一種視覺(jué)傳感器障礙物覆蓋方法研究＊

刁望成，宋宇博

一種視覺(jué)傳感器障礙物覆蓋方法研究＊

刁望成，宋宇博

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730070）

為從視覺(jué)傳感器覆蓋角度提高自動(dòng)駕駛車輛感知系統(tǒng)的感知效果，以視覺(jué)傳感器探測(cè)區(qū)域內(nèi)障礙物覆蓋面積為量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出一種優(yōu)化視覺(jué)傳感器覆蓋的方法。該方法在建立視覺(jué)傳感器探測(cè)區(qū)域模型的基礎(chǔ)上，引入不規(guī)則三角網(wǎng)描述障礙物表面特征，將視覺(jué)傳感器探測(cè)區(qū)域覆蓋面積計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)格中三角形覆蓋判定和三角形面積累加問(wèn)題。以視覺(jué)傳感器探測(cè)區(qū)域覆蓋面積最大化為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建一種面向三維覆蓋的視覺(jué)傳感器覆蓋模型，并設(shè)計(jì)粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證該優(yōu)化方法的有效性。

視覺(jué)傳感器覆蓋優(yōu)化；三角網(wǎng)格；探測(cè)區(qū)域覆蓋面積；粒子群算法

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷普及，車輛環(huán)境感知功能越來(lái)越受到人們重視。車載攝像頭具有成本低和識(shí)別功能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到環(huán)境感知系統(tǒng)中。為保證自動(dòng)駕駛車輛的行駛安全，需要保證車載視覺(jué)傳感器具備較高的探測(cè)性能，高精度攝像頭對(duì)成本和技術(shù)難度提出了一定要求，也不利于自動(dòng)駕駛技術(shù)的推廣。本文通過(guò)調(diào)整視覺(jué)傳感器在車輛中的安裝位置來(lái)增強(qiáng)對(duì)障礙物的探測(cè)效果。文獻(xiàn)[1]提出了無(wú)線多媒體傳感器三維覆蓋模型，通過(guò)調(diào)整傳感器自身位置和角度實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋增強(qiáng)。文獻(xiàn)[2]提出了限定傳感器具體探測(cè)范圍實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域全覆蓋算法。文獻(xiàn)[3]提出了一種視覺(jué)傳感器三維覆蓋模型，通過(guò)覆蓋不同建筑物和道路場(chǎng)景增強(qiáng)覆蓋范圍。

以上研究成果所建立的模型計(jì)算量相對(duì)復(fù)雜，且沒(méi)對(duì)環(huán)境中具體出現(xiàn)的障礙物進(jìn)行研究，不能作為實(shí)際場(chǎng)景下的方法推廣。本文建立一種簡(jiǎn)化視覺(jué)傳感器覆蓋模型，針對(duì)車輛行駛過(guò)程中出現(xiàn)的車輛和行人等障礙物進(jìn)行覆蓋研究，建立視覺(jué)傳感器和障礙物之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，能夠有效提高視覺(jué)傳感器對(duì)障礙物的覆蓋效果。

1 視覺(jué)傳感器探測(cè)理論研究

本文研究的視覺(jué)傳感器針對(duì)障礙物的覆蓋增強(qiáng)，首先建立傳感器的有向探測(cè)模型，使用探測(cè)距離和探測(cè)角度兩個(gè)參數(shù)來(lái)建立模型，如圖1所示。在相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，該模型可用三元組（s，，）表示，其中s=（s，s，s）為視覺(jué)傳感器在空間中的三維坐標(biāo)，=（，）表示視覺(jué)傳感器在水平方向上的偏移角度和垂直方向上的偏移角度，=（，）為視覺(jué)傳感器主感知方向，為視覺(jué)傳感器在水平和垂直方向上的探測(cè)角度，為視覺(jué)傳感器的探測(cè)距離。

圖1 視覺(jué)傳感器探測(cè)模型

2 探測(cè)對(duì)象模型研究

2.1 點(diǎn)云網(wǎng)格化處理

本文采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)表示障礙物，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的障礙物表面三角網(wǎng)格模擬障礙物表面。計(jì)算視覺(jué)傳感器不同的三維坐標(biāo)和偏移角度下視覺(jué)傳感器自身位置參數(shù)。行人和車輛是最為常見(jiàn)的障礙物，采用三角網(wǎng)生長(zhǎng)法將點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成表面三角形網(wǎng)格，以三角形網(wǎng)格每個(gè)三角形為基本單元，對(duì)障礙物進(jìn)行模型建立[4]，相關(guān)內(nèi)容如下所示。

最接近：以最近的三點(diǎn)形成三角形，且各線段（三角形的邊）皆不相交。

唯一性：不論從區(qū)域何處開(kāi)始構(gòu)建，最終都將得到一致的結(jié)果。

2.2 探測(cè)對(duì)象模型分析

通過(guò)運(yùn)用三角網(wǎng)生長(zhǎng)法對(duì)障礙物點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得探測(cè)對(duì)象三角網(wǎng)格模型。該探測(cè)對(duì)象模型在一般情況下，表面網(wǎng)格中的每個(gè)三角形周圍有3個(gè)三角形相連，三角形的每個(gè)頂點(diǎn)與其余三角形的6個(gè)頂點(diǎn)相連，在表面凹凸不平的情況下會(huì)有不同特征。本文選用汽車障礙物作為探測(cè)對(duì)象進(jìn)行研究，其離散化模型如圖2所示。

圖2 探測(cè)對(duì)象模型

為了更方便計(jì)算探測(cè)對(duì)象表面被視覺(jué)傳感器覆蓋的面積，以每個(gè)三角形中心點(diǎn)k表示探測(cè)對(duì)象表面中每個(gè)對(duì)應(yīng)三角形，通過(guò)判斷k是否被視覺(jué)傳感器覆蓋來(lái)確定相應(yīng)的三角形是否被覆蓋，將探測(cè)對(duì)象模型表面覆蓋面積的計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)化為三角形中心點(diǎn)的覆蓋判定和三角形面積累加計(jì)算的問(wèn)題。中心點(diǎn)k由空間中的三維坐標(biāo)和三角網(wǎng)格面的法向量表示。k=（k，k，k，，），其中（k，k，k）為三角網(wǎng)格中心點(diǎn)三維坐標(biāo)，（，）為三角形網(wǎng)格面法向量。

2.3 覆蓋方法

視覺(jué)傳感器三維坐標(biāo)與探測(cè)對(duì)象三角網(wǎng)格中心點(diǎn)在一個(gè)坐標(biāo)系下進(jìn)行研究。中心點(diǎn)如果被視覺(jué)傳感器覆蓋，需要滿足如下兩個(gè)條件：①中心點(diǎn)需要出現(xiàn)在視覺(jué)傳感器的探測(cè)距離內(nèi)，還需要出現(xiàn)在視覺(jué)傳感器探測(cè)角度內(nèi)，具體判斷方法為，計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)法向量與視覺(jué)傳感器主感知方向法向量之間夾角，所得夾角應(yīng)小于視覺(jué)傳感器探測(cè)角度；②計(jì)算中心點(diǎn)與視覺(jué)傳感器三維坐標(biāo)距離和視覺(jué)傳感器探測(cè)距離大小，所得距離應(yīng)小于視覺(jué)傳感器探測(cè)距離。

3 視覺(jué)傳感器覆蓋優(yōu)化

3.1 視覺(jué)傳感器覆蓋優(yōu)化模型

在障礙物離散化模型和視覺(jué)傳感器探測(cè)模型的基礎(chǔ)上，以視覺(jué)傳感器的探測(cè)區(qū)域內(nèi)所覆蓋的三角形總面積之和作為量化評(píng)價(jià)的指標(biāo)。視覺(jué)傳感器的三維坐標(biāo)和偏移角度為優(yōu)化變量，建立的視覺(jué)傳感器覆蓋優(yōu)化模型為：

式（1）中：為三角形總數(shù)；k為符合覆蓋條件的三角形二進(jìn)制變量，被覆蓋為1，否則為0。目標(biāo)函數(shù)值越大，表示視覺(jué)傳感器覆蓋效果越好。

3.2 采用粒子群算法構(gòu)建搜索領(lǐng)域

視覺(jué)傳感器覆蓋優(yōu)化模型的求解需要確定每個(gè)視覺(jué)傳感器的三維坐標(biāo)和偏移角度，其中三維坐標(biāo)包括3個(gè)優(yōu)化變量，偏移角度包括2個(gè)優(yōu)化變量。

本文采用粒子群算法，針對(duì)覆蓋模型中三維坐標(biāo)和偏移角度的約束條件構(gòu)建搜索領(lǐng)域，具體算法設(shè)計(jì)如下：①設(shè)置粒子數(shù)量為，在視覺(jué)傳感器可以安裝的范圍內(nèi)初始化粒子的位置和速度；②比較每個(gè)粒子的覆蓋面積，選擇適應(yīng)度最大的粒子位置作為當(dāng)前最優(yōu)解；③循環(huán)第代，由粒子群算法迭代更新粒子速度和位置，迭代產(chǎn)生每個(gè)粒子新的位置，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的覆蓋面積，分別與當(dāng)前粒子最大覆蓋面積進(jìn)行比較，更新粒子最好位置；④比較每個(gè)粒子的覆蓋面積和種群所經(jīng)歷的最好位置覆蓋面積，選擇當(dāng)前全局最大覆蓋面積粒子位置作為+1代全局最佳位置；⑤判斷是否等于最大代數(shù)，沒(méi)有則執(zhí)行步驟③，若滿足則輸出粒子最大覆蓋面積和粒子最好位置。

3.3 仿真計(jì)算分析

為驗(yàn)證視覺(jué)傳感器覆蓋效果增強(qiáng)，仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置在長(zhǎng)度50 m，寬度10 m的場(chǎng)景中，障礙物位于智能車中心點(diǎn)的正前方35 m，障礙物設(shè)置為2輛小汽車，位于智能車正前方。視覺(jué)傳感器數(shù)量為2，探測(cè)距離為60 m，探測(cè)角度為20°。根據(jù)智能車實(shí)際能放置視覺(jué)傳感器的位置設(shè)置約束條件，如表1所示。

表1 視覺(jué)傳感器參數(shù)設(shè)置

傳感器x坐標(biāo)/cmz坐標(biāo)/cm水平偏移角/rad垂直偏移角/rad 視覺(jué)傳感器1[-75，0][70，120][1.05，2.09][1.05，2.09] 視覺(jué)傳感器2[-75，0][70，120][1.05，2.09][1.05，2.09]

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，2臺(tái)視覺(jué)傳感器總覆蓋面積之和如圖3所示，視覺(jué)傳感器自身位置不同，參數(shù)在粒子群算法優(yōu)化前后所對(duì)應(yīng)的總覆蓋面積如表2所示。

4 結(jié)論

由圖3可知，視覺(jué)傳感器感知區(qū)域的覆蓋面積之和隨著迭代代數(shù)的增加不斷增加，最后粒子群算法達(dá)到收斂，得到總覆蓋面積的最大值。由表格數(shù)據(jù)可知，每個(gè)視覺(jué)傳感器覆蓋面積均有所增加，其覆蓋效果有所增強(qiáng)，同時(shí)得到每個(gè)傳感器的三維坐標(biāo)和偏移角度。該方法會(huì)因障礙物形狀不同差生不同結(jié)果，但是對(duì)實(shí)際自動(dòng)駕駛車輛如何安裝視覺(jué)傳感器也有一定理論價(jià)值，對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題具有一定指導(dǎo)作用。

圖3 總覆蓋面積迭代圖

表2 視覺(jué)傳感器覆蓋面積

優(yōu)化前x坐標(biāo)/cmz坐標(biāo)/cm水平偏移角/rad垂直偏移角/rad覆蓋面積/cm2 視覺(jué)傳感器1-161131.711.58122 283.53 視覺(jué)傳感器2261121.621.66212 822.07 優(yōu)化后x坐標(biāo)/cmz坐標(biāo)/cm水平偏移角/rad垂直偏移角/rad覆蓋面積/cm2 視覺(jué)傳感器1-56.87106.741.481.54244 078.61 視覺(jué)傳感器231.0891.071.511.55243 635.96

［1］肖甫，王汝傳，孫力娟，等.一種面向三維感知的無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)算法［J］.電子學(xué)報(bào)，2012，40（1）：167-172.

［2］王艷嬌，畢曉君，滕志軍，等.三維無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)全目標(biāo)覆蓋算法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2015，45（5）：1671-1679.

［3］高飛.視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)多要素三維覆蓋優(yōu)化調(diào)度方法［D］.南京：南京師范大學(xué)，2018.

［4］黃浩洋，鄧飛，隆振海，等.二維離散點(diǎn)集Delaunay三角網(wǎng)生長(zhǎng)算法的改進(jìn)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2016，12（23）：188-191.

2095－6835（2020）06－0083－02

U495

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.030

刁望成（1993—），男，山東菏澤人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)駕駛環(huán)境感知傳感器布局優(yōu)化。

宋宇博。

甘肅省高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：2018C-10）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕