基于全景视觉的移动机器人视觉系统分析

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1、江南大学硕士学位论文1．1．2全景视觉技术概述(1)全景视觉的概念视觉传感器较其他方式的传感器具有信息量大、信息完整等优点。这使得通过视觉传感器准确获取信息成为智能机器人的主要发展方向之一。近年来，随着科学技术的迅速发展，视频设备及计算机硬件运行速度得到了极大的提高，使得由于图像采集及处理的硬件设备运行速度低对机器人视觉产生的影响变小。然而仅仅解决传感器运行速度的问题是不足以全面提高机器人视觉系统的工作效率的。这是因为：传统的局部视觉摄像机尽管成像形变较小、使用方便，但观察范围有限，只能观测到摄像机前方几十度视场内的目标，在场地复杂环境下能够提供的信息较

2、少，不利于优化决策。因此就需要附加一套随动系统以锁定目标，但这增加了整个系统的体积、重量及成本，导致跟踪效能下降，并且存在着跟踪目标易丢失的问题。与传统视觉环境感知系统视场较小不同，全景视觉系统指成像大于半球视场f360‘×180。1的球面成像，全景视觉系统利用单视点双曲面反射镜通过CCD成像单元一次成像大于半球视场f360‘x180。1，一次获取整个场景的目标信息，不再需要为光电跟踪系统附加一套随动系统，因此具有十分重要的应用前景。全景视觉技术是--I'-J新兴的技术，随着大规模CCD阵列成像技术和图像并行处理技术的飞速发展，全景视觉环境感知与目标探测

3、系统将在移动机器人定位导航、机载导弹对运动目标检测和跟踪、舰船空间目标探测与跟踪、外部空间探测及视频监控、视频会议、远程教育等民用领域具有广泛的应用前景。当然全景视觉系统也存在其缺点，主要是比1：1)成像图像扭曲：全方位视觉图像在成像时有扭曲现象，不符合人的观察习惯，需要进行转换或制作特殊的全向反射镜限制形变，才能生成符合人观察习惯的图像内容。2)图像细节损失：这包括两大方面：一是图像中容纳了更多的信息，必然导致图像部分细节信息的丢失。二是在转换成适合人类理解的全景和透视图时，也会丢失部分的图像信息。所以全方位图像应用到实际工程中时，需要提供较高的分辨率

4、。3)成像密度不均匀：空间中的信息在全方位设备上成像时，其成像密度存在着很大的差别。如双曲面全方位设备中，当双曲面离心率为1．25时，空间中靠近下方近一半的信息在全方位图像中仅占画面信息的1／5。在其他曲率的双曲面镜头中，不均匀性可能会更加严重。(2)全景视觉的实现方法及其比较目前已经提出了很多全景成像方法，主要有旋转成像或多摄像机成像、鱼眼镜头成像及反射镜全景成像等。旋转成像或多摄像机成像属于图像拼接成像方法。该方法的缺点是旋转摄像机需要一定的时间，并且通过计算机合成全景图原始数据量大，拼接算法复杂，需要较长的时间，不适用于动态场景成像。因此在获取动态

5、场景信息时，人们通常采用多个摄2像机分别朝各个方向同步拍摄。最后将同步采集的图像用计算机处理，生成实时动态的全景图。但由于条件的限制，安装时不同摄像机的光心不可能重合，导致生成的图像不能满足单一视点的要求。另外，谚成像方法成本高，系统也比较复杂”。如图卜2为加拿大PointGrey公司于2008年推出的Ladybu93系列高性能360度全景数字摄影系统。其采用6个CCD来达到80％的全方位球面成像。殴卫盈[蔓骚田卜2Ledybu93多撮像机奎蔫视觉系统(a)多撮悼札奎景成像系统(b)多摄像机奎景成像系统的成像效果Figl一2Lsdybu93muIti-C

6、amera0mni。directionalSystem(a)№lti-cameras0皿ni—difoc$iona[VisionSystem(b)舢1ti—cs∞ra$0mnl—directionaIVisionSystemI蛐gingResults鱼跟透镜方法可以得到无畸变的全景图像。鱼眼镜头由于焦距非常短t使鱼眼镜头摄像机可以观察到接近半球面内的物体，这样视场角就接近180度，可以获取大视场的图像。但这种成像存在较大的图像畸变，且畸变模型不满足透视投影条件，无法从获取的图像中映射出无畸变的透视投影图像：同时视场角越大，光学系统越复杂，从而造价也越昂贵

7、。这类系统的结构相当复杂，设计难度大，加工和装配的要求比较高。目前使用的比较少。反射镜全景成像由摄像机、全景反射镜及机械支撑结构组成的一种全景视觉解决方案。其利用单视点的特性及双曲面反射镜通过CCD成像单元一次可成像大于半球视场的特点，获取到整个场景的目标信息。比起多摄像头成像，反射镜成像不再需要为光电跟踪系统附加一套随动系统，因此有效降低了成本。其比其它方法制作的全景视觉系统获取图像更快、更方便，并且成像精度更高。如图1-3(a)为反射镜全景视觉系统。图1"4(b)为使用反射镜全景视觉系统采样到的图片。j【南^学Ⅲl学n论z(a)(b】图卜3反射镜奎制

8、&像系统(a)反射镜奎号成像系境(b)反射镜奎芾成像系统的点像效果Fjg卜3M1