一種適用于強(qiáng)輻射場(chǎng)的單目視覺(jué)系統(tǒng)

王 鐵

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，中國(guó) 北京 100000）

0 引言

視覺(jué)技術(shù)可以分為單目、雙目和結(jié)構(gòu)光等形式。雙目體視的圖像獲取是由不同位置的兩臺(tái)攝像機(jī)拍攝同一幅場(chǎng)景獲取立體圖像，通過(guò)計(jì)算空間點(diǎn)在兩幅圖像中的視差，獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，再經(jīng)過(guò)特征點(diǎn)提取、立體匹配和三維重建得到目標(biāo)物位姿[1]。結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)是基于光學(xué)三角法原理，光學(xué)投射器將一定模式的結(jié)構(gòu)光投影于物體表面，在表面上形成由被測(cè)物體表面形狀所調(diào)制的光柵光條三維圖像，該三維圖像由處于另一位置的攝像機(jī)探測(cè)，從而獲得光柵光條的二維圖像，當(dāng)光學(xué)投射器與攝像機(jī)之間的相對(duì)位置一定時(shí)，由畸變的光條圖像坐標(biāo)便可以重現(xiàn)物體表面形廓，即構(gòu)成了三維視覺(jué)[2]。單目視覺(jué)一般需要利用物體模型上的已知結(jié)構(gòu)特征，常用的特征包括點(diǎn)、直線(xiàn)、平面、二次曲線(xiàn)等，其中研究最多的是應(yīng)用點(diǎn)特征進(jìn)行位姿解算。Fischler M A等人[3]提出著名的PnP（Persp ective-n-Point）問(wèn)題，即只利用一幅圖像，通過(guò)n個(gè)控制點(diǎn)及其在圖像上的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行位姿視覺(jué)解算，該問(wèn)題得到廣泛關(guān)注和研究，并獲得大量應(yīng)用，如航天器對(duì)接等[4]。

強(qiáng)輻射場(chǎng)環(huán)境大多空間狹窄，在事故場(chǎng)景下機(jī)器人面對(duì)未知環(huán)境，需視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)快速反饋目標(biāo)信息，而且強(qiáng)γ輻射會(huì)對(duì)輻照敏感電子元器件造成損傷，導(dǎo)致視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)失效。雙目視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)需要兩個(gè)攝像頭配合，體積較大，后端控制電路復(fù)雜，輻照敏感元件較多，容易受輻照失效，而且其運(yùn)算量大，視覺(jué)引導(dǎo)效率低，不適合在強(qiáng)輻射場(chǎng)下使用；結(jié)構(gòu)光視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)是光學(xué)投射器與攝像頭配合工作，雖然精度較高，但其控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，輻照敏感元件更多，更容易受輻照失效，也不適合在強(qiáng)輻射場(chǎng)下使用；單目視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)相比其他兩種視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更容易做抗輻射加固設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，更適合在強(qiáng)輻射場(chǎng)中工作。

因?yàn)閼{借一個(gè)攝像頭單次獲得的一幀圖像無(wú)法計(jì)算目標(biāo)的深度信息，故基于單攝像機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)需要增加距離傳感器，或借助不同位置的多幀圖像獲得深度信息，其中，Henry P[5]就是利用激光測(cè)距儀，配合單目攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了三維測(cè)量，黃鳳山等[6]以不具測(cè)距功能的激光束代替激光測(cè)距儀，提出了一種基于“共線(xiàn)三點(diǎn)透視問(wèn)題（P3CP）”的目標(biāo)定位方法，基于該方法的系統(tǒng)具有很好的便攜性與靈活性。Aroca R V等[7]提出了一種激光筆與單目結(jié)合的測(cè)距方法，該方法以極為廉價(jià)的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)了距離測(cè)量，但是該方法無(wú)法獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息。

本文設(shè)計(jì)了一種三條激光束與單目結(jié)合的三維定位測(cè)量方法，此目標(biāo)測(cè)量方法所需的硬件成本極其低廉，可以為定位系統(tǒng)構(gòu)建節(jié)省大量成本。本方法無(wú)需在多個(gè)位置測(cè)量，使得手眼可以在狹窄的空間中工作，同時(shí)本方法采用單目視覺(jué)，更適合在強(qiáng)輻射環(huán)境。

1 攝像頭耐輻照性能研究

攝像頭是單目視覺(jué)系統(tǒng)的核心硬件，其中圖像傳感器是攝像頭的核心部件，圖像傳感器的耐輻照性能決定了整個(gè)系統(tǒng)的耐輻照性能。常見(jiàn)的圖像傳感器有兩種，分別為CMOS圖像傳感器和電荷耦合器件（CCD）。CMOS圖像傳感器是一種硅固態(tài)成像器件，相比于電荷耦合器件（CCD），它具有抗空間輻射能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍寬、功耗低、接口簡(jiǎn)單，集成度高等特點(diǎn)。由于其耐輻照性能較強(qiáng)，本研究的單目攝像頭采用CMOS圖像傳感器。

CMOS圖像傳感器在經(jīng)過(guò)γ射線(xiàn)輻射后產(chǎn)生了電離損傷，并在顯示器畫(huà)面中隨機(jī)產(chǎn)生眾多白色的不規(guī)則形狀噪點(diǎn)。噪點(diǎn)隨著劑量率的增大而增多，并且圖像灰度值也隨之增大，它們是呈非線(xiàn)性存在。若CMOS圖像傳感器沒(méi)有進(jìn)行任何抗輻射加固時(shí)，將其直接曝露與γ射線(xiàn)輻射環(huán)境下工作，輸出圖像會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生噪點(diǎn)，輻射劑量率越高則現(xiàn)象越快、越明顯，甚至在某個(gè)時(shí)刻開(kāi)始出現(xiàn)壞點(diǎn)直至傳感器被徹底破壞。當(dāng)輸出圖像中的噪點(diǎn)布滿(mǎn)整個(gè)屏幕時(shí)CMOS圖像傳感器作為設(shè)備監(jiān)控器來(lái)說(shuō)已經(jīng)沒(méi)有實(shí)際工作意義。

通過(guò)對(duì)以往研究分析可知，不同CMOS生產(chǎn)工藝、不同CMOS像元結(jié)構(gòu)等方面都會(huì)影響CMOS抗輻射性能。同時(shí)不同攝像機(jī)商用CMOS集成和PCB板載的元器件不同也會(huì)影響攝像機(jī)整體抗輻射性能。目前針對(duì)CMOS總劑量的研究多是針對(duì)抗輻射加固芯片設(shè)計(jì)后的CMOS，而此類(lèi)CMOS往往造價(jià)高昂，且產(chǎn)量較少，不利于在核工業(yè)領(lǐng)域的推廣使用。因此開(kāi)展攝像機(jī)商用CMOS抗輻射篩選是十分有必要的。本研究通過(guò)對(duì)商用CMOS攝像機(jī)開(kāi)展抗輻射篩選，篩選出抗輻射性能較強(qiáng)并滿(mǎn)足視覺(jué)引導(dǎo)需求的攝像頭。

1.1 攝像頭耐輻照性能測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)選擇索尼、鎂光、豪威這三種較為常用CMOS圖像傳感器進(jìn)行，三種傳感器尺寸近似相等，其中，索尼、鎂光兩種為國(guó)外品牌，豪威為國(guó)產(chǎn)品牌。實(shí)驗(yàn)時(shí)將攝像頭固定后放入輻射場(chǎng)中，其視頻信息經(jīng)加長(zhǎng)線(xiàn)纜傳入鈷源房外計(jì)算機(jī)中，人員在輻射場(chǎng)外觀(guān)察并存儲(chǔ)視頻錄像。實(shí)驗(yàn)在100Gy/h劑量率下進(jìn)行，當(dāng)圖像不可視情況下，視其完全損壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，六款圖像傳感器中，5號(hào)圖像傳感器耐輻照性能可以達(dá)到1500Gy。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量較少，為檢驗(yàn)5號(hào)圖像傳感器耐輻照數(shù)據(jù)是否存在偶然性，進(jìn)一步做了補(bǔ)充驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所為中國(guó)原子能科學(xué)研究院內(nèi)原子高科鈷源房，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將編號(hào)為5的CMOS圖像傳感器置于劑量率200Gy/h位置進(jìn)行輻照。輻照5h后，三個(gè)5號(hào)攝像頭均未損壞，且可視程度良好。

兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，5號(hào)攝像頭可耐總劑量超過(guò)1000Gy，可以用于大部分強(qiáng)輻射場(chǎng)中。

2 降噪技術(shù)研究

強(qiáng)輻射場(chǎng)下，通過(guò)攝像頭所獲得的視頻圖像受到輻射影響不可避免，輻射劑量越高，圖像受影響程度越大，圖1為在200Gy/h劑量率的輻射場(chǎng)中，攝像頭提供的圖像。從圖像中可以看出，在強(qiáng)輻射場(chǎng)中，圖像質(zhì)量可能對(duì)視覺(jué)引導(dǎo)準(zhǔn)確度造成重大影響，因此本章將對(duì)圖像降噪技術(shù)進(jìn)行研究，提高視覺(jué)引導(dǎo)精度。

表1 攝像頭耐輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 噪聲圖像

輻射環(huán)境下噪聲包括暗電流噪聲、脈沖噪聲和高斯噪聲。暗電流噪聲是指在沒(méi)有畫(huà)面輸入即沒(méi)有任何光線(xiàn)的情況下，由于暗電流的存在使得系統(tǒng)輸出的畫(huà)面仍有一些空間分布不均勻的噪聲；脈沖噪聲又稱(chēng)椒鹽噪聲是由于單位時(shí)間內(nèi)光敏區(qū)產(chǎn)生的電子數(shù)量發(fā)生波動(dòng)而引起的，因其持續(xù)時(shí)間短、幅度大、很像尖峰脈沖而得名；熱噪聲是由自由電子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)所形成的，這種噪聲多為無(wú)規(guī)則的隨機(jī)噪聲，分布在每個(gè)像素點(diǎn)上，頻譜寬，幅度不等，其效果是使得圖像邊緣模糊，對(duì)比度降低，層次感減弱。由于這種噪聲分布符合高斯分布，所以稱(chēng)為高斯噪聲。

圖像去噪的一種常用操作是對(duì)圖像進(jìn)行濾波。在處理圖像之前，在成像時(shí)或者前期其他操作中引入了噪聲，例如提取候選區(qū)域時(shí)。為了提高圖像的質(zhì)量，先對(duì)其中的噪聲進(jìn)行濾波，同時(shí)保證有效信息如邊緣不被破壞。

圖2 多幀合成效果圖

濾波去噪方法主要包括空間域、變換域和時(shí)域幾種，空間域去噪方法是直接在原空域中對(duì)圖像進(jìn)行去噪，即直接處理原圖像的灰度值。變換域去噪則是將圖像進(jìn)行某種變換操作，將空域信號(hào)轉(zhuǎn)化成變換域信號(hào)，再處理變換域中的相應(yīng)系數(shù)以去除噪聲，最后逆變換回到原空間域中即得到去噪后的圖像。時(shí)域去噪則是利用多幀圖像的時(shí)間相關(guān)性進(jìn)行降噪。本研究采用基于時(shí)域去噪的多幀合成方法對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理。

互聯(lián)網(wǎng)給高校學(xué)生管理工作提供了便捷，提升了輔導(dǎo)員的工作效率；但互聯(lián)網(wǎng)具有雙刃劍效應(yīng)，我們要以正確的態(tài)度看待互聯(lián)網(wǎng)，充分利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)來(lái)創(chuàng)新學(xué)生管理工作。

此方法常用于天文觀(guān)測(cè)領(lǐng)域，本課題將其借鑒并應(yīng)用于強(qiáng)輻射場(chǎng)中圖像處理中，實(shí)驗(yàn)使用靜止?fàn)顟B(tài)參照物，連續(xù)拍攝30幀圖像進(jìn)行合成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好，基本消除圖像噪聲，如圖2所示。

3 建立單目視覺(jué)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)一套在強(qiáng)輻射下基于激光的單目視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件由載CMOS圖像傳感器的攝像頭、三組半導(dǎo)體激光器、電源、攝像頭和激光器控制電路等幾部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。其中，攝像頭及其控制電路和激光器位于系統(tǒng)前端，直接面對(duì)輻射照射，電源和激光器控制電路位于機(jī)器人本體中，受機(jī)器人屏蔽設(shè)計(jì)保護(hù)。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 系統(tǒng)前端架構(gòu)實(shí)物

本研究對(duì)系統(tǒng)前端硬件架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將三個(gè)激光器呈等腰三角形分布于攝像頭周?chē)?。為?jiǎn)化位姿解算算法，提高視覺(jué)定位速度，各激光器與攝像頭距離近似相等，同時(shí)根據(jù)測(cè)距算法需要，保證激光器所發(fā)射激光射線(xiàn)與攝像頭主光軸平行，將激光器與攝像頭保持平行狀態(tài)。系統(tǒng)前端架構(gòu)實(shí)物如圖4所示。

本研究需對(duì)目標(biāo)平面位姿進(jìn)行測(cè)算，根據(jù)相機(jī)成像模型，建立一套位姿測(cè)算算法，利用激光器在目標(biāo)平面構(gòu)造三個(gè)特征點(diǎn)，通過(guò)激光點(diǎn)與攝像頭中心點(diǎn)距離的變化判斷目標(biāo)平面位姿。單個(gè)攝像頭只能提供特征激光點(diǎn)二維信息，因此需要計(jì)算激光點(diǎn)與攝像機(jī)光心為原點(diǎn)的攝像機(jī)坐標(biāo)系x-y平面之間的垂直距離，得到激光點(diǎn)z坐標(biāo)，距離計(jì)算原理如圖5所示。

該測(cè)距方法必須滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件：（1）激光束與單目光軸平行。（2）工作環(huán)境：激光束在目標(biāo)物體上的落點(diǎn)在環(huán)境中是可以通過(guò)亮度或顏色辨識(shí)的。第一個(gè)條件可通過(guò)人為設(shè)置滿(mǎn)足；但第二個(gè)條件限制了該系統(tǒng)的工作環(huán)境，導(dǎo)致該測(cè)距方法不適于超長(zhǎng)距離測(cè)距，也不適合在光線(xiàn)極強(qiáng)的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。

h/H=f/L

其中，H為激光點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)之間的距離，h為圖像上激光點(diǎn)中心點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)的距離，f為標(biāo)定得到的相機(jī)焦距，L為所求距離。單位均為mm。

激光點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)之間的距離由實(shí)際測(cè)量得到，圖像上激光點(diǎn)中心點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)的距離，是相機(jī)標(biāo)定得到圖像中心點(diǎn)坐標(biāo)與特征提取到的激光點(diǎn)中心點(diǎn)坐標(biāo)之差乘像元尺寸得到，相機(jī)焦距也由相機(jī)標(biāo)定得到。

通過(guò)以上方法得到目標(biāo)平面上三個(gè)激光點(diǎn)三維坐標(biāo)，進(jìn)而確定目標(biāo)平面位姿。

4 測(cè)距算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

圖5 距離計(jì)算原理圖

本研究設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)距算法準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在攝像頭和激光器與目標(biāo)平面垂直情況下進(jìn)行，分別在從100 mm到700mm共13個(gè)距離下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為圖像中心點(diǎn)坐標(biāo)（376，255）、焦距與像元尺寸f/dx比值519.6、激光點(diǎn)中心點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)距離分別為激光點(diǎn)1為44.50mm、激光點(diǎn)2為43.70mm，激光點(diǎn)3為44.12mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在遠(yuǎn)距離時(shí)，測(cè)距誤差較大，且誤差波動(dòng)較大，但在近距離時(shí)，測(cè)距誤差較小，誤差波動(dòng)較小。在150mm內(nèi)，誤差在3mm以?xún)?nèi)。

5 總結(jié)

本文對(duì)單目視覺(jué)系統(tǒng)在強(qiáng)輻射場(chǎng)中的適用性進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵硬件攝像機(jī)進(jìn)行耐輻照測(cè)試，篩選出一款抗輻照性能較好的攝像頭；通過(guò)對(duì)降噪技術(shù)研究，采用多幀合成方式消除輻射引起的噪聲點(diǎn)；通過(guò)建立測(cè)距算法，獲取激光點(diǎn)深度信息，完成對(duì)目標(biāo)的位姿測(cè)量，且測(cè)距結(jié)果表明，在近距離內(nèi)，其誤差較小。

表2 測(cè)距驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果