激光雷达和多线阵相机组合系统的相对位姿参数优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光雷达和多线阵相机组合系统的相对位姿参数优化方法，属于多传感器融合领域，利用激光雷达数据以及激光雷达、线阵相机坐标系与世界坐标系的转换关系得到各线阵相机的物方点云集；结合线阵相机内外方位元素及成像方式计算点云集的像点坐标，并利用影像对点云集赋灰度值，计算相邻两个线阵相机的物方重叠区，生成物方重叠区图像，计算重叠区图像相似度。依据智能优化算法调整线阵相机坐标系和世界坐标系之间的转换关系，以物方影像非重叠区内物体形变程度最小以及重叠区内相似度最大为准则优化线阵相机的外参，得到多个线阵相机坐标系之间的转换关系，用于影像拼接和隧道量测，此优化方法具有足够的精度和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
激光雷达和多线阵相机组合系统的相对位姿参数优化方法
本专利技术属于多传感器融合领域，更具体地，涉及一种激光雷达和多个线阵相机组合系统的相对位姿参数优化方法。
技术介绍
在多传感器融合领域中，传感器之间的坐标系转换关系是至关重要的信息，对实际工程应用有着重要的意义。例如，在进行隧道裂缝检测的时候，由于隧道衬砌断面较大，为达到较高的裂缝检测精度，需通过多个线阵相机来实现隧道衬砌表面的覆盖，每相邻两个相机之间存在一定的重叠区域。为了直观的展示隧道衬砌表面的病害，需要把多个线阵相机的图片数据进行拼接，即把数张有重叠区域的、不同视角的图像拼成一幅大型的无缝高分辨率图像。现实中的隧道壁表面一般比较光滑，特征较少，基于特征点匹配的拼接方法往往不起作用。故需用多个线阵相机同时对隧道面进行影像数据采集，结合单线激光扫描仪采集的激光数据进行几何拼接，得到整个隧道面的全景影像，此方法可以提高隧道裂缝检测的精度和效率。因此，如何高精度和高效地进行激光雷达和多个线阵相机组合系统的相机外参优化是目前亟需解决的技术难题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种激光雷达和多线阵相机组合系统的相对位姿参数优化方法，由此解决如何高精度和高效地进行激光雷达和多线阵相机组合系统的相对位姿参数优化的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种激光雷达和多线阵相机组合系统的相对位姿参数优化方法，包括：(1)生成每个线阵相机拍摄范围内的物方点云集，并利用隧道影像分别对各所述物方点云集进行灰度赋值，以赋予点云纹理信息得到目标物方点云集；(2)根据各所述目标物方点云集得到相邻两个线阵相机之间的物方拍摄重叠区，生成物方重叠区图像，并计算所述物方重叠区图像的相似度；(3)修改各线阵相机坐标系与世界坐标系的关系，转至步骤(2)，直到所述相似度达到预设阈值或修改值达到预设参数修改范围，得到各所述线阵相机坐标系与世界坐标系的转换关系的最优参数，进而得到各所述线阵相机坐标系之间和各所述线阵相机坐标系与激光雷达坐标系的转换关系。优选地，步骤(1)包括：(1.1)对激光雷达数据进行曲线拟合，以线阵相机成像触发间距为固定间隔对所述激光雷达数据进行插值，生成加密二维激光点，并按照逆时针方向对所述加密二维激光点进行编号，将带有编号的加密二维激光点进行拟合后得到的曲线展成直线构建目标坐标轴，在所述目标坐标轴中，激光点号坐标轴为L轴，车行距离作为Z轴，将各所述加密二维激光点转换成激光雷达坐标系下的三维坐标点，根据激光雷达坐标系和世界坐标系之间的转换关系，将激光雷达坐标系下的各三维坐标点转换至世界坐标系，对世界坐标系下的各三维坐标点以线阵相机成像触发间距为固定间隔沿Z轴扩展，使世界坐标系下的物方规则点云集Z轴数值的分布范围大于线阵相机采集的影像对应的隧道断面拍摄范围，利用物方规则点云集生成拍摄断面，得到世界坐标系下的断面规则点云；(1.2)根据世界坐标系和各线阵相机坐标系之间的转换关系，结合所述世界坐标系下的断面规则点云得到每个线阵相机的第一线影像对应的物方点云集；(1.3)根据每个线阵相机的第一线影像对应的物方点云集以线阵相机成像触发间距为固定间隔向世界坐标系的Y轴反方向扩展，生成各线阵相机的拍摄范围点云集，根据每个线阵相机的拍摄范围点云集对应的像点坐标和每个线阵相机采集的隧道断面影像对每个线阵相机的拍摄范围点云集进行灰度赋值，赋予点云纹理信息，得到目标物方点云集。优选地，步骤(1.2)包括：根据世界坐标系和各线阵相机坐标系之间的转换关系，得到线阵相机扫描面方程，根据所述线阵相机扫描面方程得到世界坐标系下的断面规则点云中各点与每个线阵相机扫描面的距离，依据线阵相机成像触发间距设置阈值，若目标点对应的距离小于所述阈值，则判定所述目标点能够被拍摄到，再根据线阵相机成像方式结合相机的内外参得到所述目标点对应的像点坐标，进而生成线阵相机第一线影像对应的物方点云集。优选地，步骤(2)包括：(2.1)根据每个线阵相机对应的目标物方点云集，计算相邻两个线阵相机在世界坐标系的XOY坐标系下的矩形重叠区范围；(2.2)对相邻两个线阵相机的矩形重叠区范围内的物方点云坐标进行分析，得到世界坐标系Y轴上的范围以及激光点号坐标系L轴上的范围，以此构建一个规则的重叠区格网，并按照最近邻准则根据每个线阵相机的物方点云灰度值生成相邻两个线阵相机的物方重叠区图像，进而计算物方重叠区图像的相似度。优选地，步骤(3)包括：(3.1)确定参数调整方向，依据调整方向调整每个线阵相机坐标系与世界坐标系的关系，并重新转入步骤(2)，计算新的物方重叠区图像的相似度；(3.2)不断调整各线阵相机坐标系和世界坐标系之间的转换关系，选取物方影像非重叠区内物体形变程度最小以及重叠区内相似度最大的一组参数作为最终的线阵相机坐标系和世界坐标系之间的转换参数，进而根据激光雷达坐标系与世界坐标系的关系计算出每个线阵相机坐标系和激光雷达坐标系的转换关系以及各线阵相机坐标系之间的转换关系。优选地，步骤(3.1)包括：以满足物方影像非重叠区内物体形变程度最小为约束条件，使物方重叠区图像相似度最大为目标的目标函数，根据所述目标函数确定参数调整方向，依据调整方向调整每个线阵相机坐标系与世界坐标系的关系，并重新转入步骤(2)，计算新的物方重叠区图像的相似度。优选地，参数调整包括R调整和T调整，其中，R调整是修改世界坐标系与线阵相机坐标系之间的旋转关系；T调整是修改世界坐标系与线阵相机坐标系之间的平移关系。优选地，所述根据所述目标函数确定参数调整方向，依据调整方向调整每个线阵相机坐标系与世界坐标系的关系，包括：根据初始的线阵相机坐标系与世界坐标系的转换关系及所述目标函数确定每个待调整变量趋近最优值的方向，以该方向为基础对待调整参数进行调整，将调整后的所有参数组合进行重叠区相似度的计算，选取物方重叠区图像相似度最大的一组参数作为第一次调整的最优参数；根据第一次调整的最优参数及所述目标函数确定每个待调整变量趋近最优值的方向，以该方向为基础对第一次调整的最优参数进行调整，将调整后的所有参数组合进行重叠区相似度的计算，选取物方重叠区图像相似度最大的一组参数作为第二次调整的最优参数；根据第二次调整的最优参数及所述目标函数确定每个待调整变量趋近最优值的方向，以该方向为基础对第二次调整的最优参数进行调整，将调整后的所有参数组合进行重叠区相似度的计算，选取物方重叠区图像相似度最大的一组参数作为最终的线阵相机坐标系和世界坐标系之间的转换参数。按照本专利技术的另一方面，提供了一种激光雷达和多线阵相机组合系统的相对位姿参数优化装置，包括：物方点云集获取模块，用于生成每个线阵相机拍摄范围内的物方点云集，并利用隧道影像分别对各所述物方点云集进行灰度赋值，以赋予点云纹理信息得到目标物方点云集；相似度计算模块，用于根据各所述目标物方点云集得到相邻两个线阵相机之间的物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光雷达和多线阵相机组合系统的相对位姿参数优化方法，其特征在于，包括：/n(1)生成每个线阵相机拍摄范围内的物方点云集，并利用隧道影像分别对各所述物方点云集进行灰度赋值，以赋予点云纹理信息得到目标物方点云集；/n(2)根据各所述目标物方点云集得到相邻两个线阵相机之间的物方拍摄重叠区，生成物方重叠区图像，并计算所述物方重叠区图像的相似度；/n(3)修改各线阵相机坐标系与世界坐标系的关系，转至步骤(2)，直到所述相似度达到预设阈值或修改值达到预设参数修改范围，得到各所述线阵相机坐标系与世界坐标系的转换关系的最优参数，进而得到各所述线阵相机坐标系之间和各所述线阵相机坐标系与激光雷达坐标系的转换关系。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达和多线阵相机组合系统的相对位姿参数优化方法，其特征在于，包括：
(1)生成每个线阵相机拍摄范围内的物方点云集，并利用隧道影像分别对各所述物方点云集进行灰度赋值，以赋予点云纹理信息得到目标物方点云集；
(2)根据各所述目标物方点云集得到相邻两个线阵相机之间的物方拍摄重叠区，生成物方重叠区图像，并计算所述物方重叠区图像的相似度；
(3)修改各线阵相机坐标系与世界坐标系的关系，转至步骤(2)，直到所述相似度达到预设阈值或修改值达到预设参数修改范围，得到各所述线阵相机坐标系与世界坐标系的转换关系的最优参数，进而得到各所述线阵相机坐标系之间和各所述线阵相机坐标系与激光雷达坐标系的转换关系。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括：
(1.1)对激光雷达数据进行曲线拟合，以线阵相机成像触发间距为固定间隔对所述激光雷达数据进行插值，生成加密二维激光点，并按照逆时针方向对所述加密二维激光点进行编号，将带有编号的加密二维激光点进行拟合后得到的曲线展成直线构建目标坐标轴，在所述目标坐标轴中，激光点号坐标轴为L轴，车行距离作为Z轴，将各所述加密二维激光点转换成激光雷达坐标系下的三维坐标点，根据激光雷达坐标系和世界坐标系之间的转换关系，将激光雷达坐标系下的各三维坐标点转换至世界坐标系，对世界坐标系下的各三维坐标点以线阵相机成像触发间距为固定间隔沿Z轴扩展，使世界坐标系下的物方规则点云集Z轴数值的分布范围大于线阵相机采集的影像对应的隧道断面拍摄范围，利用物方规则点云集生成拍摄断面，得到世界坐标系下的断面规则点云；
(1.2)根据世界坐标系和各线阵相机坐标系之间的转换关系，结合所述世界坐标系下的断面规则点云得到每个线阵相机的第一线影像对应的物方点云集；
(1.3)根据每个线阵相机的第一线影像对应的物方点云集以线阵相机成像触发间距为固定间隔向世界坐标系的Y轴反方向扩展，生成各线阵相机的拍摄范围点云集，根据每个线阵相机的拍摄范围点云集对应的像点坐标和每个线阵相机采集的隧道断面影像对每个线阵相机的拍摄范围点云集进行灰度赋值，赋予点云纹理信息，得到目标物方点云集。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1.2)包括：
根据世界坐标系和各线阵相机坐标系之间的转换关系，得到线阵相机扫描面方程，根据所述线阵相机扫描面方程得到世界坐标系下的断面规则点云中各点与每个线阵相机扫描面的距离，依据线阵相机成像触发间距设置阈值，若目标点对应的距离小于所述阈值，则判定所述目标点能够被拍摄到，再根据线阵相机成像方式结合相机的内外参得到所述目标点对应的像点坐标，进而生成线阵相机第一线影像对应的物方点云集。


4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玉春，李亚楠，张博，陈玉曦，陈宇飞，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42