基于质心引导策略的激光雷达与相机联合标定方法

刘超山 ,  冉腾 ,  何丽 ,  陶庆

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (14) :6085-6095

PDF (14555KB)
科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (14) :6085-6095 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505318
自动化技术、计算机技术

基于质心引导策略的激光雷达与相机联合标定方法

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Joint Calibration Method of LiDAR and Camera Based on Centroid Guidance Strategy

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摘要

相机与激光雷达外参标定是实现多模态数据高精度融合的前提条件。现有基于目标的标定方法因缺乏显著几何特征而影响标定精度,因此,提出了一种基于质心引导策略的激光雷达与相机联合外参标定方法。设计了一种具有质心约束的多特征点标定目标,结合标定目标几何参数,分别从点云与图像数据中获取特征点坐标信息;并且,将Huber损失函数引入拟牛顿法以进一步优化联合外参;最后,在真实场景中进行3D目标检测验证本文方法的有效性。提出了质心引导策略,通过改进拟牛顿算法优化外参矩阵的方法,比4组特征点标定方法平均重投影误差减小8.4%,对比试验表明,改进拟牛顿优化算法对于联合外参精度提升可产生有益效果。

Abstract

Calibration of the external parameters of cameras and LiDAR is a prerequisite for achieving high-precision fusion of multimodal data. Existing target-based calibration methods are found to compromise calibration accuracy due to the lack of distinct geometric features. Therefore, a joint external parameter calibration method for LiDAR and cameras, which is based on a centroid guidance strategy, was proposed. A multi-feature point calibration target with centroid constraints was designed, and the coordinate information of feature points was acquired from both point cloud and image data by integrating the geometric parameters of the calibration target. Furthermore, the Huber loss function was incorporated into the quasi-Newton method to further optimize the joint external parameters. Finally, 3D object detection was performed in real-world scenes to verify the effectiveness of the proposed method. The centroid guidance strategy was introduced. By improving the quasi-Newton algorithm for external parameter optimization, the average reprojection error is reduced by 8.4% compared with the four-feature point calibration method. Comparative experiments demonstrate that the improved quasi-Newton optimization algorithm has a beneficial effect on enhancing the accuracy of joint external parameters.

Graphical abstract

关键词

高精度融合 / 质心引导策略 / 3D目标检测 / Huber损失函数 / 拟牛顿法

Key words

high-precision fusion / centroid guidance strategy / 3D object detection / Huber loss function / quasi-Newton method

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刘超山, 冉腾, 何丽, 陶庆. 基于质心引导策略的激光雷达与相机联合标定方法[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(14): 6085-6095 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505318
LIU Chao-shan, RAN Teng, HE Li, TAO Qing. Joint Calibration Method of LiDAR and Camera Based on Centroid Guidance Strategy[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(14): 6085-6095 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505318

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随着计算机技术的飞速发展,传感器融合技术已经深入到移动机器人导航定位[1]、路径规划[2]等领域,旨在提高环境感知的准确性及可靠性[3]。然而,要保证多传感器数据高精度融合,传感器之间的联合外参标定尤为重要。近年来,激光雷达与相机的联合标定问题被广泛研究[4],目前的标定方法大致可以分为两类:在线标定方法与离线标定方法。
在线标定方法,通过激光雷达与相机两类传感器特征相互结合,从而完成激光雷达与相机的联合标定任务。Levinson等[5]通过最大化激光雷达和相机对应点强度的互信息来完成标定任务。Pandey等[6]将特征对应关系引入高斯混合模型框架,利用梯度信息对联合外参进行求解。Kang等[7]利用深度和边缘匹配方式实现高精度、高鲁棒性的标定。刘万里等[8]提出了融合互信息的特征约束的激光雷达与相机外参标定方法,有机结合了互信息与多特征约束两种方法的优点。徐孝彬等[9]在运动过程中将手眼标定的框架应用到激光雷达与相机模型中完成标定。Ishikawa等[10]提出基于室内结构特征的激光雷达与相机标定方法,利用室内场景柱特征完成标定。张磊等[11]利用Gauss-Helmert模型建立传感器间的运动约束,同时进行外参与轨迹的误差优化,以提升标定效果。Huang等[12]利用三维旋转运动对惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)、激光雷达和相机进行联合标定,以IMU为中心,形成统一的时空一体化框架。Qiu等[13]通过优化雷达点云到平面、陀螺仪和加速度计的测量,进一步提升标定精度。赵亮等[14]提出第一个用于激光雷达与相机联合标定的神经网络RegNet,利用带有标签的数据进行网络训练,进而计算得到激光雷达点云对齐到图像的转换参数。Li等[15]提出了一种极具创新性的手眼标定方法,针对机器人运动数限的常见场景,该方法精心设计特定的机器人运动模式,并充分挖掘其运动特性以打破限制。Wu等[16]提出了CalibNet网络,该网络通过引入几何监督,进一步提高了网络的泛化能力。李晗等[17]提出一种新的基于卷积神经网络的方法,通过预测不同畸变参数下像素点的位移量,提高相机标定和畸变矫正的精度。
在线标定方法通常依赖于大量数据、复杂的运动估计或计算资源,且在某些场景下可能存在精度不足或泛化能力有限的问题。
相比之下,基于目标的离线标定方法通过已知特征或特定标定目标,能在受控环境下实现高精度外参标定。这类方法不依赖动态场景或复杂的运动估计,且计算效率较高,适用于传感器初始标定或需要高精度标定的场景。Zhang等[18]首先提出了一种基于棋盘格的标定方法,该方法易于实现,但无法获得最佳解决方案。后来,基于目标的标定方法着重开始探索几何约束下的特征。Zhang等[19]提出一种通过从点云与图像中提取角点来完成激光雷达与相机联合标定的方法,然后通过最大化法向向量与最小化点到平面的距离来计算联合外参。Geiger等[20]通过从点云与图像中提取目标顶点来完成激光雷达与相机联合标定,并通过2D-3D最小化欧氏距离来完成联合外参的优化问题。Huang等[21]利用棋盘格作为标定目标,通过算法组合线条与平面的对应关系,并将算法进行扩展,用于估计激光雷达与相机之间的相似性转换。Zhou等[22]通过标定板的几何形状作为参考,从激光雷达与相机中获取感兴趣的特征点,在完成标定任务后,利用遗传算法进行参数优化。Verma等[23]使用棋盘格作为标定目标,分别从图像和点云数据提取棋盘格的法向量和距离,通过非线性优化求解联合外参。Pandey等[24]也采用棋盘格作为标定目标,利用激光点云反射强度和棋盘格颜色之间的亮度值相关性测度计算完成联合标定。除使用棋盘格作为参数标定目标之外,有学者还尝试了其他方法。如Wang等[25]提出基于任意三面体的激光雷达与相机联合外参标定方法,通过任意三面体间的位置关系完成初始参数的标定,并且通过构建非线性最小二乘(nonlinear least square,NLS)优化问题对初始联合外参进行优化。Gong等[26]提出基于正交三面体的激光雷达与相机联合标定方法,该方法分为两部分标定过程,即激光雷达与机器人间坐标变换关系及激光雷达与相机间坐标变换关系,最后通过参数转换完成激光雷达与相机联合外参标定。Da等[27]提出基于多组多边形的激光雷达与相机联合标定方法,通过激光雷达3D数据估算标定板顶点的位置,并且在2D图像中找到对应位置,进而完成2D-3D匹配,获取标定参数。除上述方法外,董文波等[28]提出基于标靶内点与边缘角点双重约束的联合标定方法,建立基于内点与边缘角点的损失函数模型,进而完成标定。吴军等[29]提出一种基于背景聚类的联合标定方法,避免了在三维点云中盲目检测标定板点云,而导致标定结果存在较大误差的问题。通常所有基于目标的方法都需要已知参考来从两个传感器中提取几何特征,以形成优化问题。
传统的基于目标的激光雷达与相机联合外参标定方法,对于线数较为稀少的机械式激光雷达,因点云比较稀疏,不能很好地表达约束关系,常常会导致外参标定误差较大。
针对上述问题,现提出一种基于质心引导的激光雷达与相机联合标定方法,通过引入质心作为约束条件,进而使得联合外参的精度更高,使得在进行后续任务时,能够使图像与点云数据进行更高精度融合。利用质心作为引导,设计一种多特征标定目标,并通过质心进一步加以约束,增强目标的几何特征。在传统拟牛顿法中的BFGS算法基础上引入Huber损失函数,降低异常值对优化结果的影响,进而使优化精度更高。在真实场景中进行3D目标检测,验证外参的泛化性及有效性;为自动驾驶、移动机器人等多传感器融合系统提供可靠的标定方案,具有一定的工程应用价值与参考意义。

1 基于目标的激光雷达与相机联合标定原理

激光雷达与相机分别获取标定目标的点云信息与图像信息,在雷达、相机以及标定目标组成的联合标定系统中,共有激光雷达坐标系、相机坐标系、世界坐标系以及图像坐标系4种坐标系。激光雷达-相机联合外参标定原理如图1所示。

在不考虑畸变的情况下,相机坐标系下点Pc=(xc,yc,zc)与图像坐标系下点Pi=(u,v)的转化关系式为

$\left[\begin{array}{l}u\\ v\\ 1\end{array}\right]$=$\frac{1}{{z}_{c}}\underset{K}{\underset{⏟}{\left[\begin{array}{lll}{f}_{x}& 0& {c}_{x}\\ 0& {f}_{y}& {c}_{y}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]}}\left[\begin{array}{l}{x}_{c}\\ {y}_{c}\\ {z}_{c}\end{array}\right]$

式(1)中:fx=f/dX;fy=f/dY,其中dX、dY分别为单个像素在x和y方向上的物理尺寸;f为相机焦距的长度;(xc,yc,zc)为相机坐标系下的点;(cx,cy)为相机光心在图像坐标系中的位置,即主点坐标;K为相机内参。

激光雷达坐标系与相机坐标系之间的转换关系式为

Pc=RzPL+T

式(2)中:Rz为3×3正交单位矩阵,表示由激光雷达坐标系到相机坐标系的旋转参数;T为3×1矩阵,表示由激光雷达坐标系到相机坐标系的平移参数。

结合式(1)和式(2),可得激光雷达坐标系下的点PL与其像素投影点Pi之间的转换关系为

Pi=π(RPL+T)

式(3)中:π(·)为相机的投影函数,即式(1)描述的投影过程;i为第i个投影点。

记上述由激光雷达坐标系下点到图像坐标系下点的坐标变换为

Pi=α(PL;K,R,T)

式(4)中:K为相机的内参矩阵,仅与相机内部参数有关,可通过张正友标定法进行求解;R为激光雷达与相机之间的外参矩阵;α(·)为激光雷达坐标系下的三维点PL,i在图像平面上的理论重投影坐标。

为了求解外参矩阵R和T,可通过图像中特征点与激光雷达点云中的特征点建立相应的约束函数。通过最小化重投影误差优化求解R和T,即

$\underset{R,T}{min}\sum _{i=1}^{N}$‖Pi-α(PL,i;K,R,T)‖2

式(5)中:N为匹配点的数量。

2 基于质心引导策略的激光雷达与相机联合标定方法

以标定目标为对象,利用相机和激光雷达采集标定目标的图像与点云数据。首先,利用OpenCV方法提取标定目标中的棋盘格角点信息,并获取质心的准确位置,以质心位置为参考,结合几何信息获取到其余特征点的坐标信息;在处理完图像数据后,采用随机一致性算法(random sample consensus,RANSAC)对点云数据进行点云滤波、降噪以及异常值剔除等处理。建立点云与图像数据之间的投影误差最小化目标函数,通过优化算法最小化重投影误差,从而实现激光雷达与相机的高精度外参标定。本文方法的流程如图2所示。

2.1 具有质心约束的激光雷达与相机标定目标设计

良好的标定目标应确保能够在所有传感器中被有效检测,并有显著且易于提取的特征信息。正如Yan等[30]所提出的,圆形目标能够与激光雷达的多次水平和垂直扫描相互作用,而不会丢失边缘信息。如图3所示,所设计的标定目标结合了几何特征与视觉特征,用于激光雷达和相机的关键点检测。以标定目标质心为中心布置黑白棋盘格,并布有4组圆孔。这种设计一方面利用圆孔的几何不连续性来适应激光雷达点云的检测需求,另一方面通过棋盘格的角点提供空间约束信息,从而实现了多传感器数据的有效融合与标定。

质心作为区域所有点的平均值,其计算结果对局部噪声或单个特征点的轻微测量误差具有固有的鲁棒性。即使4个圆形孔或者棋盘格角点的定位受到传感器噪声或者环境因素的轻微干扰,标定目标的整体几何中心通常会保持相对稳定。

2.2 基于质心引导策略的特征提取与处理

基于目标的标定任务,激光雷达传感器能够提供标定目标的3D位置信息,而相机则返回彩色2D图像数据。分别从相机图像数据和激光雷达点云数据中提取标定目标的特征信息。

2.2.1 图像特征提取与处理

首先通过OpenCV检测到棋盘格角点(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn),计算角点像素坐标的几何均值,即可得到质心的像素坐标(xc,yc)。

$\left\{\begin{array}{l}{x}_{c}=\frac{1}{N}\sum _{i=1}^{n}{x}_{i}\\ {y}_{c}=\frac{1}{N}\sum _{i=1}^{n}{y}_{i}\end{array}\right.$

式(6)中:N为棋盘格角点数量。

以其中一个角点为参考,给定坐标系,结合角点间的实际距离,将角点像素距离与真实的几何尺寸进行转换,进而得出4组圆形孔圆心像素坐标及质心坐标,并将特征点进行标记。标定目标特征信息如图4所示。图4中蓝色轮廓为标定目标圆孔边缘,绿色点为图像特征点,黄色点为标定目标质心位置,棋盘格右下角角点处为图像数据中用于计算特征点坐标信息的坐标系。

2.2.2 点云特征提取与处理

激光雷达传感器获取的点云数据表示为PL0。首先,为了过滤异常值并去除周围环境的噪声,通过阈值约束,将X、Y、Z 3个坐标轴的阈值设定为标定目标的几何尺寸,避免过多离群点云出现,进而对已约束区域进行点云分割。随后,采用带方向约束的随机一致性算法(random sample consensus,RANSAC)对PL0进行平面拟合,分割出标定目标平面,分割后的目标平面用 ${P}_{target}^{L}$表示。

在完成标定目标点云处理后,接下来需要从标定目标点云中提取对应的特征点。首先,计算标定目标点云中每个雷达点的3D坐标(xi,yi,zi),并进一步计算点云坐标的几何均值,得到点云质心的3D坐标p0=(xl,yl,zl),然后以点云质心为坐标原点,构建局部三维坐标系,在标定目标所在的YOZ平面内,结合标定目标的实际几何信息,计算点云中圆心特征的真实3D坐标。提取激光雷达点云中与图像特征点所对应的特征点p1、p2、p3、p4以及质心p0,并获取其对应的3D坐标PL,i=$\sum _{i=0}^{4}$(xi,yi,zi)。激光雷达点云处理过程如图5所示。

3 初始外参获取及参数优化

3.1 初始外参获取

通过建立点云特征点与图像数据对应点的坐标匹配关系以及相机内参,就可计算出激光雷达坐标系与像素坐标系的位姿关系,包括旋转矩阵和平移矩阵。3D-2D特征点匹配原理如图6所示。

采用EPNP(efficient perspective-n-point)方法计算初始外参[28]。利用匹配的3D点和2D图像点,结合相机内参,计算出初始的外参转换矩阵。首先,从雷达点云中精确识别出三维特征点,紧接着在图像中检测到它们对应的二维像素点,从而建立起3D-2D的对应关系。尽管EPNP方法在理论上对少量的噪声具有一定的鲁棒性,但当特征点匹配的噪声较大时,其估计精度会显著下降。尤其是在存在异常值的情况下,EPNP可能无法给出最优解。因此,为进一步提高标定精度,采用拟牛顿优化方法(BFGS)完成联合外参优化。

3.2 基于改进BFGS的激光雷达与相机联合外参优化方法

BFGS方法通过迭代地更新海森矩阵的近似值来逼近目标函数的最小值,从而在不计算二阶导数的情况下实现与牛顿法类似的收敛速度。当BFGS算法优化目标函数时,它通常假设误差服从高斯分布,并采用最小二乘法作为其隐含的优化准则,因此,即使只有少量的异常值,也会对优化过程产生不成比例的巨大影响。

为了克服这些局限性,一个有效的策略是修改其目标函数,在BFGS算法的基础上引入Huber损失函数作为目标函数,以降低异常值的影响。Huber损失函数的定义为

Lδ(a)=$\left\{\begin{array}{ll}\frac{1}{2}{a}^{2},& \left|a\right|\le \delta \\ \delta \left(\left|a\right|-\frac{1}{2}\delta \right),& \left|a\right|>\delta \end{array}\right.$

式(7)中:a为重投影误差;δ为一个阈值参数。

接下来,定义重投影误差函数,该函数用于衡量激光雷达点云重投影到图像平面上的误差,即

e=Pi-K[R|t]Pl

式(8)中:e为重投影误差;t为旋转矩阵与平移向量;[R|t]为外参变换矩阵;Pl为激光雷达点云特征点坐标。

为了提高优化效果,考虑镜头畸变,将畸变系数D引入重投影误差函数中,修正后的重投影误差函数为

e=Pi-project(K,D,[R|t],Pl)

式(9)中:project(·)为考虑畸变的投影函数。

通过最小化Huber损失函数,能够获得更精确的激光雷达与相机联合外参。

通过将Huber损失函数作为BFGS算法的目标函数,优化过程不再被少数极端异常值所主导。这使得BFGS算法能够更鲁棒地收敛到更接近真实值的解,从而在存在噪声和异常值的联合标定任务中获得更准确和稳定的外参结果。

4 实验方法

4.1 实验设备及环境

采用融合平台搭载在松灵移动机器人底盘上进行真实场景验证,如图7所示。

相机传感器选用Intel RealSense Depth Camera D435i,图像分辨率为1 280×720。

4.2 传感器数据同步

激光雷达与相机的频率和内部时钟通常存在差异,导致生成的数据在时间上是异步的。尽管所研究的标定目标在数据采集过程中保持静止,但为确保图像特征与点云特征的严格时间对应性,对传感器数据进行了对齐。

对同步前后的图像和点云消息对的时间戳差异进行统计分析,将每对同步消息的相机时间戳减去激光雷达时间戳,计算其绝对时间差,图8展示了所有同步消息对的绝对时间差分布直方图。

分析图8中数据可知,同步前的传感器时间戳差值最大可达到15 ms,而同步后的时间戳差值在4 ms左右,这表明绝大多数图像与点云数据实现了高度的时间对齐,时间戳差异控制在非常小的范围。尽管存在少数时间差略大的情况,但考虑到标定场景的静止特性,这种微小的异步性对最终标定结果的影响可以忽略不计。这为后续的标定方法提供了可靠的数据基础。

4.3 激光雷达与相机联合标定

4.3.1 相机内参标定

在进行激光雷达-相机联合标定之前,首先要对相机传感器的内部参数进行标定,选用了7×9传统黑白棋盘格标定目标,标定目标的尺寸为560 mm×720 mm,大小为80 mm,采集共计21张棋盘格图像通过MATLAB标定工具箱完成相机内参的标定,如图9所示。经过标定后,相机平均重投影误差为0.16像素,符合使用要求。

K=$\left[\begin{array}{lll}892.525 5& 0& 644.873 8\\ 0& 892.551 2& 361.337 3\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

将提取到的特征点坐标代入式(1)即可求解出激光雷达与相机之间的外参变换矩阵。

4.3.2 激光雷达与相机联合标定

在完成相机内参标定后,接下来将进行激光雷达与相机联合外参标定,通过EPNP方法,计算雷达坐标系到相机坐标系的位姿变换矩阵。

采集同一位置、同一时间下对齐的传感器数据,将点云进行滤波、降噪等处理,然后通过将激光雷达点云中的3D特征点与图像数据中的2D特征点对应,完成联合外参求解。求解完成的外参矩阵为

R=$\left[\begin{array}{lll}-0.074 002 06& 0.997 246 73& -0.004 759 42\\ 0.146 509 3& 0.015 592 4& 0.989 086 4\\ 0.986 437 39& 0.072 497 13& -0.147 259 79\end{array}\right]$
T=$\left[\begin{array}{l}0.472 666 06\\ 0.019 633 68\\ -0.093 076 42\end{array}\right]$

4.4 特征点数量对标定误差的影响

为验证所提出标定方法以及外参优化方法的有效性,开展特征点数量对重投影误差的影响实验,对比4组圆孔圆心特征点下的重投影误差以及在增加质心约束后的5组特征点下的重投影误差,并展示4组与5组特征点的投影效果。同时,为了评估优化算法的性能,开展改进BFGS优化方法与传统BFGS优化方法在重投影误差方面的对比实验,对比结果如表1所示。

质心作为通过标定目标相关特征进行计算得到的点,在一定程度上对于额外的随机噪声具有平均与平滑的作用,使其位置估计更为鲁棒。

此外,质心的引入,因其特殊的几何以及数学特性,使其成为一个比其他点更为有效的几何约束,从而在实际应用中能够降低重投影误差。

实验结果表明,当引入质心作为特征点时,约束效果进一步加强,与只有4组圆孔的圆心作为特征点时比较,重投影误差有所降低。

改进的BFGS方法在误差控制方面普遍好于传统的BFGS方法,不同实验组之间误差存在差异,可能与实验条件有关。

为从宏观角度分析特征点数量及BFGS优化方法对于重投影误差对比,通过统计形式对实验结果进行分析,不同特征点数量及优化方法对重投影误差的影响如图10所示。

(1)特征点数量对于精度的影响:采用5组特征点普遍显著降低了重投影误差,相较于4组特征点提升了投影精度。

(2)优化方法性能对比:改进BFGS方法在所有实验组中均展现出优越的性能,其重投影误差始终低于或等于传统BFGS方法,证明了其在优化重投影误差方面的有效性。

为证明本文方法的有效性,将其与两种具有代表性的同类型方法比较,方法1:李新等[31]提出的4圆孔标定目标法(由于未注明详细的传感器位置关系,因此不能完成复现工作,此处直接将实验结果进行对比);方法2:基于MATLAB工具箱的标定方法。为排除实验结果的偶然性,采集8组实验数据进行比较,结果如表2所示。

由表2的对比结果可知,与方法1和方法2相比,本文方法展现出一定的精度优势。本文方法在部分实验组中实现了最低的重投影误差,低至1.74,表明本文方法的有效性。

4.5 真实场景验证

为验证本文方法在真实场景中的应用效果及泛化性,在真实场景下进行3D目标检测实验验证。真实场景验证主要实验设备包括松灵移动机器人、IntelD435i相机、Robosense激光雷达及Intel NUC工控机,整体验证流程基于ROS机器人操作系统完成。首先,利用ROS系统完成ROSbag采集,在采集完成后,对数据进行抽帧处理,最终获得对应的pcd点云。随后,将pcd点云及其对应的图像数据导入SUSTechPOINTS工具中,打开点云文件并标记目标点云区域,结合联合外参矩阵,通过该工具完成3D-2D投影验证,最终,在图像数据中可以显示真实的投影边界框,从而验证3D-2D投影过程及标定参数的准确性。

本文方法主要应用于移动机器人导航、避障及自动驾驶相关任务中,因此采集对象主要以行人、车辆为主,真实场景实验共采集6组真实场景,包括1组单目标场景、2组多目标场景及3组混合目标场景。由于方法2与本文方法类似且重投影误差接近,因此在定性分析过程中,本文方法与方法1进行比较以定性分析点云-图像投影效果。使用上述对比实验中误差最小的联合外参进行验证,验证结果如图11所示。

实验结果显示,本文方法所得到的联合外参与MATLAB工具箱所获得的联合外参均能完成3D目标检测任务,但在细节方面,两种方法有所区别。MATLAB标定工具箱所获得的联合外参在进行3D目标检测时,投影目标略微偏向于图像下方,如混合目标场景、多目标场景1。

在相同实验场景中,与仅依赖传统特征点的MATLAB标定工具箱相比,质心带来的额外约束效应较为显著。由本文方法获得的联合外参,能够将3D投影目标与2D图像中的实际观测完美贴合。

质心代表了物体的整体几何中心,与分散的局部特征点(如棋盘格)相比,它对局部噪声和特征提取的不稳定性具有更强的抵抗力。即使在低对比度或高噪声的图像中,质心也能被相对稳定地计算和提取,为位姿估计提供了更可靠的全局锚点。

综上所述,在一般非常规场景中,两种方法均具有较好的投影效果,而在混合目标场景中,本文方法展现出了有效性与泛化性能。

5 结论

提出了基于质心引导策略的激光雷达与相机联合标定方法,为解决多传感器标定问题提供了有效解决手段,能够有效提升激光雷达与相机的标定效果,以进一步提升传感器间的融合性能。在自动驾驶、移动机器人导航、避障及三维目标检测等领域,有一定的应用前景,得出以下主要结论。

(1) 针对激光雷达与相机联合外参标定问题,提出了一种基于质心引导策略的激光雷达与相机联合标定方法,通过设计具有质心约束的标定目标,增加多组特征点投影约束,提高了标定的精度和鲁棒性。

(2) 通过引入Huber损失函数,将BFGS算法进行改进,有效降低了异常值的影响,进一步提升联合外参的优化精度。与两种同类型的标定方法进行对比,结果表明,本文方法在重投影误差方面更具优势。

(3) 通过在各类真实场景中进行实验验证,结果表明,所提出的方法较其他方法拥有更好的3D-2D投影效果。

参考文献

[1]

李翰林, 江月明, 安腾飞, 等. 基于多传感器融合的污水管道机器人定位系统[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(26): 11252-11259.

[2]

Li Hanlin, Jiang Yueming, An Tengfei, et al. Sewer robot localization system based on multi-sensor fusion[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(26): 11252-11259.

[3]

刘光才, 金松鹏, 李章萍, 等. 基于改进人工电场算法的城市载人电动垂直起降飞行器路径规划[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(1): 238-244.

[4]

Liu Guangcai, Jin Songpeng, Li Zhangping, et al. Path planning of urban manned eVTOL based on the improved artificial electric field algorithm[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(1): 238-244.

[5]

柴家辉, 李明磊, 李敏, 等. ResCalib: 基于几何监督深度网络的激光雷达和相机动态联合标定[J]. 雷达学报, 2025(14): 1-13.

[6]

Chai Jiahui, Li Minglei, Li Min, et al. ResCalib: geometry-supervised deep network for dynamic LiDAR-camera joint calibration[J]. Journal of Radars, 2025(14): 1-13.

[7]

孙浩洋, 王志乾, 沈铖武, 等. 基于亚像素迭代算法的相机内参数标定方法[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(12): 5103-5109.

[8]

Sun Haoyang, Wang Zhiqiang, Shen Chengwu, et al. A method for camera intrinsic parameters calibration based on subpixel iteration algorithm[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(12): 5103-5109.

[9]

Levinson J, Thrun S. Automatic online calibration of cameras and lasers[C]//Proceedings of Robotics: Science and Systems. Cambridge: MIT Press, 2013: 10004324.

[10]

Pandey G, McBride J, Savarese S, et al. Automatic targetless extrinsic calibration of a 3D LiDAR and camera by maximizing mutual information[C]//Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence. Palo Alto: AAAI Press, 2012: 2053-2059.

[11]

Kang J, Doh N L. Automatic targetless camera-LiDAR calibration by aligning edge with gaussian mixture model[J]. Journal of Field Robotics, 2020, 37(1): 158-179.

[12]

刘万里, 刘扬, 张学亮. 融合互信息和多特征约束的激光雷达与相机外参标定方法[J]. 仪器仪表学报, 2025, 46(1): 29-41.

[13]

Liu Wanli, Liu Yang, Zhang Xueliang. External parameter calibration method for LiDAR and camera by fusing mutual information and multi-feature constraints[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2025, 46(1): 29-41.

[14]

徐孝彬, 曹晨飞, 张磊, 等. 基于四面体特征的面阵激光雷达与相机标定方法[J]. 光子学报, 2024, 53(7): 176-190.

[15]

Xu Xiaobin, Cao Chenfei, Zhang Lei, et al. Calibration method for planar array LiDAR and camera based on tetrahedral features[J]. Acta Photonica Sinica, 2024, 53(7): 176-190.

[16]

Ishikawa R, Oishi T, Ikeuchi K. LiDAR andcamera calibration using motions estimated by sensor fusion odometry[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). New York:IEEE, 2018: 7342-7349.

[17]

张磊, 徐孝彬, 何佳, 等. 基于室内结构特征的二维激光雷达与相机标定方法[J]. 光子学报, 2020, 49(12): 67-78.

[18]

Zhang Lei, Xu Xiaobin, He Jia, et al. Calibration method for 2D LiDAR and camera based on indoor structural features[J]. Acta Photonica Sinica, 2020, 49(12): 67-78.

[19]

Huang K, Stachniss C. Extrinsic multi-sensor calibration for mobile robots using the gauss-helmert model[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). New York:IEEE, 2017: 1490-1499.

[20]

Qiu K, Qin T, Pan J, et al. Real-time temporal and rotational calibration of heterogeneous sensors using motion correlation analysis[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2020, 37(2): 587-602.

[21]

赵亮, 胡杰, 刘汉, 等. 基于语义分割的深度学习激光点云三维目标检测[J]. 中国激光, 2021, 48(17): 177-189.

[22]

Zhao Liang, Hu Jie, Liu Han, et al. 3D object detection in LiDAR point clouds using semantic segmentation-based deep learning[J]. Chinese Journal of Lasers, 2021, 48(17): 177-189.

[23]

Li J, Hu M, Liu S, et al. Improved LiDAR-camera calibration based on hand-eye model under motion limitation[J]. IEEE Sensors Journal, 2023, 23(16): 18634-18643.

[24]

Wu S, Hadachi A, Vivet D, et al. NetCalib:a novel approach for LiDAR-camera auto-calibration based on deep learning[C]// 25th International Conference on Pattern Recognition (ICPR). New York: IEEE, 2021: 6648-6655.

[25]

李晗, 葛动元, 姚锡凡. 面向鱼眼相机标定和畸变处理的深度神经网络[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(17): 7260-7267.

[26]

Li Han, Ge Dongyuan, Yao Xifan. Deep neural network for fisheye camera calibration and distortion handling[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(17): 7260-7267.

[27]

Zhang W, Xu D. Extrinsic calibration of LiDAR-camera based on deep convolutional network[C]// China Automation Congress (CAC). New York: IEEE, 2022: 2949-2954.

[28]

Zhang Q, Pless R. Extrinsic calibration of a camera and laser range finder (improves camera calibration)[C]// IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). New York:IEEE, 2004: 2301-2306.

[29]

Geiger A, Moosmann F, Car Ö, et al. Automatic camera and range sensor calibration using a single shot[C]// IEEE International Conference on Robotics and Automation. New York:IEEE, 2012: 3936-3943.

[30]

Huang J K, Grizzle J W. Improvements to target-based 3D LiDAR to camera calibration[J]. IEEE Access, 2020, 8: 134101-134110.

[31]

Zhou L, Li Z, Kaess M. Automatic extrinsic calibration of a camera and a 3D LiDAR using line and plane correspondences[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). New York: IEEE, 2018: 5562-5569.

[32]

Verma S, Berrio J S, Worrall S, et al. Automatic extrinsic calibration between a camera and a 3D LiDAR using 3D point and plane correspondences[C]// IEEE Intelligent Transportation Systems Conference (ITSC). New York: IEEE, 2019: 3906-3912.

[33]

Pandey G, McBride J, Savarese S, et al. Extrinsic calibration of a 3D laser scanner and an omnidirectional camera[J]. IFAC Proceedings Volumes, 2010, 43(16): 336-341.

[34]

Wang W, Sakarada K, Kawaguchi N. Reflectance intensity assisted automatic and accurate extrinsic calibration of 3D LiDAR and panoramic camera using a printed chessboard[J]. Remote Sensing, 2017, 9(8): 851.

[35]

Gong X, Lin Y, Liu J. 3D LiDAR-camera extrinsic calibration using an arbitrary trihedron[J]. Sensors, 2013, 13(2): 1902-1918.

[36]

Da Cruz G P, Azpúrua H, Lizarralde F, et al. Extrinsic LiDAR-robot and LiDAR-camera calibration for multi-sensor fusion[C]// Latin American Robotics Symposium (LARS). New York:IEEE, 2024: 1-6.

[37]

董文波, 于海鹏, 于龙. 基于靶标内点与边缘角点双重约束的激光雷达与相机联合标定[J]. 传感技术学报, 2023, 36(1): 30-35.

[38]

Dong Wenbo, Yu Haipeng, Yu Long. Joint calibration of LiDAR and camera based on dual constraints of target interior points and edge corner points[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2023, 36(1): 30-35.

[39]

吴军, 袁少博, 祝玉恒, 等. 采用自适应背景聚类的激光雷达与相机外参标定优化方法[J]. 仪器仪表学报, 2023, 44(2): 230-237.

[40]

Wu Jun, Yuan Shaobo, Zhu Yuheng, et al. Optimization method for LiDAR and camera external parameter calibration using adaptive background clustering[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2023, 44(2): 230-237.

[41]

Yan G, He F, Shi C, et al. Joint camera intrinsic and LiDAR-camera extrinsic calibration[C]// IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). New York: IEEE, 2023: 11446-11452.

[42]

李新, 王肖霞, 杨风暴. 基于特征点匹配的激光雷达与相机间外参标定方法[J]. 现代电子技术, 2025, 48(3): 19-25.

[43]

Li Xin, Wang Xiaoxia, Yang Fengbao. Extrinsic calibration method for lidar and camera based on feature point matching[J]. Modern Electronics Technique, 2025, 48(3): 19-25.

基金资助

国家自然科学基金(52565003)

新疆维吾尔自治区重点研发计划(2022B01050-2)

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