一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法技术

本发明专利技术提供一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，摄像机水下采集标定板图像，通过标定获得摄像机内参数，推导标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系；前视声纳获取水下环境的声学回波数据，推导前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系；通过上述两个关系，完成水下摄像机与前视声纳之间的联合标定。本发明专利技术属于非接触式标定方法，操作简便迅捷、可以大大降低因复杂的人工参与和标定工具所带来的随机误差，提高了标定效率；目标特征既可以在摄像机图像中得以实现，又可以在声纳系统中获得其二维位置信息；能够得到两个传感器测量系统的相对位置关系，解决了标定测量过程繁琐、精确度较差等缺点，具有很强的操作性。

A Joint Calibration Method of Underwater Camera and Forward Looking Sonar

The present invention provides a joint calibration method for underwater camera and forward-looking sonar. The camera captures the image of calibration plate underwater, obtains the camera internal parameters through calibration, derives the three-dimensional coordinate transformation relationship between the calibration plate coordinate system and the underwater camera coordinate system, and the forward-looking sonar obtains the acoustic echo data of underwater environment, derives the three-dimensional coordinate system of the front-looking sonar coordinate system and the center of mass coordinate system of the calibration The coordinate transformation relationship is used to accomplish the joint calibration between underwater camera and forward looking sonar. The present invention belongs to a non-contact calibration method, which is simple and quick to operate, can greatly reduce random errors caused by complex manual participation and calibration tools, and improve the calibration efficiency; target features can be realized in camera images, and two-dimensional position information can be obtained in sonar system; and the relative position relationship between two sensor measurement systems can be obtained. It solves the shortcomings of tedious calibration and measurement process and poor accuracy, and has strong operability.

【技术实现步骤摘要】
一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法
本专利技术属于图像处理和信息融合领域，具体涉及一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法。
技术介绍
对于无人运动平台环境中的感知系统，利用多传感器数据融合技术可以减少环境等外部因素对系统性能的影响。水下环境的特殊性也是一大难点，由于无线电波在水中激素衰减和扩散，广泛应用于陆地环境监测的雷达探测系统不适用于水下探测环境。普通光源在水下照明时，由于水介质和水中微粒的吸收和散射，光能量损耗很多而且产生严重的散射光，大大降低了成像质量。光波在复杂的海洋环境中作用有限，不能满足水下的实际需要。而声波不仅在水中传播距离较远，而且适用于水文环境复杂多变的情况，因此成为了一种较为理想的水下探测与环境感知的手段。在实际研究中，水下摄像机与声纳系统的联合应用于水下机器人运动信息的获取和三维重建等技术中。声纳可以量测到水下物体的二维信息，相对于其他测距仪器测量精度要高得多。而水下摄像机可以获取物体的其他信息，比如形状、尺寸等。水下摄像机和声纳的联合使用可以获得被测量物体更加丰富全面的信息，并且还能够提高测量信息的准确性和简化信息处理过程，在性能上能够达到良好的互补效果。但是由于这两种传感器所获取的数据都是基于各自的坐标系，而实际的数据融合过程需要把这两种传感器系统采集到的数据表示在同一坐标系下。因此，首先要做的工作就是对这两种传感器系统进行联合标定来确定这两个坐标系之间的相对关系。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，利用标定板作为中间介质完成两个系统相对坐标系的转换及相对位置的实时确定，解决了现有技术测量过程繁琐、精确度较差等缺点。本专利技术的目的是这样实现的：一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，具体的实现步骤如下：步骤1.水下摄像机的目标光学探测模块在水下采集不少于20幅标定板图像，通过标定获得摄像机内参数，通过水下摄像机内参数和标定板角点位置，计算标定板坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，推导标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系，标定板平面直角坐标系为ObXbYbZb，原点为标定板的右下角，标定板两边分别为ObXb、ObYb，ObZb轴垂直于标定板平面，摄像机坐标系为OcXcYcZc；步骤2.声学探测模块通过单波束机械扫描式前视声纳获取水下环境的声学回波数据，通过数据处理获得前视声纳与标定板质心之间的距离和角度关系，推导前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系，标定板质心平面直角坐标系为Ob'Xb'Yb'Zb'，原点为标定板的质心处，质心所对应的与标定板两边平行的边分别为Ob'Xb'、Ob'Yb'，Ob'Zb'轴垂直于标定板平面，声呐的直角坐标系为OsXsYsZs；步骤3.通过标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系、前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系，计算出摄像机坐标系与声纳坐标系的转换，即完成水下摄像机与前视声纳之间的联合标定。步骤1所述的摄像机坐标系与标定板平面坐标系之间的三维转换关系为其中Rb→c为正交旋转矩阵，Tb→c为平移矩阵。步骤2所述的声纳坐标系与标定板质心坐标系之间的三维转换关系为其中声纳与标定板的坐标系原点距离为r、角度为θ。步骤3所述的标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系、前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系，标定板质心坐标系与标定板坐标系的旋转矩阵和平移矩阵为其中点Ob与点Ob′之间m，n分别为标定板水平方向物理尺寸和竖直方向棋盘格数目；Dy，Dx分别为标定板一个棋盘格水平方向物理尺寸和竖直方向物理尺寸，则标定板质心坐标系与标定板平面坐标系之间的三维转换关系为步骤3所述的摄像机坐标系与声纳坐标系的三维转换关系为其中Rb→c为摄像机与标定板之间的正交旋转矩阵，Tb→c为摄像机与标定板之间的平移矩阵，m、n分别为点Ob与点Ob′之间标定板水平方向物理尺寸和竖直方向棋盘格数目，Dy、Dx分别为标定板一个棋盘格水平方向物理尺寸和竖直方向物理尺寸，声纳与标定板的坐标系原点距离为r、角度为θ。标定板同时存在于水下摄像机和前视声纳的探测视野范围内，水下摄像机和前视声纳在同一时间采集标定板的水下光学和水下声学图像。水下摄像机与标定板的三维坐标转换关系通过张正友单目摄像机标定法获得，利用张正友标定法进行摄像机内外参数的标定，得到摄像机的有效焦距、图像主点坐标、正交旋转矩阵和平移向量。设定前视声纳量程、敏感度、增益参数，通过前视声纳接收量程范围内的标定板回波信号，获得标定板的方位、大小、形态信息；通过中值滤波对声纳图像进行噪声滤除，采用区域生长法对声纳图像进行图像分割，提取标定板质心位置及角度信息；质心是指图像分割后标定板目标的最小外接矩形的中心。本专利技术的有益效果在于：本专利技术属于非接触式标定方法，操作简便迅捷、可以大大降低因复杂的人工参与和标定工具所带来的随机误差，提高了标定效率；目标特征既可以在摄像机图像中得以实现，又可以在声纳系统中获得其二维位置信息；能够得到两个传感器测量系统的相对位置关系，解决了标定测量过程繁琐、精确度较差等缺点，具有很强的操作性。附图说明图1为本专利技术坐标系示意图。图2为本专利技术联合标定方法流程图。图3为同一场景下水下摄像机采集的标定板光学图像。图4为同一场景下前视声纳采集的标定板声学图像。图5为计算机根据前视声纳图像处理的目标距离方位结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的描述：实施例1本专利技术的目的在于提供了一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，利用标定板作为中间介质完成两个系统相对坐标系的转换及相对位置的实时确定，解决了现有技术测量过程繁琐、精确度较差等缺点。本专利技术的目的是这样实现的：一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，具体的实现步骤如下：步骤1.水下摄像机的目标光学探测模块在水下采集不少于20幅标定板图像，通过标定获得摄像机内参数，通过水下摄像机内参数和标定板角点位置，计算标定板坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，推导标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系，标定板平面直角坐标系为ObXbYbZb，原点为标定板的右下角，标定板两边分别为ObXb、ObYb，ObZb轴垂直于标定板平面，摄像机坐标系为OcXcYcZc；步骤2.声学探测模块通过单波束机械扫描式前视声纳获取水下环境的声学回波数据，通过数据处理获得前视声纳与标定板质心之间的距离和角度关系，推导前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系，标定板质心平面直角坐标系为Ob'Xb'Yb'Zb'，原点为标定板的质心处，质心所对应的与标定板两边平行的边分别为Ob'Xb'、Ob'Yb'，Ob'Zb'轴垂直于标定板平面，声呐的直角坐标系为OsXsYsZs；步骤3.通过标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系、前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系，计算出摄像机坐标系与声纳坐标系的转换，即完成水下摄像机与前视声纳之间的联合标定。步骤1所述的摄像机坐标系与标定板平面坐标系之间的三维转换关系为其中Rb→c为正交旋转矩阵，Tb→c为平移矩阵。步骤2所述的声纳坐标系与标定板质心坐标系之间的三维转换关系为其中声纳与标定板的坐标系原点距离为r、角本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，其特征在于，具体的实现步骤如下：步骤1.水下摄像机的目标光学探测模块在水下采集不少于20幅标定板图像，通过标定获得摄像机内参数，通过水下摄像机内参数和标定板角点位置，计算标定板坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，推导标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系，标定板平面直角坐标系为ObXbYbZb，原点为标定板的右下角，标定板两边分别为ObXb、ObYb，ObZb轴垂直于标定板平面，摄像机坐标系为OcXcYcZc；步骤2.声学探测模块通过单波束机械扫描式前视声纳获取水下环境的声学回波数据，通过数据处理获得前视声纳与标定板质心之间的距离和角度关系，推导前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系，标定板质心平面直角坐标系为Ob'Xb'Yb'Zb'，原点为标定板的质心处，质心所对应的与标定板两边平行的边分别为Ob'Xb'、Ob'Yb'，Ob'Zb'轴垂直于标定板平面，声呐的直角坐标系为OsXsYsZs；步骤3.通过标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系、前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系，计算出摄像机坐标系与声纳坐标系的转换，即完成水下摄像机与前视声纳之间的联合标定。...

【技术特征摘要】
1.一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，其特征在于，具体的实现步骤如下：步骤1.水下摄像机的目标光学探测模块在水下采集不少于20幅标定板图像，通过标定获得摄像机内参数，通过水下摄像机内参数和标定板角点位置，计算标定板坐标系与摄像机坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，推导标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系，标定板平面直角坐标系为ObXbYbZb，原点为标定板的右下角，标定板两边分别为ObXb、ObYb，ObZb轴垂直于标定板平面，摄像机坐标系为OcXcYcZc；步骤2.声学探测模块通过单波束机械扫描式前视声纳获取水下环境的声学回波数据，通过数据处理获得前视声纳与标定板质心之间的距离和角度关系，推导前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系，标定板质心平面直角坐标系为Ob'Xb'Yb'Zb'，原点为标定板的质心处，质心所对应的与标定板两边平行的边分别为Ob'Xb'、Ob'Yb'，Ob'Zb'轴垂直于标定板平面，声呐的直角坐标系为OsXsYsZs；步骤3.通过标定板坐标系到水下摄像机坐标的三维坐标转换关系、前视声纳坐标系与标定板质心坐标系的三维坐标转换关系，计算出摄像机坐标系与声纳坐标系的转换，即完成水下摄像机与前视声纳之间的联合标定。2.根据权利要求1所述的一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，其特征在于：步骤1所述的摄像机坐标系与标定板平面坐标系之间的三维转换关系为其中Rb→c为正交旋转矩阵，Tb→c为平移矩阵。3.根据权利要求1所述的一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，其特征在于：步骤2所述的声纳坐标系与标定板质心坐标系之间的三维转换关系为其中声纳与标定板的坐标系原点距离为r、角度为θ。4.根据权利要求1所述的一种水下摄像机与前视声纳的联合标定方法，其特征在于：步骤3所述的标定板坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛明伟，唐松奇，万磊，秦洪德，王卓，李岳明，刘奕晖，金巧园，李俊，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23