智能車輛中攝像機和激光雷達聯合標定技術

郭小蘭

摘要：傳感器標定是環境識別的基礎，多傳感器融合技術已經廣泛應用在智能汽車環境感知領域。通過建立合理的激光雷達坐標系與攝像機坐標系，利用激光雷達掃描點與攝像機圖像的空間約束關系，可求解兩坐標系的空間變換關系，從而完成激光雷達與攝像機的空間對淮。同時，采用GPS授時的方法和雙緩存當前數據的方法實現傳感器間的時間同步。

關鍵詞：智能車輛，攝像機，激光雷達，聯合標定

【中圖分類號】G718.5

【文獻標識碼】B

【文章編號】2236-1879（2018）13-0180-01

通過提取標定物在單線激光雷達和圖像上的對應特征點來進行攝像機外部參數的標定，從而完成單線激光雷達坐標、攝像機坐標、圖像像素坐標等多個傳感器坐標的統一，實現激光雷達與攝像機的空間對準。

1.空間上的數據融合

在實際應用中.激光雷達與汽車為剛性連接，兩者間的相對姿態和位移固定不變，因此由激光雷達掃描獲得的數據點，在環境坐標系中有唯一的位置坐標與之對應。同理，攝像機與汽車也為剛性連接，兩者間的相對姿態與位移同樣固定不變，針對三維空間的每一個點，同樣只存在唯一的一個圖像像素與之對應。故而，在同一空間內，每個激光雷達的掃描數據點都在圖像空間中存在唯一的一個對應點。

因此，通過建立合理的激光雷達坐標系與攝像機坐標系，利用激光雷達掃描點與攝像機圖像的空間約束關系，即可求解兩坐標系的空間變換關系，從而完成激光雷達與攝像機的空間對淮，實現激光雷達數據與可見光圖像的關聯。在此，激光雷達與攝像機的空間對準問題就轉變為在給定雷達圖像對應點的情況下的函數擬合問題。

攝像機的外部參數通過約束方程求解后，激光雷達、攝像機、圖像和相對環境坐標系的相對關系就完全確定，因此激光雷達掃描點可以通過攝像機模型投影至圖像像素坐標系上。其像素級數據融合可由下面的方程完成：

當攝像機與激光雷達同時觀測點P時.其在攝像機自身環境坐標系中的坐標為，在可見光圖像中投影點的坐標為在雷達自身世界坐標中的坐標為。由于攝像機與激光雷達使用了同一個環境坐標系，則有

其中，H為激光雷達的安裝高度。

由式（1）和式（2）聯立，可得：

對式（3）進行變換可得：

其中由激光雷達的外參標定和攝像機的內參標定可獲得與將式（4）展開，如式（5）所示：

由式（5）可知，該方程中有12個未知量。因此，只要特征點不在激光掃描面的同一直線上，方程要得到唯一解，理論上至少需要4組雷達圖像對應點對才能得到結果。為了提高精度，使對應點對的數量n>4，此時問題轉變為過約束問題，可以利用線性最小二乘法得到最優解。

綜上所述，只需要提取足夠多的圖像雷達對應點對，通過求解線性方程即可獲得相關的坐標旋轉矩陣和坐標平移矩陣，進而可得到激光雷達數據和其對應圖像像素間的變換關系。

現實中，激光雷達掃描線是不可見的，但其掃描的形狀是已知的，并且可以直接獲取距離和角度信息。因此，利用標定箱，通過對掃描形狀的判斷。可手工選取出其掃描到標定箱邊界的激光點并提取出該點坐標。由于標定箱邊界垂直于環境坐標系中的xy平面，可以將該掃描點沿軸z方向移動。從而獲得標定箱的頂點在環境坐標系中的坐標值。

通過多次改變標定箱的遠近和方位，使其位置盡可能地均勻分布在圖像分辨率范圍內的各個位置，而通過采集多幀同步后的圖像和激光雷達掃描數據，即可獲得多組圖像雷達對應點對。

2.時間上的數據融合

由于激光雷達、攝像機等傳感器的數據采集通道不盡相同，其采樣頻率也各有差異，故導致了傳感器的信息采集在時間上存在差異，繼而引出了需要對各傳感器數據在時間上進行同步的問題。常采用GPS授時的方法實現傳感器間的時間同步，通過給不同的傳感器授予不同的GPS時間，將時間變量作為一個同步參數處理。該方法可以獲得高精度的融合結果，但實時性受到一定的限制。當然也可以使用多線程技術和數據雙緩存技術對激光雷達數據、攝像機數據等進行時間上的同步。創建激光雷達數據采集線程和攝像機數據采集線程，并利用雙緩存當前數據的方法可以解決傳感器自身接收機制引起的數據滯后問題，保證程序中待處理的數據是當前時刻的最新數據。

為了實現攝像機和激光雷達的空間標定，提取足夠多的圖像雷達對應點對，通過求解線性方程即可獲得相關的坐標旋轉矩陣和坐標平移矩陣，進而可得到激光雷達數據和其對應圖像像素間的變換關系;同時，采用GPS授時的方法和雙緩存當前數據的方法實現傳感器間的時間同步。通過這種方法標定之后，兩個傳感器的信息會很好地進行匹配。