面向樹木刷白機(jī)器人智能化的雙目攝像頭圖像畸變矯正算法研究

劉丹萍　聶宇航　許靜　陳朋　王宋村　尹清

【摘 要】本文首先介紹了樹木刷白機(jī)器人智能化的發(fā)展現(xiàn)狀，然后對(duì)樹木刷白機(jī)器人智能化技術(shù)框架進(jìn)行了闡述，最后對(duì)面向雙目視覺識(shí)別、測(cè)距和定位的圖像畸變矯正算法進(jìn)行了研究，為樹木刷白機(jī)器人行業(yè)的機(jī)械智能化工作做了前期探索和鋪墊工作，滿足精準(zhǔn)農(nóng)林業(yè)的發(fā)展要求。

【關(guān)鍵詞】樹木刷白機(jī)器人;智能化;畸變矯正

中圖分類號(hào)： S776.28文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）01-0114-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.01.048

0 引言

為保護(hù)樹木過冬，防止病蟲對(duì)樹木的侵害，人們特別是園藝工作者在春天和秋天都要為樹木的樹干噴涂一種白色的防病蟲害的藥液或涂料。通過機(jī)械化的手段完成人工刷白的工作，樹木刷白機(jī)器人可以代替人力完成高強(qiáng)度、低效率和傷害人體的工作。為進(jìn)一步節(jié)省人力，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，滿足樹木刷白工作現(xiàn)代化的要求，需要刷白機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主的、無人化的刷白功能，刷白機(jī)器人智能化成為行業(yè)最為迫切的需要。

1 樹木刷白機(jī)器人研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)樹木刷白機(jī)器人進(jìn)行了一些研究，主要開展的工作如下：Molto針對(duì)樹木刷白噴涂機(jī)研發(fā)了能夠與樹冠保持恒定距離的機(jī)電系統(tǒng)，提高了噴涂均勻性[1];張崇哲針對(duì)樹木刷白機(jī)器人視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了一種有效地樹木識(shí)別方法，通過該方法可快速有效地提取樹木的輪廓[2];劉靜面向樹木涂白機(jī)器人設(shè)計(jì)了行走裝置，采用輪腿式齒條升降越障機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了其在街道地形場(chǎng)所下的正常行駛[3]。高彥玉等對(duì)樹木刷白機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)和產(chǎn)品研制進(jìn)行了相關(guān)工作[4-6]。相關(guān)研究工作主要集中在樹木刷白機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)方面，對(duì)其智能化的研究較少，目前對(duì)樹木刷白機(jī)器人的智能化理論研究和技術(shù)開發(fā)已經(jīng)成為樹木保護(hù)行業(yè)亟待開展的工作。

2 樹木刷白機(jī)器人智能化技術(shù)框架

樹木刷白機(jī)器人的設(shè)計(jì)目的是在樹木刷白工作中降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提升刷白的工作效率和減少藥液對(duì)工人健康的損傷。為實(shí)現(xiàn)樹木連續(xù)噴涂這一功能，要求樹木刷白機(jī)器人可以在多棵樹木之間進(jìn)行自主行走?；谀壳叭遮叧墒斓淖詣?dòng)駕駛技術(shù)，可以設(shè)計(jì)樹木刷白機(jī)器人自主行走裝置研發(fā)的技術(shù)框架，進(jìn)而開展相關(guān)的設(shè)計(jì)和研究工作。

基于自動(dòng)駕駛技術(shù)，樹木刷白機(jī)器人自主行走裝置的智能化研究框架如圖1所示。第一步是通過傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集，如通過攝像頭獲取工作環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)、通過雷達(dá)獲取工作環(huán)境的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。目前使用的傳感器以攝像頭和雷達(dá)為主，攝像頭包括單目攝像頭、雙目攝像頭、景深攝像頭、紅外攝像頭等等，雷達(dá)包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等等。第二步是建立環(huán)境模型，也就是基于采集的傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行環(huán)境感知和認(rèn)知工作，包括目標(biāo)檢測(cè)、語義理解、視覺定位、深度估計(jì)、標(biāo)識(shí)識(shí)別、意圖預(yù)測(cè)等工作。第三步是駕駛策略，包括決策規(guī)劃、軌跡規(guī)劃等內(nèi)容。第四步是車輛控制，這里是設(shè)計(jì)樹木刷白機(jī)器人行走裝置，將執(zhí)行命令轉(zhuǎn)化為車輛運(yùn)動(dòng)。

圖1 技術(shù)框架

3 雙目攝像頭圖像畸變矯正算法

基于雙目攝像頭進(jìn)行樹木刷白機(jī)器人視覺識(shí)別、測(cè)距和定位技術(shù)的開發(fā)，這是樹木刷白機(jī)器人智能化中第二步建立環(huán)境模型環(huán)節(jié)的核心內(nèi)容。雙目攝像頭工作中，最理想的情況是攝像頭和拍攝平面成垂直的幾何關(guān)系，以保證圖像內(nèi)容的幾何比例和真實(shí)場(chǎng)景保持一致。然而在實(shí)際工作中，受到機(jī)器人結(jié)構(gòu)的限制和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制對(duì)攝像頭的預(yù)瞄距離要求，攝像頭的安裝需要與工作場(chǎng)景地面成一定角度。攝像頭與地面之間的角度導(dǎo)致成像畸變，進(jìn)而造成垂線成像成為斜線、遠(yuǎn)處線段被壓縮等問題，對(duì)距離測(cè)量、曲率計(jì)算等造成誤差和錯(cuò)誤。通過圖像畸變的矯正算法對(duì)攝像頭進(jìn)行矯正以解決以上問題，具體過程分三步：建立畸變矯正分析模型、縱向畸變矯正、橫向畸變矯正。

3.1 畸變矯正分析模型

確立攝像頭數(shù)據(jù)采集和地面之間的幾何關(guān)系，首先需要建立合適的坐標(biāo)系，世界坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系的映射關(guān)系，如圖2（a）所示，兩坐標(biāo)系及對(duì)應(yīng)關(guān)系如下所述。

（1）世界坐標(biāo)系XO1Y。O1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，也即在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)中攝像頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集視野下邊沿的中心，Y軸為車輛坐標(biāo)系的縱向，也就是車輛前進(jìn)方向，X軸為橫向，也就是車輛右轉(zhuǎn)方向。該坐標(biāo)系內(nèi)的物點(diǎn)坐標(biāo)用（x，y）表示，單位cm。

（2）圖像坐標(biāo)系UO2V。O2點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，也即在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)中攝像頭圖像平面的右上角，U軸是圖像上邊的一行元素，方向向左，V軸是圖像右邊的一列像素，方向向下。該坐標(biāo)系內(nèi)的像素點(diǎn)坐標(biāo)用（u，v）表示，其意義表征該像素點(diǎn)位于圖像數(shù)組的列數(shù)和行數(shù)，單位為像素。

3.2 縱向畸變矯正

取圖2（a）中Y軸方向，也就是樹木刷白機(jī)器人行駛得縱向切面，切面如圖2（b）所示。圖中，I點(diǎn)是地平面上的任意一點(diǎn)，世界坐標(biāo)系中I點(diǎn)坐標(biāo)為（0，y），圖像坐標(biāo)系中I點(diǎn)坐標(biāo)為（u，v），I點(diǎn)和I為相互映射關(guān)系。兩坐標(biāo)系縱向的v軸和y軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

式子中，h為攝像頭的高度，θ為涉嫌頭俯仰角，α為攝像頭張角，f為攝像頭焦距。

3.3 橫向畸變矯正

在圖2（b）中，I點(diǎn)是地平面上的任意一點(diǎn)，世界坐標(biāo)系中I點(diǎn)坐標(biāo)為（0，y），圖像坐標(biāo)系中I點(diǎn)坐標(biāo)為（u，v），I點(diǎn)和I為相互映射關(guān)系。兩坐標(biāo)系橫向的u軸和x軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

式子中，CD見圖2（a）所示，為攝像頭視野下部的寬度，N為像素的總列數(shù)。

4 結(jié)論

樹木刷白機(jī)器人的智能化已經(jīng)成為樹木刷白行業(yè)向前發(fā)展的急切需要，通過應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟的自動(dòng)駕駛技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)樹木刷白機(jī)器人行走裝置的自主行走，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其智能化。通過基于雙目攝像頭的傳感-感知-決策-控制四個(gè)步驟的技術(shù)開發(fā)流程，可以對(duì)樹木刷白機(jī)器人自主行走裝置進(jìn)行開發(fā)，其中雙目攝像頭圖像畸變矯正是樹木刷白機(jī)器人雙目視覺識(shí)別、測(cè)距和定位的核心基礎(chǔ)技術(shù)，文章對(duì)雙目攝像頭圖像畸變矯正算法進(jìn)行了研究。以上工作為樹木刷白機(jī)器人行業(yè)的機(jī)械智能化工作做了前期探索和鋪墊工作，滿足了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求。

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