CN113391298A - 一种激光雷达的参数标定方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光雷达的参数标定方法和装置，将Spot dToF激光雷达的激光源投射到具有光反射效果的平板上；根据传感器采集的最高触发次数P，将各像素的P值转换为灰度值I并生成对应的灰度图；以所述灰度图中各斑点中灰度值最大的像素点P1作为斑点图的特征点；设置双目激光传感器采集平板上斑点的图像，提取两张斑点图中每个斑点中心像素点作为各自斑点图的特征点；根据各斑点中心的深度值和斑点在双目激光传感器内单个传感器的灰度图中的像素坐标Pl，以及传感器内参矩阵K计算斑点在相机坐标系下的坐标；变换Spot dToF激光雷达的位姿，得到多帧激光雷达传感器获得的斑点图像素特征点坐标和平板上斑点中心的世界坐标，并进行内参求解。

Description

一种激光雷达的参数标定方法和装置
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种激光雷达的参数标定方法和装置。
背景技术
Spot dToF(direct Time of Flight)激光雷达的激光源(不可见光)为散斑状并经过衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)分散，它通过直接计算飞行时间来测量深度。但是要想计算测量物体的3d坐标信息，需要对激光传感器进行内参标定。
如公开号CN 107179534A的专利申请文件提供的激光雷达参数自动标定的方法包括：在标定场中设置第一标志物，该第一标志物具有第一标志点，利用激光雷达对该标定场进行激光扫描，获取扫描数据：对该第一标志物的所在位置处的扫描数据进行拟合，获取该第一标志点的拟合空间坐标；利用该拟合空间坐标以及该第一标志点的测量空间坐标之间的误差，进行激光雷达参数的解算，利用解算出的激光雷达参数进行自动标定。以及公开号为CN209460399U的申请文件也提供了一种多线激光雷达的参数标定方法。
由于光源是散斑状的，面阵激光传感器无法做到所有像素都感光，所以得到的图像也是稀疏的斑点状图像。Spot dToF的成像特点导致了不论是通过3d点云数据还是激光灰度数据都无法有效提取空间特征点，这对激光传感器的内参标定带来极大困难。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种激光雷达的参数标定方法和装置，解决Spot dToF激光雷达的光源特性导致的不论从3d点云数据还是激光灰度数据都无法提取传统标定板上的特征点像素坐标和世界坐标，从而无法完成标定的问题。
为实现上述发明目的，本申请的技术方案如下：
一种激光雷达的参数标定方法，包括：
(1)将Spot dToF激光雷达的激光源投射到具有光反射效果的平板上；
(2)利用Spot dToF激光传感器面采集平板上斑点的图像，统计传感器各像素雪崩二极管触发的次数n和飞行时间t；
(3)根据单位时间段内所有像素的最高触发次数P，将各像素的P值转换为灰度值I并生成对应的灰度图；
(4)以所述灰度图中各斑点中灰度值最大的像素点P1(u1,v1)作为斑点图的特征点；
(5)设置双目激光传感器采集平板上斑点的图像，提取两张斑点图中每个斑点中心像素点作为各自斑点图的特征点，并计算平板上斑点到双目传感器的深度Z；
(6)根据各斑点中心的深度值和斑点在双目激光传感器内单个传感器的灰度图中的像素坐标Pl(ul,vl)，以及传感器内参矩阵K计算斑点在相机坐标系下的坐标(X,Y,Z)；
(7)变换Spot dToF激光雷达的位姿，重复步骤(4-6)，得到多帧激光雷达传感器获得的斑点图像素特征点坐标和平板上斑点中心的世界坐标，根据相机模型、平板上斑点中心的世界坐标(X,Y,Z)、图像角点坐标(u,v)和相机内参fx,fy,cx,cy进行内参求解。
优选的，所述平板具有较高反射率，投射的光源呈斑点状分布。
所述的较高反射率指对Spot dToF光源类型的激光总反射率在80％以上，漫反射率在60％以上。
优选的，在步骤(3)中，以时间为坐标横轴，触发次数为坐标纵轴，统计单位时间段内的最高触发次数P，传感器所有像素的P值，把各像素的P值按下式转换成0-255区间的灰度值I即可得到平板上斑点的图像；
I＝P/maxP*255
式中maxP是所有像素P值中的最大值。
优选的，所述双目激光传感器成像的像素灰度值由每个像素接收到的激光强度S决定，把各像素的S值按下式转换成0-255区间的灰度值I即可得到平板上斑点的图像；
I＝S/maxS*255
式中的maxS是所有像素S值中的最大值。
优选的，在步骤(5)中，根据斑点的分布特征，对两张图中的特征点Pl(ul,vl)，Pr(ur,vr)进行一一对应。
优选的，在步骤(6)中，计算斑点在相机坐标系下的坐标(X,Y,Z)的公式如下：
Figure BDA0003050064170000031
式中Z为深度值，K为传感器内参矩阵。
优选的，在步骤(7)中，内参求解的公式如下：
Figure BDA0003050064170000032
式中：R为平板上斑点中心的世界坐标换成Spot dToF相机坐标时的旋转矩阵，t为平板上斑点中心的世界坐标转换成Spot dToF相机时的平移向量
本申请还提供用于实现上述激光雷达的参数标定方法的装置，包括：
spot dToF激光雷达，由激光投射器和激光传感器组成；
具有光反射效果的平板；
和设置在所述spot dToF激光雷达附件的双目激光传感器。
本发明利用Spot dToF激光雷达自己投射出的斑点状光束进行标定，借助双目激光传感器对不可见光成像，能够顺利完成激光雷达的内参标定。
附图说明
图1为散斑激光光源投射到高反射率平板上的示意图；
图2为dtof激光雷达传感器单个像素雪崩二极管触发的次数n和飞行时间t的统计曲线；
图3为待标定Spot dToF激光雷达，双目激光传感器于标定平板的布局示意图；
图4为双目测量深度数几何模型图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例中激光雷达的参数标定方法，如图1和图4所示，对应的标定装置包括具有较高反射率的平板100；spot dToF激光雷达200，由激光投射器和激光传感器组成；和设置在spot dToF激光雷达200附件的双目激光传感器300。
根据上述的装置结构，内参标定方法的具体步骤如下：
(1)将Spot dToF激光雷达200的激光源投射到一块对光源具有较高反射率的平板100上，如图1所示，光源呈斑点状分布，图中所示的斑点101分布形式只是一个例子，也有可能是其他任何分布形式。由于激光源是不可见光，所以斑点肉眼不可见。
(2)Spot dToF激光传感器面对平板采集平板上斑点的图像，统计传感器各像素雪崩二极管触发的次数n和飞行时间t。
(3)以时间为坐标横轴，触发次数为坐标纵轴，统计单位时间段内的最高触发次数P，如图2所示。
(4)统计传感器所有像素的P值，把各像素的P值按下式转换成0-255区间的灰度值I即可得到平板上斑点的图像；
I＝P/maxP*255
公式中maxP是所有像素P值中的最大值。
(5)提取步骤4获得的斑点灰度图中每个斑点中灰度值最大的像素点P1(u1,v1)作为斑点图的特征点。
(6)在Spot dToF激光传感器的附近放置两个事先已经做过双目标定的可以检测Spot dToF光源类型激光的高分辨率传感器模组(即双目激光传感器300)，如图3所示。这种传感器成像的像素灰度值由每个像素接收到的激光强度S决定，把各像素的S值按下式转换成0-255区间的灰度值I即可得到平板上斑点的图像；
I＝S/maxS*255
公式中的maxS是所有像素S值中的最大值。
本实施例中的双目激光传感器的成像原理只是一种举例形式，其他合理的成像原理亦可。
(7)提取双目激光传感器获得的两张斑点图中每个斑点中心像素点作为各自斑点图的特征点，并根据斑点的分布特征把两张图中的特征点Pl(ul,vl)，Pr(ur,vr)一一对应起来。
(8)如图4所示，利用两幅图中一一对应的双目三角测量原理计算平板上斑点到双目传感器的深度Z。
Figure BDA0003050064170000051
(9)利用步骤8计算出来的各斑点中心的深度值和斑点在双目传感器其中之一(这里以左传感器为例)的灰度图中的像素坐标Pl(ul,vl)以及传感器内参矩阵K计算斑点在相机坐标系下的坐标(X，Y，Z)。
Figure BDA0003050064170000052
(10)变换Spot dToF激光雷达的位姿，重复步骤5、7、8、9，得到多帧激光雷达传感器获得的斑点图像素特征点坐标和平板上斑点中心的世界坐标，根据相机模型，标定板世界坐标(X，Y，Z)，图像角点坐标(u，v)和相机内参fx,fy,cx,cy的关系如下式所示,将多组斑点的世界坐标和像素坐标带入下式进行内参求解。
Figure BDA0003050064170000061
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光雷达的参数标定方法，其特征在于，包括：
(1)将Spot dToF激光雷达的激光源投射到具有光反射效果的平板上；
(2)利用Spot dToF激光传感器面采集平板上斑点的图像，统计传感器各像素雪崩二极管触发的次数n和飞行时间t；
(3)根据单位时间段内所有像素的最高触发次数P，将各像素的P值转换为灰度值I并生成对应的灰度图；
(4)以所述灰度图中各斑点中灰度值最大的像素点P1(u1,v1)作为斑点图的特征点；
(5)设置双目激光传感器采集平板上斑点的图像，提取两张斑点图中每个斑点中心像素点作为各自斑点图的特征点，并计算平板上斑点到双目传感器的深度Z；
(6)根据各斑点中心的深度值和斑点在双目激光传感器内单个传感器的灰度图中的像素坐标Pl(ul,vl)，以及传感器内参矩阵K计算斑点在相机坐标系下的坐标(X,Y,Z)；
(7)变换Spot dToF激光雷达的位姿，重复步骤(4-6)，得到多帧激光雷达传感器获得的斑点图像素特征点坐标和平板上斑点中心的世界坐标，根据相机模型、平板上斑点中心的世界坐标(X,Y,Z)、图像角点坐标(u,v)和相机内参fx,fy,cx,cy进行内参求解。
2.根据权利要求1所述的激光雷达的参数标定方法，其特征在于，所述平板具有较高反射率，投射的光源呈斑点状分布。
3.根据权利要求1所述的激光雷达的参数标定方法，其特征在于，在步骤(3)中，以时间为坐标横轴，触发次数为坐标纵轴，统计单位时间段内的最高触发次数P，传感器所有像素的P值，把各像素的P值按下式转换成0-255区间的灰度值I即可得到平板上斑点的图像；
I＝P/maxP*255
式中maxP是所有像素P值中的最大值。
4.根据权利要求1所述的激光雷达的参数标定方法，其特征在于，所述双目激光传感器成像的像素灰度值由每个像素接收到的激光强度S决定，把各像素的S值按下式转换成0-255区间的灰度值I即可得到平板上斑点的图像；
I＝S/maxS*255
式中的maxS是所有像素S值中的最大值。
5.根据权利要求4所述的激光雷达的参数标定方法，其特征在于，在步骤(5)中，根据斑点的分布特征，对两张图中的特征点Pl(ul,vl)，Pr(ur,vr)进行一一对应。
6.根据权利要求1所述的激光雷达的参数标定方法，其特征在于，在步骤(6)中，计算斑点在相机坐标系下的坐标(X,Y,Z)的公式如下：
Figure FDA0003050064160000021
式中Z为深度值，K为传感器内参矩阵。
7.根据权利要求1所述的激光雷达的参数标定方法，其特征在于，在步骤(7)中，内参求解的公式如下：
Figure FDA0003050064160000022
式中：R为平板上斑点中心的世界坐标换成Spot dToF相机坐标时的旋转矩阵，t为平板上斑点中心的世界坐标转换成Spot dToF相机时的平移向量。
8.用于实现权利要求1～8任一项所述激光雷达的参数标定方法的装置，其特征在于，包括：
spot dToF激光雷达，由激光投射器和激光传感器组成；
具有光反射效果的平板；
和设置在所述spot dToF激光雷达附件的双目激光传感器。
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