多传感器联合标定一百问!优化方法及实战技巧(激光雷达-相机等)

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多传感器标定是许多领域应用的基础,直接决定下游应用的性能和上限,自动驾驶之心为大家整理了激光雷达-相机-毫米波雷达-IMU标定相关常见问题与答案,希望能够帮助到大家,先预定100问,我们后面将持续保持更新,冲,冲,冲!!!

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1)激光雷达-相机标定

问题1:有多个相机和多个激光雷达,产线中使用标定板一般怎么进行标定啊?

● 产线可以用带圆洞的标定板进行LiDAR-Camera的标定。

问题2:对激光雷达和相机,基于棋盘格的法向量标进行联合标定,发现参数不对,特别是平移参数,请问下是什么原因?

● 基于尝试优化的时候把位移限制一下,约束在你的测量值附近,就是位移 |x - &|<#,&是你的测量值, # 是你的测量的误差。

问题3:激光雷达和相机联合标定,标定完验证发现只有检测物体在一定角度和一定距离时,点云和图像才能投射到一起,在图像四周和比较靠近相机的位置,点云投射效果就变得很差,这是什么原因呢?我现在是给大卡车上的相机和激光雷达做联合标定,2个设备的距离有1米以上

● 这估计是位移标定的有误差,在远的地方看不出来,近距离的话,位移误差就容易提现出来了

问题4:openCalib中自动联合标定激光雷达和相机,提取图像特征对图像有什么要求吗?包括背景复杂度,特定颜色需求,openCalib中仅说明了提取线特征,用官方给的示例图片提取特征较好,但是我用自己的图片提取特征效果就很差

● 试试升级版的代码,这个通用性非常强,https://github.com/OpenCalib/CalibAnything 用这个来标定你的场景试试

问题5:我看到opencalib代码里面的lidar2camera项目 输入需要的数据为pcd,jpg,内参和外参,这个初始外参是怎么获取的啊?

● 通过其他方式,比如理论安装位姿,可以再看看预习资料。

问题6:想问一下,lidar2cam标定用pnp算法,对于3d-2d采样点分布是不是有要求,我只用离车近的8个点去计算,得到结果是近处投影效果很好,远处就不行了,是不是近处和远处都要采集对应点?

● 是的,远近最好都要有,否则容易求出局部解。

问题7:第二章最后一节,激光雷达&相机内外参联合标定,标定得出的激光雷达外参,是指雷达坐标系相对于相机坐标系的外参吗?这个联合标定有没有代码学习一下?opencalib上我没找到。

● 可以看看lidar2camera下面的jointcalib

问题8: 老师你好,我想看一下平移约束怎么写的,想问一下代码里是否加了这个约束?看了下代码没有定位到地方。

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● 因为考虑到完整性现有的代码是没有加这个约束,但是一般的量产往往都会加上这个约束。这个代码写法很简单,例如,x的设计值是0.7,安装误差为0.1。那么x的值应该为0.6~0.8之间,然后参考这个链接加在优化函数中即可

2)毫米波雷达-相机标定

问题1:标定间其实只用来标定雷达和相机传感器之间的位置,传感器和baselink用另外的方法标?

● 雷达到标定间,相机到标定间,组合得到雷达到相机,车在哪无所谓;自车中心自己定义的,怎么标定根据定义走。

问题2:请问相机和雷达到车身的相对位姿一般用什么方法标定呢?

● 这个标定课程里面也会讲到的哈,产线一般标定的都是到车身,在线标定可以用
https://github.com/PJLab-ADG/SensorsCalibration/tree/master/SensorX2car

问题3:量产车一般对相机 - 雷达的标定精度要求是多少啊,比如旋转角差0.5°还是多少?

● 量产中,一般是根据感知的容忍误差来定的。例如,有的标定算法标定了多辆车,而感知没有出问题,那么就认为现有的标定算法符合要求。现实中标定精度往往很难进行定量评估,因为没有办法获得真值,一般认为标定算法出来的结果就是真值

问题4:请问各位老师,相机和雷达外参标定后,除了主观看对齐效果,有什么客观数据可以说明效果吗

● 关键点做correspondence estimation,然后看误差,通过相对应点的重投影误差来评估标定的好坏;另外一种是通过模型来判断,其实就是一个二分类问题。用对齐的数据和没对齐的数据放到模型里面去训练

问题5:单线激光雷达有什么好的标定方法?联合标定,和相机还是雷达?

● 单线激光雷达只有一个线束,圆洞肯定提取不出来。建议用二维码或者其他标定板,提取雷达直线然后和相机提取角点进行求解。例如,可以求出物理坐标系下,雷达直线和标定板的关系,然后在通过内参,以及标定板到相机的外参求解。

问题6: 老师请问一下,标定间方法里面将雷达点提取的标定框拟合出来以后,会根据标定版尺寸将每个角点的3d信息都推测出来然后和相机2d点匹配,是这样的流程吗

● 是的,一般是用4个角的点来计算的

其它多传感器标定问题

问题1:请教大佬们一个问题,相机外参标定:标定相机外参一个方案就是收集点对。比如我想标定路口相机坐标系和世界坐标系的Rt,我的做法是在去畸变的图像上找到车道线、斑马线等有特征的静态物体,收集图像上的点坐标,并且标上序号,按照序号收集对应点在经纬坐标系下的坐标,再转换到墨卡托坐标系下。接着利用opencv接口,solvePnPRansac计算Rt(不够准),又用BA进行调优。结果发现世界坐标系下的点投影到图像上很不准,并且不准的没有规律。但这组点对用findHography接口计算单应性矩阵,可视化结果蛮准的。如果我将采集的点对按照图像区域划分计算局部Rt,投影到图像上就准了。现在觉得有两种可能,1是采集经纬坐标的设备精度太差,2是计算外参算法有问题。

● 建议,t自己测量一个,只优化R试试;或者优化的时候给t加个范围约束

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<think>首先,用户的题是关于2D激光雷达相机联合标定方法和步骤。用户提到这是用于机器人、自动驾驶或计算机视觉中的多传感器融合。 我需要回顾系统级指令: - 所有行内数学表达式必须使用$...$格式。 - 独立公式必须使用$$...$$格式并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关题。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如[^1]。 - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决题,保证真实可靠。 用户提供的引用包括: - [^1]: 激光雷达相机联合标定的意义。 - [^2]: 适用于相机激光雷达朝向相似的情况,分为T矩阵标定和R|T矩阵联合标定- [^3]: 使用calibration toolkit工具进行标定,包括启动传感器和录制rosbag包。 - [^4]: 半自动标定方法,涉及数据接收、内参标定、点云投影、标定板描点等。 - [^5]: 多线激光雷达相机标定实战,包括数据采集和环境配置。 用户意图是2D激光雷达(可能是2D激光雷达,如单线激光雷达)与相机联合标定。2D激光雷达通常产生二维点云,而相机是二维图像传感器。联合标定的目的是将激光雷达的坐标系与相机的坐标系对齐,以便融合数据。 关键步骤通常包括: 1. **准备阶段**:设置传感器,确保它们固定安装,并获取它们的内部参数(如相机内参)。 2. **数据采集**:使用标定板(如棋盘格)同时从激光雷达相机采集数据。 3. **特征提取**:从图像中提取特征(如角点),从点云中提取对应特征。 4. **初始估计**:计算相对位姿(旋转矩阵R和平移向量T)。 5. **优化**:使用优化算法(如Levenberg-Marquardt)精炼R和T。 6. **验证**:评估标定结果的准确性。 针对2D激光雷达- 2D激光雷达通常扫描一个平面,产生二维点云。 - 标定时,可能需要考虑激光雷达的扫描平面与相机视野的关系。 - 方法可能类似于3D激光雷达,但简化,因为点云是二维的。 参考引用: - [^2]提到方法适用于朝向相似的情况,主要标定T矩阵,然后联合标定R|T。 - [^4]描述半自动标定,包括点云投影到图像。 - [^5]涉及数据采集和标定程序。 结构回答: 1. **引言**:简要解释联合标定的意义。 2. **步骤**:逐步描述方法。 3. **实现**:可能包括工具或代码示例。 4. **相关题**:生成相关题。 生成相关题: - 例如:如何验证标定结果?标定中常见题有哪些?2D激光雷达标定与3D有何不同? 使用中文回答。 确保真实可靠:基于标准计算机视觉和机器人学知识。 最终回答大纲: 1. 介绍联合标定的目的。 2. 详细步骤: a. 传感器准备和内参标定。 b. 数据采集。 c. 特征提取。 d. 外参标定(R和T)。 e. 优化和验证。 3. 引用相关部分。 4. 生成相关题。</think>### 2D激光雷达相机联合标定方法及步骤 2D激光雷达(如单线激光雷达)与相机联合标定是机器人、自动驾驶和计算机视觉中多传感器融合的关键技术。其目的是将激光雷达的坐标系(通常为2D平面)与相机坐标系对齐,通过计算旋转矩阵$R$和平移向量$T$(合称外参),实现点云数据与图像数据的精确融合。这能提升环境感知的准确性和鲁棒性,例如在SLAM(同步定位与地图构建)或障碍物检测中[^1]。以下基于标准方法(如基于标定板的半自动标定)逐步说明过程和步骤。方法参考了联合标定的核心理论[^4],并针对2D激光雷达特性(如点云为二维平面)进行了优化。 #### 步骤1: 准备工作(传感器设置和内参标定- **传感器安装**: 固定2D激光雷达相机,确保它们的相对位置稳定。理想情况下,激光雷达扫描平面应与相机视野平面平行或近似平行,以减少标定误差[^2]。例如,在机器人平台上,将激光雷达安装在相机下方或侧方,并记录大致朝向。 - **内参标定**: 首先,单独标定相机的内部参数(内参),包括焦距$f_x, f_y$、主点$c_x, c_y$和畸变系数$k_1, k_2$。使用棋盘格标定板: - 采集多张不同角度的标定板图像(建议10-15张)。 - 使用OpenCV的`cv2.calibrateCamera()`函数计算内参。 类似地,标定2D激光雷达的内参(如扫描角度分辨率),但通常2D激光雷达内参已知或可忽略。 **数学基础**:相机模型为小孔成像原理,像素坐标$(u,v)$与世界坐标$(X,Y,Z)$的关系为: $$ s \begin{bmatrix} u \\ v \\ 1 \end{bmatrix} = K \begin{bmatrix} R & T \end{bmatrix} \begin{bmatrix} X \\ Y \\ Z \\ 1 \end{bmatrix} $$ 其中$K$是相机内参矩阵,$s$是尺度因子[^4]。 - **工具准备**: 推荐使用ROS(Robot Operating System)工具链,如`calibration_toolkit`[^3]或`but_velodyne_camera`[^2]。安装依赖库(如PCL点云库、OpenCV)。 #### 步骤2: 数据采集 - **标定板选择**: 使用高对比度棋盘格标定板(如黑白方格),尺寸已知(e.g., 方格宽度$w$)。标定板需在激光雷达扫描平面内可见(2D激光雷达只能检测平面特征)。 - **采集过程**: - 同时启动相机激光雷达,确保数据同步(e.g., 使用硬件触发或ROS时间戳同步)。 - 移动标定板到不同位置和角度(覆盖传感器视野),采集多组数据(建议10组以上)。每组包括: - 相机图像(RGB格式)。 - 激光雷达点云(2D点云,格式如CSV或PCD)。 - 录制ROS bag包: ```bash rosbag record /camera/image_raw /laser/scan # 替换为实际topic名 ``` 参考实战案例[^5],确保点云和图像一一对应。 **注意**:2D激光雷达点云是二维的(e.g., $(x,y)$坐标),需转换为3D点云(添加$z=0$)以匹配相机模型[^4]。 #### 步骤3: 特征提取 - **图像特征提取**: 使用OpenCV检测标定板角点(关键点): ```python import cv2 ret, corners = cv2.findChessboardCorners(image, pattern_size) ``` 计算角点的像素坐标,并优化亚像素精度。 - **点云特征提取**: 从2D激光雷达点云中提取标定板边缘点: - 应用边缘检测算法(如RANSAC或基于梯度的方法)[^2]。 - 识别标定板轮廓,计算质心或角点在世界坐标系下的坐标(e.g., 标定板中心点$(X_c, Y_c, 0)$)。 **关键处理**:由于2D激光雷达点云是平面,需将点云投影到虚拟3D空间($z=0$平面),便于后续坐标转换[^4]。 #### 步骤4: 外参标定(计算$R$和$T$) - **初始估计**: 基于小孔成像原理,利用特征点对应关系求解$T$(平移向量)。假设标定板点$P$在激光雷达坐标系坐标为$(X_l, Y_l, 0)$,在图像像素坐标为$(u,v)$: $$ \begin{bmatrix} u \\ v \\ 1 \end{bmatrix} \sim K \begin{bmatrix} R & T \end{bmatrix} \begin{bmatrix} X_l \\ Y_l \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} $$ 通过相似三角形关系,计算$T$的初始值(e.g., 最小二乘法求解超定方程)[^2][^4]。 - **联合优化**: 初始$T$后,使用非线性优化(如Levenberg-Marquardt算法)联合优化$R$和$T$: - 目标函数最小化重投影误差: $$ \min_{R,T} \sum_{i} \| \text{proj}(R P_i + T) - \text{pixel}_i \|^2 $$ 其中$\text{proj}$是投影函数,$\text{pixel}_i$是图像特征点。 - 工具实现:在`calibration_toolkit`中,自动迭代求解[^3][^4]。 **注意**:2D激光雷达的$R$矩阵通常较小(旋转角度小),优化更易收敛[^2]。 #### 步骤5: 验证和精炼 - **重投影验证**: 将激光雷达点云投影到图像空间,检查是否对齐标定板特征。例如,使用OpenCV的`cv2.projectPoints()`函数: ```python projected_points, _ = cv2.projectPoints(point_cloud, rvec, tvec, K, dist_coeffs) ``` 可视化投影结果(e.g., 在图像上叠加点云),评估误差(e.g., 像素级误差 < 2px)。 - **误差分析**: 计算平均重投影误差: $$ \text{error} = \frac{1}{N} \sum \| \text{proj}(P_i) - \text{pixel}_i \| $$ 如果误差大(e.g., > 5px),需重新采集数据或调整优化参数。 - **输出外参**: 保存$R$和$T$为YAML或JSON文件,用于实时融合(e.g., 在ROS中使用TF广播)。 #### 注意事项 - **挑战**:2D激光雷达点云稀疏,特征提取可能不准。建议使用高反射率标定板或多次采集[^5]。 - **工具推荐**: - ROS-based:`but_velodyne_camera`(适合朝向相似场景)[^2]。 - 开源库:Autoware或Lidar_camera_calibration(支持2D雷达)。 - **时间估计**:整个流程约1-2小时(依赖数据质量和硬件)。 联合标定能显著提升多传感器系统的可靠性,但需注意环境光照和运动模糊的影响[^1][^4]。
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