一种基于反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法

本发明属于智能驾驶系统中环境感知的，涉及一种基于反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法。

背景技术：

1、随着交通运输业的高速发展，智能化无人驾驶系统已是必然趋势，对智能行驶过程中环境感知的需求也越来越高。激光雷达三维探测功能与相机目标识别功能相辅相成，因此实际环境感知系统多由两者联合使用。但两者协同感知过程中，存在设备特性不同、数据异构、维度差异问题。标定板多传感器联合标定法由于其操作方便、精度高，广泛应用于相机雷达联合标定。标定板作为联合标定过程的约束基准，高精获取标定板关键角点位置信息，对环境感知系统相机雷达联合使用精度提升有着极其重要意义。

2、郑州工业应用技术学院王礼云等人于2024年在《激光杂志》第三期45卷发表了文章《基于大数据挖掘的激光点云边界法向矢量提取方法》，提出了基于大数据挖掘的激光点云边界法向矢量提取方法，通过主成分分析、曲面拟合以及滤波算法对获取点云实施去噪处理，最后实施灰度化以及高斯滤波处理，，同时结合大津阈值法提取中心点法线方向上的灰度中心，实现对激光点云边界法向矢量的提取。但该方法计算过程复杂，对于标定板边界没有针对性。

3、平顶山学院刘健欣等人于2022年在《激光与红外》第十期52卷发表了文章《激光扫描点云中运动图像边界信息提取方法》，利用激光扫描获取云点图像信息，，并通过相关参数的设置对获取数据实施预处理，之后利用点云体素化对获取图像实施去噪处理，结合地物聚类实现点云特征提取，该方法提取完整性较高，，但取矢量夹角特征精度差。

4、南京信息工程大学黄奕舒等人于2024年在《地球信息科学学报》发表了文章《采用line-cnn深度学习网络的机载点云建筑轮廓线提取》，采用line-cnn网络，利用深度学习方法初步获得点云中直线段特征，并提出一套新颖的优化策略，结合高程和可见光图像中蕴含的信息，获取完整、规则的三维建筑轮廓线特征。但在规则化过程中，对初步提取的线段简单正交化处理会导致建筑物细节信息丢失，使得在某些情况下，轮廓线提取的准确度和完整度会存在不足。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术难题是基于标定板相机雷达联合标定法中标定板点云边界拟合，为克服现有拟合精度缺陷，发明了一种基于反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法。该方法包括四个步骤：标定板点云平面拟合、点云反射强度数值统计分类、建立标定板外框架模型及棋盘格模型、点云集模型嵌入位置优化。该方法过程简单、精度高，适用于各种规则形标定板，是一种具有广泛前景的标定板点云边界拟合方法。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法，包括以下步骤：

4、步骤1：提取标定板点云集并拟合为平面；

5、步骤2：按标定板实际值建立同尺寸外框架模型及棋盘格模型；

6、步骤3：按点云反射强度分为高低两组；激光雷达输出数据中，包含点的反射强度，物体反射强度计算通常涉及到物体的反射率和入射光的强度；当标定板底板材料相同，棋盘格区域，分深浅两部分，由此进行强度数值分类；以均值为基准，分为低反射点云集a与高反射点云集b；

7、步骤4：低强度点约束外框架，高强度点约束棋盘格，最终得到拟合结果。

8、进一步地，所述步骤1包括以下步骤：

9、步骤11：切割三维激光雷达所测点云集，分离出标定板点云数据；

10、步骤12：采用最小二乘平面拟合法拟合平面，设平面为：

11、ax+by+cz+d＝0；

12、若平面内存在一系列点坐标集：

13、{(x，y，z)|(x，y，z)∈(xi，yi，zi)，i＝0，1，2，…n}；

14、根据最小二乘原则，使得误差平方和最小，即：

15、

16、其中，a、b、c、d均表示平面方程系数，(x，y，z)表示标定板点云坐标。

17、进一步地，所述步骤3中，首先建立外框架模型，于平面内定义四个边框顶点p1、p2、p3、p4，对相邻点进行距离约束：

18、d(p1，p2)＝d(p2，p3)＝d(p3，p4)＝d(p1，p4)；

19、

20、其中，d表示两点之间欧氏距离，(an，bn，cn)、(ak，bk，ck)表示相邻的两顶点坐标，n、k∈(1，2，3，4)；以垂直约束定义边框为方形，向量法表示为：

21、

22、其中，表示pn、pk两点之间方向向量，n、k∈(1，2，3，4)，表示相邻边的方向向量；

23、在标定板外框架模型基础上建立棋盘格模型，以p1、p2、p3、p4为基准点，按距离约束棋盘格顶点q1、q2、q3、q4形成矩形，并按棋盘格图纸均分为单格，进行标号处理，定义偶数格为高反射棋盘格区域。

24、进一步地，所述步骤4包括以下步骤：

25、步骤41：由高反射底板边缘点云优化外框架模型位置；

26、步骤42：利用粗略边界点云与边框之间距离进行约束，计算出能使边框与标定板点云位姿对齐的转换矩阵；

27、步骤43：使外框架模型与点云契合；

28、步骤44：外框架模型位置的同时进行棋盘格模型位置优化，模型四角点进行旋转平移变换；

29、步骤45：通过不断迭代优化位置，直至高反射点云收敛于棋盘格偶数标号区。

30、进一步地，所述步骤42中，设置约束距离为：

31、

32、其中，dl1表示第一条边界点云到对应框架的距离，prt(l1idx，：)表示点云中被选中点的坐标，nl(1，1：3)表示线l1上的一个点的坐标，nl(1，4：6)表示线l1的方向向量。

33、进一步地，所述步骤44中，外框架模型位置的同时进行棋盘格模型位置优化，模型四角点进行旋转平移变换：

34、x′q＝cosθ·xq-sinθ·yq+t1；

35、y′q＝sinθ·xq+cosθ·yq+t2；

36、其中，xq，yq表示原始坐标，θ表示旋转角，t表示平移距离，x′q，y′q表示变换后坐标。

37、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

38、本发明提供的一种基于反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法，首先提取标定板点云集并拟合为平面；然后按点云反射强度分为高低两组；再按标定板实际值建立同尺寸外框架模型及棋盘格模型；低强度点约束外框架位置，高强度点约束棋盘格位置，最终得到拟合结果。该方法建立了标定板空间模型，通过外边界点云与反射强度数值共同优化了模型位置，得到点云拟合后关键点的三维坐标。方法过程简单，易操作，容错性强，精度高，具有普遍适用性。

技术特征：

1.一种基反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种基反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法，其特征在于，所述步骤3中，首先建立外框架模型，于平面内定义四个边框顶点p1、p2、p3、p4，对相邻点进行距离约束：

4.根据权利要求1所述的一种基反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种基反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法，其特征在于，所述步骤42中，设置约束距离为：

6.根据权利要求4所述的一种基反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法，其特征在于，所述步骤44中，外框架模型位置的同时进行棋盘格模型位置优化，模型四角点进行旋转平移变换：

技术总结本发明提供一种基于反射强度辅助的框架式标定板点云边界拟合法，属于智能驾驶系统中环境感知的技术领域，解决了现有标定板点云边界拟合精度问题。首先提取标定板点云集并拟合为平面；然后按点云反射强度分为高低两组；再按标定板实际值建立同尺寸外框架模型及棋盘格模型；低强度点约束外框架，高强度点约束棋盘格，最终得到拟合结果。该方法过程简单、精度高，适用于各种规则形标定板，是一种具有广泛前景的标定板点云边界拟合方法。技术研发人员：梁冰,赵文豪,王鑫,韩露阳受保护的技术使用者：大连海事大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17