一种车载移动测量系统高清全景相机外参数标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种车载移动测量系统高清全景相机外参数标定方法，属于摄影测量 和三维激光技术领域。
【背景技术】
[0002] 车载移动测量系统由定位定姿系统（POS)、三维激光扫描仪与高清全景相机、工控 机系统以及车辆载体组成，其中POS系统获取的高频率高精度位置姿态参数，激光扫描仪 获取扫描对象的精确三维坐标，全景相机获取采集对象的纹理信息，工控机系统用于多传 感器的同步及控制。在同一的时间空间参考下，多传感器数据能够根据几何关系进行融合， 为后续数字城市三维建模、大比例尺制图等基础数据建设提供快速、准确的支持。
[0003] 为保证采集获取的数据精度，需要对车载移动测量系统进行设备标定，其中包括 高清全景相机外参数的标定，标定完成后可以得到全景相机在载体坐标系下的精确位置参 数和姿态参数，便于后续进行数据融合。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有技术面临的问题，而提供一种基于同名特征匹配的 车载移动测量系统高清全景相机外参数标定方法，获取高清全景相机在系统中的精确位置 和姿态参数，从而确保系统采集的数据的精度和可靠性，用于后期多传感器数据（点云、影 像、POS数据）的融合。
[0005] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：提出一种车载移动测量系统高清 全景相机外参数标定方法，首先，使用车载三维激光测量系统进行采集数据，采集数据过程 在车辆行驶中进行，三维激光扫描仪用于获取点云数据，GPS导航仪与惯性制导系统构成的 POS系统用于获取姿态位置信息，而高清全景相机则用于获取全景相片。三维激光扫描仪经 过标定，采集的点云数据完成融合解算后具备精确的绝对坐标，高清全景相机内部多个镜 头经过标定，能够获取在全景相机坐标系下三维坐标在全景相片上的精确位置。定义车载 三维激光测量系统中的载体坐标系，以POS系统中心点为坐标系原点，车辆行驶的方向为Y 轴正方向，垂直向上的方向为Z轴正方向，全景相机内部存在三维空间直角坐标系，则全景 相机的外参数可表示载体坐标系转换至全景相机坐标系的变换关系，再按如下步骤操作：
[0006] 步骤1、选择多张全景相片，在单张全景相片Pano ImageiI选择多个特征，获取特 征的影像坐标（Uf vy，同时在点云数据中选择特征对应的绝对坐标 多个同名特征对；
[0007] 步骤2、对单张全景相片Pano Imagei,有全景相机拍照时刻&的POS系统位置 (&?，t, ZiL.)及姿态)，根据POS位置及姿态，将同名特征中的绝对 空间坐标转换至载体坐标系下的坐标
[0008] 步骤3、根据全景相机在载体坐标系中 初值(1W二，,户触二。，，办"二。，），将载体坐标系下的坐标(XL，?χ.，ZL)转换至 全景相机坐标系下的坐标;)后，根据全景相机内部标定参数，获取其在 全景相机上的像素值计算其与（Uw Vj的差值，获取每个同名特征的残差值 -6)。根据前述转换过程，列出误差方程后，然后根据最小二乘间接平差原 理，求解全景相机外参数，包括位置参数（xp_-p()s，YP_- P()S，ZP__P(J及姿态参数（Yawp__ p()S， Pitchpano-p0S' Rollpano-p0S);
[0009] 步骤4、计算平差结果的中误差δ，在大于阈值34寸，需要检查同名特征的残差 值，对于残差值较大的同名特征，将其剔除，重新选择同名特征进行步骤1至步骤3,直至满 足中误差S小于阈值δ τ。
[0010] 本发明的方法步骤1中所述选择多张全景相片，在选择时应遵循选择具备明显特 征场景的照片，如建筑物角点等。在单个全景相片上同名特征个数应当大于等于7对，对同 名特征对应该包含在点云数据中的绝对坐标Zi ；)，全景相片帧号i，在全景相片 上的像素坐标（uu，vy，其中i表示全景相片帧号，j表示第i帧全景相片的同名特征索引。
[0011] 本发明的方法步骤2中所述根据拍照时刻、的POS位置初值^和姿 态初值，POS系统按照一定频率进行数据采集，根据时间对其原则， 对拍照时刻h，可以通过插值方法获取该时刻的POS系统的位置和姿态，每一张全景相片都 对应唯一时刻，即每一张全景相片均可以获取各自对应的POS系统的位置和姿态参数。通 过该位置和姿态，可以得到从绝对坐标系到载体坐标系的转换关系。通过公式①，可以将绝 对坐标Ρ?，t，zi ；)转换至载体坐标系下的坐标
【主权项】
1. 一种车载移动测量系统高清全景相机外参数标定方法，使用车载三维激光测量系统 进行采集数据，采集数据过程在车辆行驶中进行，三维激光扫描仪用于获取点云数据，GPS 导航仪与惯性制导系统构成的POS系统用于获取姿态位置信息，而高清全景相机则用于获 取全景相片。三维激光扫描仪经过标定，采集的点云数据完成融合解算后具备精确的绝对 坐标，高清全景相机内部多个镜头经过标定，能够获取在全景相机坐标系下三维坐标在全 景相片上的精确位置。定义车载三维激光测量系统中的载体坐标系，以POS系统中心点为 坐标系原点，车辆行驶的方向为Y轴正方向，垂直向上的方向为Z轴正方向，全景相机内部 存在三维空间直角坐标系，则全景相机的外参数可表示载体坐标系转换至全景相机坐标系 的变换关系，其特征在于：再按如下步骤操作： 步骤1、选择多张全景相片，在单张全景相片Pano ImageiI选择多个特征，获取特征的 影像坐标（?, vy，同时在点云数据中选择特征对应的绝对坐标(力；,，坻，21；)，构建多个 同名特征对； 步骤2、对单张全景相片Pano Imagei,有全景相机拍照时刻1^的POS系统位置 t，ZJwi)及姿态，/?〇//；")，根据POS位置及姿态，将同名特征中的绝 对空间坐标，Zi )转换至载体坐标系下的坐标); 步骤3、根据全景相机在载体坐标系中位置(％^()_^,1^。_/)("，2^。_^；)和姿态初 值，，户iWC，，办//二，），将载体坐标系下的坐标(^?，^，4?!)转换至 全景相机坐标系下的坐标^^"。，>^。，2^。；).后，根据全景相机内部标定参数，获取其在 全景相机上的像素值计算其与的差值，获取每个同名特征的残差值 ，以-4)。根据前述转换过程，列出误差方程后，然后根据最小二乘间接平差原 理，求解全景相机外参数，包括位置参数（xp_-p()s，YP_- P()S，Zp__p(J及姿态参数（Yawp__ p()S， Pitchpano-p0S' R011pano-p0S); 步骤4、计算平差结果的中误差δ，在大于阈值δ #寸，需要检查同名特征的残差值，对 于残差值较大的同名特征，将其剔除，重新选择同名特征进行步骤1至步骤3,直至满足中 误差S小于阈值δ τ。
2. 根据权利要求1所述的车载移动测量系统高清全景相机外参数标定方法，其特征在 于：步骤1中所述选择多张全景相片，在选择时应遵循选择具备明显特征场景的照片，如建 筑物角点等。在单个全景相片上同名特征个数应当大于等于7对，对同名特征对应该包含 在点云数据中的绝对坐标(715，>1，21；)，全景相片帧号1，在全景相片上的像素坐标卬^ Vij)，其中i表示全景相片帧号，j表示第i帧全景相片的同名特征索引。
3. 根据权利要求1所述的车载移动测量系统高清全景相机外参数标定方法，其特 征在于：步骤2中所述根据拍照时刻&的POS位置初值?，:和姿态初值 ，/?O//^)，POS系统按照一定频率进行数据采集，根据时间对其原则，对拍照 时刻ti，可以通过插值方法获取该时刻的POS系统的位置和姿态，每一张全景相片都对应唯 一时刻，即每一张全景相片均可以获取各自对应的POS系统的位置和姿态参数。通过该位 置和姿态，可以得到从绝对坐标系到载体坐标系的转换关系。通过公式①，可以将绝对坐标 (义i.，yi，zi)转换至载体坐标系下的坐标?"，d ):
其中，为由姿态参数I中三个旋转角构建的旋转矩阵。
4.根据权利要求1所述的车载移动测量系统高清全景相机外参数标定方法，其特征在 于：步骤3中所述的根据根据全景相机在载体坐标系中位置 和姿态初值(^^^。-^，^^^--/-，^^^-/?^，位置和姿态参数在按照设计值进行系统集 成，将该设计值作为初值，其代表着从全景相机内部定义空间坐标系转换至载体坐标系的 变换关系，按照公式②，可计算出在载体坐标系下的坐标值转换至全景相 机坐标系下的坐标? XJmtj，；!，
其中，Rpant^s为姿态参数此中三个旋转角构建的旋转 矩阵。 根据共线方程原理，有公式③可计算全景坐标系下坐标'^对应的全景 相片上的像素坐标
其中，为全景坐标系转换至相片空间坐标系的旋转矩阵，f表示相机镜头的内方 位元素，通过全景相机内标定后，上述参数均可获得。 计算全景相片坐标之后，求解其余观测值的差值作 为残差，对全景相片上每一对同名特征有2个方程，若存在η对同名特征，可列出2n个误差 方程式，其总误差方程的矩阵形式④为： V = AX-L...................................................@ 根据最小二乘间接平差原理，可列出法方程式⑤： AtPAX = AtPL.......................................⑤ 式中，P作为观测值的权矩阵，它反映了观察值的量测精度。对所有同名特征，一般认 为等观测量测，则P为单位矩阵，由此可得到法方程解的表达式⑥： X = (AtA)-1AtL....................................⑥ 从而求解出全景相机外参数，包括位置参数（XP_-P()S，YpamT ros, ZP__P()S)及姿态参数 (YsuVpano-p0S' Pitchpano-p0S' Rollpano-p0S)。
5.根据权利要求1所述的车载移动测量系统高清全景相机外参数标定方法，其特征在 于：步骤4中所述计算中误差δ，设定阈值δτ，判断δ是否大于阈值δτ，如果大于，则需 要计算出每一同名特征的残差值-%.,以-%)，剔除残差值最大的同名特征，重新选择 同名特征后，进行步骤1、步骤2、步骤3,直至中误差δ小于阈值δ。
【专利摘要】本发明涉及一种车载移动测量系统高清全景相机外参数标定方法，操作步骤为：选择多张全景相片，在单张全景相片上选择多个特征，获取特征的影像坐标，同时在点云数据中选择特征对应的绝对坐标；根据全景相机拍照时刻的POS位置及姿态，将绝对空间坐标转换至载体坐标系下的坐标；根据全景相机在载体坐标系中位置和姿态初值，将载体坐标系下的坐标转换至全景相机坐标系下的坐标后，根据全景相机内部标定参数，获取其像素值，计算差值，获取每个同名特征的残差值；计算平差结果的中误差，大于阈值时需检查同名特征的残差值，剔除残差值较大的同名特征，重新选择同名特征，直至满足中误差小于阈值。本发明方法可以确保系统采集数据的精度和可靠性。
【IPC分类】G01C25-00
【公开号】CN104833372
【申请号】CN201510169801
【发明人】危迟
【申请人】武汉海达数云技术有限公司
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月13日