基于雙目視覺的移動(dòng)機(jī)器人跟蹤技術(shù)研究

鄭燦香

摘 要：移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航需要感知環(huán)境信息，定位和跟蹤障礙物和目標(biāo)，構(gòu)建二維實(shí)時(shí)地圖信息，從而進(jìn)行路徑規(guī)劃。基于多視覺信息和室內(nèi)環(huán)境的特點(diǎn)，研究了移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航中的環(huán)境檢測、動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤、路徑規(guī)劃和優(yōu)化問題。主要內(nèi)容如下：構(gòu)建了移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航視覺系統(tǒng)，提出了單目和雙目組合視覺系統(tǒng)框架。分析了單目視覺和雙目視覺的應(yīng)用和信息融合，設(shè)計(jì)了移動(dòng)機(jī)器人雙目視覺系統(tǒng)，研究了雙目標(biāo)定和立體校正。

關(guān)鍵詞：雙目視覺 移動(dòng)機(jī)器人 跟蹤技術(shù)

引 言

隨著人工智能和傳感技術(shù)的發(fā)展，許多智能機(jī)器人設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)重要分支，由于其移動(dòng)性、便捷性和靈活性，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、軍事、醫(yī)療、倉儲(chǔ)和科學(xué)研究。移動(dòng)機(jī)器人依靠其自主導(dǎo)航系統(tǒng)在不同場景下完成各種指定任務(wù)。自主導(dǎo)航主要分為三個(gè)階段：機(jī)器人周圍環(huán)境的檢測、目標(biāo)識別和定位、路徑規(guī)劃和優(yōu)化。

1、雙目視覺系統(tǒng)標(biāo)定

1.1、單目相機(jī)標(biāo)定

單目相機(jī)的校準(zhǔn)主要是獲取相機(jī)的內(nèi)部和外部參數(shù)，相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)是相機(jī)的固有幾何和光學(xué)特性，相機(jī)的外部參數(shù)描述相機(jī)在世界坐標(biāo)系中的姿態(tài)。相機(jī)校準(zhǔn)方法大致可分為傳統(tǒng)校準(zhǔn)、自校準(zhǔn)和主動(dòng)視覺校準(zhǔn)。本文將使用張尤政的校準(zhǔn)方法進(jìn)行校準(zhǔn)。張尤政的校準(zhǔn)方法使用二維平面棋盤校準(zhǔn)板進(jìn)行校準(zhǔn)。該方法校準(zhǔn)過程相對簡單，準(zhǔn)確度高，基本滿足一般研究和應(yīng)用的要求，它在研究區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。張的校準(zhǔn)方法首先需要拍攝幾塊不同位置和姿勢的校準(zhǔn)板，并利用圖像處理算法提取棋盤角點(diǎn)的信息。在不考慮攝像機(jī)畸變的情況下建立方程組，求解內(nèi)外參數(shù)，然后引入畸變參數(shù)，用最大似然法進(jìn)行非線性求解，得到畸變參數(shù)。重復(fù)迭代線性和非線性求解過程，直到所有參數(shù)收斂。

1.2、雙目視覺立體校正

在攝像機(jī)的實(shí)際安裝中，兩個(gè)攝像機(jī)不能實(shí)現(xiàn)精確的共面和直線對齊，并且總是有一些誤差。為了提高后續(xù)立體匹配中視差搜索的準(zhǔn)確性和效率，圖像平面必須完全對齊。重新投影左、右攝像機(jī)的圖像平面，使圖像平面落在同一平面上，并且左、右圖像平面具有直線對齊的特性的過程稱為立體校正。根據(jù)不同的立體校正方法，立體校正算法主要分為非校準(zhǔn)和校準(zhǔn)立體校正算法。非標(biāo)定立體校正算法是一種典型的非校準(zhǔn)立體校正算法。算法是一種典型的非校準(zhǔn)立體校正算法。其主要思想是通過左右相機(jī)圖像中的特征匹配來計(jì)算基本矩陣，并使用基本矩陣來完成立體校正過程。這種方法可以避免攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的校準(zhǔn)，并且可以通過圖像特征匹配簡單地實(shí)現(xiàn)立體校正。然而，由于場景中缺少圖像比例，三維重建將會(huì)存在非唯一性。但是立體校正算法是最典型的校準(zhǔn)立體校正算法，它主要使用通過校準(zhǔn)獲得的兩個(gè)相機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣。

2、室內(nèi)陰影環(huán)境下障礙物檢測與測量方法研究

2.1、圖像濾波預(yù)處理

由于相機(jī)本身的結(jié)構(gòu)缺陷和傳輸過程中的外部干擾，獲取的圖像有一些噪聲。為了減少這種噪聲對后續(xù)處理算法的干擾，有必要將濾波算法應(yīng)用于預(yù)處理。在常用的濾波算法中，線性濾波算法是均值濾波和高斯濾波，而非線性濾波算法是中值濾波和雙邊濾波。均值濾波的思想是用一定大小的窗口在原始圖像中滑動(dòng)，并將窗口區(qū)域中像素的平均值作為操作后的值。表達(dá)如下：

其中sxy代表以像素點(diǎn)（ x，y ）為中心的小窗口區(qū)域，g （ x，y ）代表窗口中心點(diǎn)（ x，y ）的濾波輸出像素值，m和n分別代表窗口的長度和寬度，f （ x，y ）代表點(diǎn)（ x，y ）的像素值。高斯濾波類似于均值濾波，只是其子窗口中的值不是1，而是符合高斯分布函數(shù)的權(quán)重，原始圖像和窗口中的權(quán)重被用作像素的濾波值。高斯濾波函數(shù)是：

其中δ代表標(biāo)準(zhǔn)偏差，δ越大，平滑度越高。中值濾波是對窗口中的像素值進(jìn)行排序，并選擇中值作為窗口附近中心點(diǎn)的像素值，以便有規(guī)律地遍歷整個(gè)圖像，從而獲得中值濾波圖像。表達(dá)如下：

高斯濾波只考慮周圍像素的相似性，忽略了空間相鄰信息。雙邊濾波同時(shí)將空間信息和灰度信息引入濾波模型，從而在去噪的同時(shí)最大限度地保留邊緣。雙邊濾波與高斯濾波非常相似，除了添加高斯方差，這是基于圖像空間信息的高斯濾波函數(shù)。

2.2、室內(nèi)陰影消除算法研究

在移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航中，需要障礙物信息來避免碰撞。為了提取障礙物，圖像分割理論上可以通過傳統(tǒng)的方法進(jìn)行，如閾值分割、邊緣檢測和區(qū)域生長。然而，由于機(jī)器人在室內(nèi)地面行走時(shí)經(jīng)常受到不均勻光照和地面陰影的影響，傳統(tǒng)方法無法直接獲得障礙物和地面區(qū)域。圖1示出了使用具有不同高閾值和低閾值的canny算法對圖像進(jìn)行邊緣提取的效果。圖1a ）當(dāng)使用更高的閾值進(jìn)行邊緣提取時(shí)，盡管地面陰影的輪廓減小，但是障礙物的邊緣也變得不完整，這不利于障礙物的分割和提取。圖1b ）當(dāng)使用較低閾值進(jìn)行邊緣提取時(shí)，可以提取地面物體的更完整的輪廓，但是地面上的陰影更嚴(yán)重，并且其輪廓也被提取，這不利于后續(xù)的障礙物提取。在自然光照條件下，地面陰影通過邊緣檢測時(shí)會(huì)形成假邊緣，因此無法完全提取出物體的一些真實(shí)邊緣。因此，自然光照下的陰影是影響邊緣提取穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的主要因素。為了達(dá)到準(zhǔn)確提取障礙物的目的，對消除地面陰影進(jìn)行了以下研究。

3、移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)

移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的框架如圖1所示，主要包括兩部分：視覺系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)負(fù)責(zé)目標(biāo)跟蹤和測量。跟蹤算法是第四章提出的特征點(diǎn)輔助時(shí)空上下文跟蹤算法。測量模塊采用第三章提出的基于模板匹配的雙目視覺測量方法。機(jī)器人控制系統(tǒng)利用視覺系統(tǒng)提供的目標(biāo)三維坐標(biāo)信息與跟蹤期望距離值進(jìn)行比較，形成相應(yīng)的控制信號，控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，完成目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤任務(wù)。

結(jié)束語

隨著移動(dòng)機(jī)器人和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航正朝著自主和智能方向發(fā)展。本文主要研究視覺系統(tǒng)下移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)自主導(dǎo)航系統(tǒng)存在的問題。

參考文獻(xiàn)

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