雙目立體視覺在機(jī)器人三維重建定位中的方法研究

曹 凱

（西安工業(yè)大學(xué) 電信學(xué)院，陜西西安 710021）

雙目立體視覺在機(jī)器人三維重建定位中的方法研究

曹 凱

（西安工業(yè)大學(xué) 電信學(xué)院，陜西西安 710021）

本文對(duì)雙目立體視覺在機(jī)器人三維重建定位中的方法研究，并提出了相應(yīng)的解決方案。

立體視覺；立體匹配；三維重建

0 前言

信息技術(shù)的發(fā)展，讓人類數(shù)字化的進(jìn)程在不斷加快，同時(shí)對(duì)于信息的精度要求越來越高。過去單一的信息處理方式已經(jīng)不能滿足人們的需要，人們希望能夠以更加先進(jìn)的信息處理方式，不斷的去進(jìn)行方式方法的創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)多維信息處理的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這也是科學(xué)家們一起努力的方向，以期通過技術(shù)的進(jìn)步以提升多維信息處理能力。信息專家們把實(shí)現(xiàn)多維信息的重要環(huán)節(jié)放在計(jì)算機(jī)視覺上。對(duì)于人類而言，由于信息的獲取方式主要是通過視覺這種方式來實(shí)現(xiàn)的，主要有百分之七十到百分之八十的信息來自于視覺。當(dāng)前人們對(duì)于視覺系統(tǒng)知道的還比較少，因此，還沒有科學(xué)的原理來對(duì)視覺的識(shí)別的進(jìn)行理性客觀的描述。對(duì)于計(jì)算機(jī)視覺的處理，要與多種學(xué)科建立密切的聯(lián)系，包括神經(jīng)生理學(xué)、心理物理學(xué)等，這對(duì)計(jì)算機(jī)視覺的發(fā)展有重要的促進(jìn)作用。對(duì)于數(shù)字圖像的處理與計(jì)算機(jī)視覺有著非常緊密的關(guān)系，這也是雙目立體視覺在機(jī)器人三維重建定位中的重要的方法依據(jù)，是正確的處理信息中的重要部分和關(guān)鍵技術(shù)。

1 研究意義

在對(duì)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行研究中，被廣泛研究與應(yīng)用的技術(shù)即是立體視覺技術(shù)。雙目立體視覺技術(shù)通過對(duì)同一個(gè)目標(biāo)的兩幅圖片進(jìn)行相應(yīng)的提取、識(shí)別，并進(jìn)行匹配與解釋操作，來實(shí)現(xiàn)重新建立起三維信息環(huán)境的目的。其過程包括如攝像機(jī)標(biāo)定、立體匹配及三維圖像的重建等。通過展開對(duì)雙目立體視覺技術(shù)的深入與廣泛的研究與探討，讓人們對(duì)于多目視覺有非常重要的啟發(fā)的作用。在工業(yè)裝配、家用、公共服務(wù)用機(jī)器人的研究中，重點(diǎn)的問題所在即是需要解決視覺的定位問題，多目視覺非常好的解決了這一技術(shù)問題。本文研究了計(jì)算機(jī)立體視覺定位問題，以期建立起非常完善的機(jī)器人雙目立體視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2 雙目立體視覺在機(jī)器人三維重定位中的方法研究

對(duì)于立體視覺的研究有了較大的進(jìn)展，但對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的推廣方面還有很多需要改進(jìn)的地方，仍不夠成熟。一方面是由于技術(shù)方面的原因，另一方面還是由于人類對(duì)于視覺機(jī)理的研究還不到位。因此對(duì)于人類視覺系統(tǒng)的研究一直在不斷的進(jìn)行。目前主要包括的內(nèi)容有：

2.1 攝像機(jī)標(biāo)定

在立體視覺的研究中，攝像機(jī)標(biāo)定是立體視覺研究的重要組成部分。由于在應(yīng)用中的目標(biāo)不同，對(duì)于攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)也提出了非常多的要求。如果系統(tǒng)任務(wù)是相對(duì)于參考坐標(biāo)系來的，那么保持一定的定位精度是非常重要的。根據(jù)不同的系統(tǒng)任務(wù)來做有效的匹配和識(shí)別。對(duì)有效的標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)有非常有效的作用。

2.2 機(jī)器人立體視覺

機(jī)器人立體視覺是指機(jī)器人通過綜合的分析從不同的視覺點(diǎn)得到多幅圖像，并通過分析成像后形成三維的景物。在信息處理中，我們了解到在機(jī)器視覺系統(tǒng)中要，要解決的二個(gè)問題是其一是立體匹配的問題，一是三維重建的問題。

機(jī)器人雙目立體視覺系統(tǒng)的研究的重點(diǎn)問題即是立體匹配的問題。這是最重要也是最有難度的一個(gè)問題，由于立體場景中有受影響的因素諸多，如會(huì)受到光照條件的影響等。在研究中，由于研究對(duì)象的形狀的不同，物理特性的不同都會(huì)影響成像的形成。在技術(shù)的研究中要注重在各種復(fù)雜場景中的算法應(yīng)用，提高匹配的能力 與抗干擾的能力，以降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和計(jì)算量，提高計(jì)算的精度。

圖1 極線相關(guān)原理

在應(yīng)用中，匹配準(zhǔn)則作為一種規(guī)則，來實(shí)用來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)物理世界的固有屬性與所選匹配基元匹配過程中的規(guī)則。通過匹配原則的應(yīng)用來有效的提高系統(tǒng)的計(jì)算效率，提高系統(tǒng)去除歧義的能力。在匹配性原則中，其中最為一般，最為基本的物理約束即是相容性約束和連續(xù)性約束原則。在基本約束的前期下，提出了對(duì)于景物處理的應(yīng)用方面的要求及特點(diǎn)，以通過附加的一些先驗(yàn)的知識(shí)來引申出一些特定的需要匹配控制的原則。

在匹配準(zhǔn)則中的對(duì)于外極線約束的描述是在像平面(1R)上選定一點(diǎn)(1P)，它在另一像平面(2R)上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)(2P)只有可能處于與之對(duì)應(yīng)的極線(2EP)上。根據(jù)極線相關(guān)原理，最大程度的降低匹配的困難度并有效的提高計(jì)算的速度。

三維重建的最先決的條件即是要有效的建立起兩幅圖像的圖元中的相互的對(duì)應(yīng)關(guān)系，要進(jìn)行立體匹配。對(duì)于實(shí)際的立體圖像對(duì)，求解其對(duì)應(yīng)問題極具挑戰(zhàn)性，可以說是立體視覺中最困難的一步。

2.3 雙目立體視覺

對(duì)于雙目立體視覺系統(tǒng)是利用機(jī)器人的關(guān)于距離的感知的技術(shù)，對(duì)人類的視覺系統(tǒng)進(jìn)行有效的模擬。以實(shí)現(xiàn)靈活立體的測量景物的作用。這對(duì)于視覺生理及工程應(yīng)用都有非常重要的意義。

2.4 攝像機(jī)定標(biāo)

在應(yīng)用中，通過對(duì)攝像機(jī)的定標(biāo)來實(shí)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中，攝像機(jī)的具體定位位置、攝像機(jī)的屬性的系列的參數(shù)以及建立成像模型的形狀，來確定在實(shí)際的空間坐標(biāo)系中，物體點(diǎn)同它在圖像平面上像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在應(yīng)用中，平等的雙視覺模型是理想的應(yīng)用模型，有效的實(shí)現(xiàn)了極線與圖像掃描線的重合，進(jìn)一步降低了立體匹配的復(fù)雜性。通過一般的旋轉(zhuǎn)和位移成像系統(tǒng)可以得到理想的模型。通過攝像機(jī)的定標(biāo)方法可以得到詳盡的攝像機(jī)位置定位，通過調(diào)節(jié)光軸的方向及對(duì)焦距進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的調(diào)整，采用攝像機(jī)自定標(biāo)方法確定三維空間點(diǎn)映射為二維圖像點(diǎn)的變換矩陣。

3 結(jié)語

在對(duì)機(jī)器人視覺系統(tǒng)進(jìn)行研究中，最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)即是要對(duì)雙目立體成像模型進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并進(jìn)行重點(diǎn)的研究。分析研究單目成像模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析研究平行的雙目成像模型的組成部分。在對(duì)立體成像模型進(jìn)行研究與視差匹配后，再恢復(fù)三維的距離就會(huì)相對(duì)比較容易。對(duì)于距離測量精度有多種影響因素，包括數(shù)字量化效應(yīng)、對(duì)各種特征的檢測與定位匹配的精度等各種因素。因此，要用正確方法來對(duì)距離的測量精度和定位精度進(jìn)行精確的測試 。并采用適宜的方法，來設(shè)計(jì)較為合適宜的雙目立體視覺系統(tǒng)。在對(duì)雙目立體視覺系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮各方面的各種因素，以確何在各個(gè)環(huán)節(jié)都有較高的精度。立體視覺是與心理、生理及物理、計(jì)算機(jī)等學(xué)科都有一定聯(lián)系的交叉學(xué)科，對(duì)于立體視覺系統(tǒng)的研究有著非常重要的理論意義與實(shí)用的意義，因此，進(jìn)一步對(duì)人類視覺系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，利用雙目立體視覺系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行有效三維重建定位，有重要的意義。

[1] 雷成，吳福朝，胡占義，一種新的基于主動(dòng)視覺系統(tǒng)的攝像機(jī)自定標(biāo)方法．計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2000，23(上1)

[2] 楊長江，江威，胡占義，一種基于主動(dòng)視覺的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)自定標(biāo)方法．計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，1998，21(5)

Research methods in robot positioning of 3-D reconstruction of binocular stereo vision

Cao Kai

（Telecommunication College of Xi’an Technological University Shanxi Xi’an 710021）

This paper studies on the method of binocular stereo vision in robot positioning of 3-D reconstruction, and proposed the corresponding solution

Stereo vision; stereo matching; 3D reconstruction