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全向视觉传感器标定

作　者: 林颖
导　师: 刘济林
学　校: 浙江大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 单视点全向相机雷达单位视球低秩纹理传感器标定
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文讨论的全向视觉传感器包括被动全向视觉传感器-全向相机和主动全向视觉传感器-全向激光雷达。此类传感器由于具有较大的视场范围,被大量应用于基于地面自主平台的环境感知。其特殊的成像特性使得该类传感器的标定一直是计算机视觉领域的基础性研究问题。本文主要研究全向相机和全向激光雷达的标定方法,以全向相机的标定、自标定,雷达-相机系统的外部参数标定这三个方面作为研究重点。利用棋盘格标定板在单位视球上的几何性质进行全向相机精确标定,提高了结果的精度；将基于稀疏表示恢复低秩纹理的思想应用于全向相机自标定,方便地得到比较可靠的标定结果；采用几何结构约束、运动估计等手段,解决全向相机和全向激光雷达的联合标定问题。本学位论文主要工作和创新之处在于：1.提出了一种基于单位视球的全向相机标定方法,来提供比较精确的二维三维信息对应关系。该方法利用棋盘格标定板中两组相互垂直的平行直线在单位视球上的几何特性,推导出内部参数和外部参数的闭合解。与现有的大多数标定方法相比,本方法依靠更为精确的内参、外参估计,进一步降低了标定结果的不确定度。2.提出了基于稀疏表示的全向相机自标定方法,通过简单的标定场景对传感器进行快速校验。该方法利用单张图像,通过恢复图像中的空间低秩纹理,对相机进行自标定：并根据全向相机的成像特性,定义了一种有效的描述球面大视场范围低秩纹理的投影方法。和大多数的自标定方法相比,本方法不依赖于边缘、角点等局部特征,受遮挡、模糊、光照等外部影响较小,标定结果的可靠性更高。3.提出了两种基于自然场景的雷达-相机系统外部参数标定方法。和立体相机相比,全向激光雷达和相机组成的系统在进行场景构建时具有计算复杂度低、准确度高、受环境影响小等特点。而对雷达-相机系统进行外部参数标定是有效结合两个传感器数据的前提。该方法根据标定场景中的三面体定义参考世界坐标系,利用三面体结构约束、图像间运动估计等手段求解雷达、相机坐标系相对于参考坐标系的位置关系,来得到两传感器之间的外部参数。本方法比大部分方法更为灵活,不需要特殊的标定物体,对手工输入信息依赖度较低,仅需要两帧数据,即可得到较为准确的结果。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-15
图目录  15-18
表目录  18-19
1 绪论  19-33
  1.1 研究的背景和意义  19-20
  1.2 被动全向视觉系统发展  20-26
    1.2.1 鱼眼成像系统发展  21-24
    1.2.2 折反射成像系统发展  24-26
  1.3 主动全向视觉系统发展  26-28
  1.4 雷达-相机系统介绍  28-30
  1.5 全向视觉传感器标定方法讨论  30-31
  1.6 本文研究目的和内容安排  31-33
2 全向相机成像  33-53
  2.1 引言  33-34
  2.2 鱼眼相机成像  34-41
    2.2.1 相机成像过程  34-36
    2.2.2 鱼眼相机投影模型  36-41
  2.3 单视点折反射相机成像  41-45
    2.3.1 抛物面折反射相机  42-43
    2.3.2 曲面折反射相机  43-44
    2.3.3 椭圆面折反射相机  44-45
  2.4 统一球面投影模型  45-48
    2.4.1 投影模型介绍  45-47
    2.4.2 等效统一球面投影模型  47-48
  2.5 全向相机畸变模型  48-52
  2.6 本章小结  52-53
3 基于单位视球的全向相机标定  53-74
  3.1 引言  53
  3.2 相关工作  53-55
  3.3 单位视球上几何性质  55-58
  3.4 基于单位视球几何性质的全向相机标定  58-62
    3.4.1 内部参数计算  58-60
    3.4.2 外部参数计算  60-61
    3.4.3 全局优化  61-62
  3.5 算法流程  62
  3.6 实验结果  62-73
    3.6.1 仿真实验  62-65
    3.6.2 真实数据  65-73
    3.6.3 方法分析  73
  3.7 本章小结  73-74
4 基于稀疏表示的全向相机自标定  74-102
  4.1 引言  74
  4.2 相关工作  74-76
  4.3 基于稀疏表示的低秩纹理恢复  76-82
    4.3.1 问题描述  76-78
    4.3.2 问题求解  78-82
  4.4 基于低秩纹理的透视相机自标定  82-85
  4.5 基于低秩纹理的全向相机自标定  85-93
    4.5.1 双经度投影  85-88
    4.5.2 问题描述  88-90
    4.5.3 问题求解  90-93
  4.6 实验结果  93-101
  4.7 本章小结  101-102
5 基于自然场景的雷达-相机系统外部参数标定  102-134
  5.1 引言  102-103
  5.2 相关工作  103-104
  5.3 基于正交三面体的外部参数标定  104-112
    5.3.1 参考坐标系定义  105-106
    5.3.2 雷达参数计算  106-108
    5.3.3 相机参数计算  108-111
    5.3.4 联合优化  111-112
    5.3.5 算法流程  112
  5.4 基于任意三面体的外部参数标定  112-117
    5.4.1 参考坐标系定义  113-114
    5.4.2 雷达参数计算  114
    5.4.3 相机参数计算  114-116
    5.4.4 联合优化  116
    5.4.5 算法流程  116-117
  5.5 实验结果  117-133
    5.5.1 仿真实验  117-123
    5.5.2 真实数据  123-132
    5.5.3 算法帧数讨论  132-133
  5.6 本章小结  133-134
6 总结与展望  134-137
  6.1 本文工作总结  134-135
  6.2 研究工作展望  135-137
7 参考文献  137-145
攻读博士期间学术成果  145

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