系统的相机标定方法,其特征在于:所述步骤(8)实现的方法为: 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Δ Y、俯仰角误差Λ β、横滚角误差Λ ψ、相机坐标系相对于载体坐标系的位置误差Sr=[Srbx 5rby
?的计算公式为
【文档编号】G01C25/00GK103822644SQ201410051635
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2014年2月14日
【发明者】魏宗康, 赵龙, 张晓玲, 魏子寅, 于兰萍 申请人:北京航天控制仪器研究所