一種主動(dòng)式全景立體視覺傳感器設(shè)計(jì)

湯一平， 周靜愷， 徐海濤

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

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一種主動(dòng)式全景立體視覺傳感器設(shè)計(jì)

湯一平， 周靜愷， 徐海濤

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

摘要:現(xiàn)有的三維激光掃描儀無法實(shí)時(shí)、全自動(dòng)地計(jì)算空間三維信息，需要對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。為解決這些問題,研制了一種新型主動(dòng)式全景立體視覺傳感器(ASODVS)，并且從影響ASODVS測(cè)距精度的各個(gè)因素進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的ASODVS能自動(dòng)、實(shí)時(shí)地進(jìn)行空間物點(diǎn)深度測(cè)量,并得到相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)式全景立體視覺傳感器； 面激光發(fā)生器； 單視點(diǎn)； 深度測(cè)量； 三維重構(gòu)

0引言

與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)能夠快速、精確、無接觸地完成復(fù)雜表面的測(cè)量和建模[1]。但三維激光掃描儀的制造成本和維護(hù)成本十分昂貴[2]，并且需要對(duì)不同傳感器的同名特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)。由于三維激光掃描技術(shù)在不同掃描站獲得的空間三維數(shù)據(jù)分別采用各自的局部坐標(biāo)系，因此,需要將它們配準(zhǔn)到統(tǒng)一坐標(biāo)系下。任何一種拼接都可能產(chǎn)生誤差，并且還需要花費(fèi)較大的計(jì)算資源[3]。

為解決上述問題，很多研究者從主動(dòng)式全景立體視覺技術(shù)出發(fā)，通過集成全方位視覺傳感器和激光信息解決了傳統(tǒng)立體視覺中存在的特征點(diǎn)匹配問題[4～7]。視覺傳感器的全方位成像特點(diǎn)使得這種技術(shù)在應(yīng)用于空間三維信息測(cè)量和點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取時(shí)無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。但是，目前這種技術(shù)最大問題是難以應(yīng)用同一傳感器對(duì)全景空間物點(diǎn)實(shí)現(xiàn)幾何和色彩信息的同步獲取，并且測(cè)量過程無法滿足實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化的要求。

為此，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的全方位視覺傳感器(omni-directional vision sensor,ODVS)[8]和移動(dòng)面激光發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了一種新型主動(dòng)式全景立體視覺傳感器(active ste-reo omni-directional vision sensor，ASODVS)，并對(duì)其精度和適用情況進(jìn)行了分析。ASODVS研究的貢獻(xiàn)在于能夠?qū)崟r(shí)獲取實(shí)際物體的幾何、顏色信息，從視頻信號(hào)獲取源上解決計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量領(lǐng)域中的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性及魯棒性等方面的問題。

1ASODVS的設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)原理

主動(dòng)式全景立體視覺技術(shù)通常涉及四個(gè)坐標(biāo)系：全景攝像機(jī)坐標(biāo)系(camera coordinate system,CCS)、世界坐標(biāo)系(global coordinate system,GCS)、移動(dòng)面激光發(fā)生器坐標(biāo)系，即掃描坐標(biāo)系(scan coordinate system,SCS)和數(shù)字化圖像平面坐標(biāo)系(image coordinate system,ICS)。大多數(shù)情況下，激光發(fā)生器、被測(cè)物和攝像機(jī)均處于不同的空間位置，因此,四個(gè)坐標(biāo)系不能構(gòu)成簡(jiǎn)單的關(guān)系，這樣就使得測(cè)量時(shí)需要對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行配準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換不僅會(huì)增大計(jì)算復(fù)雜度，也會(huì)降低測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和魯棒性。

為了解決這個(gè)問題，ASODVS在設(shè)計(jì)時(shí)充分利用ODVS的單視點(diǎn)特性[8]，以單視點(diǎn)在水平地面的投影點(diǎn)上為原點(diǎn)建立GCS，并且使ODVS的軸心和帶動(dòng)移動(dòng)面激光發(fā)生器移動(dòng)的螺桿軸心完全重合。使得GCS,CCS和SCS在垂直方向上構(gòu)成直接關(guān)系重合。如圖1所示，SCS與CCS的XOY平面互相平行，并在Z軸方向上相距h(Z)，h(Z)的值通過估計(jì)激光發(fā)生器的移動(dòng)速度和時(shí)間得到[9]。

ASODVS的設(shè)計(jì)降低了計(jì)算的復(fù)雜程度、提高了檢測(cè)精度和魯棒性。

圖1　ASODVS各個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系Fig 1　Relationship between coordinate systems of ASODVS

1.2硬件組成

ASODVS由移動(dòng)面激光發(fā)生器和ODVS構(gòu)成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了與ODVS的全方位成像特點(diǎn)相匹配，移動(dòng)面激光發(fā)生器由四個(gè)相隔90°的綠色線激光組成，其發(fā)射出的激光能夠覆蓋空間水平面的360°范圍。通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使得移動(dòng)面激光發(fā)生器上下運(yùn)動(dòng)從而掃描場(chǎng)景，電機(jī)由型號(hào)為M542(4.2A,50 V)的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。四個(gè)綠色線激光發(fā)生器的型號(hào)為FU53212L10—BD22，波長(zhǎng)為532 nm，形成的光斑模式為一字線狀，功率為10 mW。

圖2　ASODVS硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 2　Hardware structure of ASODVS

2ASODVS測(cè)距原理

ASODVS在進(jìn)行空間點(diǎn)三維測(cè)距時(shí)采用了三角測(cè)距原理[10]，相比于其他激光測(cè)距原理，三角測(cè)距法的激光掃描效率更高，并且系統(tǒng)復(fù)雜度更低。

ASODVS在進(jìn)行空間三維信息測(cè)量時(shí)，啟動(dòng)移動(dòng)面激光發(fā)生器并對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行掃描，同時(shí)獲得一系列帶有激光信息的全景圖像。通過對(duì)全景圖像中的激光點(diǎn)進(jìn)行解析[9]能夠獲得相應(yīng)的入射角α和方位角β，根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)可以計(jì)算該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，如圖3所示。在空間三維坐標(biāo)計(jì)算的同時(shí)，ASODVS能夠根據(jù)全景圖像得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顏色信息，實(shí)現(xiàn)空間點(diǎn)幾何信息和顏色信息的同步獲取。ODVS的具體標(biāo)定方法參考文獻(xiàn)[11]，標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1　ODVS的標(biāo)定結(jié)果

(1)

(2)

式中‖u″‖為成像平面上的點(diǎn)到平面中心的距離,α0,α2為ODVS的標(biāo)定參數(shù)，h(Z)為W點(diǎn)到視點(diǎn)Om的垂直距離，稱為基線距，rw為W到Om的距離，βw為W相對(duì)于Om的方位角，αw為W相對(duì)于Om的入射角?？臻g點(diǎn)三維坐標(biāo)分別為

(3)

其中，α為入射角，r為空間某一點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)之間的深度值，β角為水平面與X軸正向的夾角，即全方位圖像上對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的方位角。

圖3　三維坐標(biāo)的計(jì)算Fig 3　Calculation of 3D coordinates

3實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證ASODVS空間三維坐標(biāo)計(jì)算的準(zhǔn)確性，將其放置在一個(gè)大小約為25 m2的場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行測(cè)距。表2為測(cè)得的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制的誤差曲線如圖4所示。由圖可知，空間點(diǎn)到單視點(diǎn)的距離最大測(cè)量誤差在3 %以內(nèi)。應(yīng)用ASODVS在圖5所示場(chǎng)景中掃描可得如圖6所示三維點(diǎn)云模型。

3.1基線距對(duì)測(cè)距誤差的影響

對(duì)式(1)中的基線距h求偏微分可得到

(4)

表2　距離估算數(shù)據(jù)

圖4　距離誤差與方位角的關(guān)系曲線Fig 4　Curve of relationship between distance error and azimuth angle

圖5　十個(gè)測(cè)距位置Fig 5　Ten ranging positions

圖6　場(chǎng)景的三維點(diǎn)云Fig 6　3D points cloud of scene

由公式可知，入射角α越大，φh的值越大，即基線距誤差對(duì)測(cè)距誤差的影響越大。

3.2入射角對(duì)測(cè)距誤差的影響

對(duì)式(1)中的入射角α求偏微分可得到

(5)

式中φα為測(cè)量誤差對(duì)入射角的敏感系數(shù)，其與入射角和測(cè)量距離的關(guān)系曲線如圖7所示。當(dāng)測(cè)量距離r和入射角α越大時(shí)，φα的值越大。當(dāng)入射角接近90°時(shí)，入射角誤差對(duì)測(cè)距誤差的影響非常大。

圖7　φα關(guān)系曲線Fig 7　φα relationship curve

3.3圖像分辨率對(duì)測(cè)距誤差的影響

完成ODVS的標(biāo)定之后，空間某一點(diǎn)相對(duì)于單視點(diǎn)Om的入射角α可以通過式(6)進(jìn)行計(jì)算

(6)

將式(6)代入式(5)，并將|u″‖記為u可以得到式(7)

(7)

其中，a0,…,aN為ODVS的標(biāo)定參數(shù)，并且a4,…,aN近似為0。

因此,入射角對(duì)的變化關(guān)系可以用式(8)計(jì)算，對(duì)式(8)進(jìn)一步處理可得到式(9)

(8)

(9)

式中φu為測(cè)量誤差對(duì)像素距離的敏感系數(shù)。圖8為φu與r和u的關(guān)系曲線，當(dāng)估算距離越大，像素距離越小時(shí)，φu越大。由于像素距離u的值可以反映圖像的分辨率，因此，當(dāng)估算距離r不變時(shí)，圖像分辨率越高，φu越小，即像素誤差對(duì)距離測(cè)量誤差的影響越小。

圖8　φu關(guān)系曲線Fig 8　φu relationship curve

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的ASODVS能夠?qū)崟r(shí)、快速、準(zhǔn)確地計(jì)算場(chǎng)景的空間三維坐標(biāo)，并同時(shí)得到點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的顏色信息。通過上述精度分析可知，從以下三個(gè)方面改進(jìn)ASODVS可以提高三維測(cè)量的精度:

1)提高h(yuǎn)的精度:系統(tǒng)通過估算電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間來得到h值，如果采用位移傳感器直接實(shí)時(shí)獲取激光光源的移動(dòng)距離，可以進(jìn)一步提高三維測(cè)量精度。

2)增大圖像分辨率:增大圖像分辨率可以從硬件和軟件兩方面進(jìn)行改進(jìn)。在硬件方面，本文的ODVS分辨率為1280像素×720像素，可以采用更高分辨率的成像芯片。在軟件實(shí)現(xiàn)方面，可以通過對(duì)圖像進(jìn)行超分辨率重構(gòu)的方式提高分辨率。

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Design of an active stereo omni-directional vision sensor

TANG Yi-ping, ZHOU Jing-kai, XU Hai-tao

(College of Information Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310023,China)

Abstract:Existing three-dimensional laser scanners cannot calculate three-dimensional information in real-time and automatically,and data registration is essential after acquisition of points cloud.In order to solve these problems,a new kind of active stereo omni-directional vision sensor(ASODVS)is developed,and factors influence ranging precision are also analyzed.Experimental results demonstrate that the proposed ASODVS system can automatically measure 3D panorama space in real-time,and corresponding points cloud datas will also be acquired.

Key words:active stereo omni-directional vision sensor(ASODVS); planar laser generator; single view point; depth measurements; 3D reconstruction

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0109—04

收稿日期：2015—05—19

中圖分類號(hào)：TP 391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)02—0109—04

作者簡(jiǎn)介:

湯一平(1956-)，男，浙江杭州人，博士，教授，研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺、全方位視覺傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。