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        游戲引擎中基于雙目視覺采集平臺(tái)搭建探討

        2010-11-16 05:51:08俞平
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2010年7期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量模型系統(tǒng)

        俞平

        (杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院電氣與機(jī)械工程系,浙江 杭州 310012)

        1 引言

        近年來,國家對(duì)于數(shù)字媒體科研領(lǐng)域的重視程度日益提高,投入也呈不斷上升的狀態(tài)。從國家科技部863計(jì)劃于2006年發(fā)布的“中國數(shù)字媒體技術(shù)發(fā)展白皮書”中可以看出,國家對(duì)數(shù)字媒體技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的分析,并指出:從目前我國數(shù)字媒體技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看,內(nèi)容制作效率低、內(nèi)容缺乏創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)滯后、網(wǎng)絡(luò)整合困難、終端不足、市場(chǎng)不成熟、價(jià)格缺乏制度依據(jù)、核心技術(shù)有待繼續(xù)研究、產(chǎn)業(yè)鏈尚待進(jìn)一步完善、商業(yè)模式有待探索以及體制問題等諸多因素成為制約我國數(shù)字媒體產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展主要瓶頸。這些瓶頸問題嚴(yán)重影響了我國數(shù)字媒體產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展,所有這一切都有待在未來五年的產(chǎn)業(yè)與科技規(guī)劃中得到改善和徹底解決。

        經(jīng)過了兩年的努力,中國在數(shù)字媒體領(lǐng)域研究中確實(shí)取得了豐碩的成果,然而成果相對(duì)于所提出的目標(biāo)來說還太少,相應(yīng)的,數(shù)字媒體技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)該還具有巨大的市場(chǎng)空間與成長(zhǎng)機(jī)會(huì)。作為一個(gè)期望從制造業(yè)向標(biāo)準(zhǔn)制定者轉(zhuǎn)變的后來者,中國需要也應(yīng)該在此領(lǐng)域有所建樹,通過扶持和鼓勵(lì)、引導(dǎo)市場(chǎng)對(duì)相關(guān)項(xiàng)目和產(chǎn)品的研發(fā),提升我國數(shù)字媒體產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力,進(jìn)而通過標(biāo)準(zhǔn)的制定確立我國在這一產(chǎn)業(yè)中的國際地位。在這樣的宏觀環(huán)境下,國家繼續(xù)大力推動(dòng)數(shù)字媒體相關(guān)的研究。

        2 視覺采集設(shè)備及其模型參數(shù)

        網(wǎng)絡(luò)攝像頭是從用戶的角度對(duì)一類視頻采集設(shè)備的總稱。從硬件配置來看,這些攝像頭也有很多的區(qū)別,例如使用的DSP芯片的不同會(huì)影響攝像頭的性能和分辨率;使用全玻璃透鏡、玻璃和塑膠組合透鏡或者全塑膠透鏡將影響透光和成像的質(zhì)量;而所采用的USB接口版本將影響其數(shù)據(jù)傳輸速度,從而影響幀速。

        綜合評(píng)比了多種品牌和規(guī)格的產(chǎn)品,我們最終選擇了性能比較平衡而且質(zhì)量可靠的藍(lán)色妖姬T620攝像頭。同時(shí)出于匹配和方便的考慮,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用的兩個(gè)攝像頭均選擇了同一品牌同一型號(hào)的產(chǎn)品。

        由以上的介紹我們了解到,攝像頭最原始的模型為透視投影模型,同時(shí)攝像頭的理想模型是針孔成像模型。對(duì)于針孔成像模型而言,攝像頭本身包含了一些固有的參數(shù),稱為攝像頭的內(nèi)部參數(shù)。同時(shí),由于攝像頭的位置和朝向等空間屬性和世界坐標(biāo)并不一定是一致的,因而我們還需要定義攝像頭和世界坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,即攝像頭的外部參數(shù)。攝像頭內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)的表示為如下式所描述的矩陣。

        需要說明的是,A矩陣中的元素Y表示攝像頭的x和y軸不垂直程度的度量,在本實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為其為0。

        3 工作平臺(tái)的搭建和參數(shù)測(cè)量

        3.1 工作平臺(tái)的搭建

        本系統(tǒng)所使用的工作平臺(tái)是根據(jù)立體視覺原理搭建的,由于是實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的平臺(tái),因而并沒有過多考慮靈活性,主要以可用和準(zhǔn)確為原則。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)造如下圖所示。其中,攝像頭底部使用膠槍固定在實(shí)驗(yàn)板上。固定之后,以其中一個(gè)攝像頭為基準(zhǔn),在實(shí)際測(cè)量的同時(shí),通過挖縫補(bǔ)膠的方式進(jìn)行角度和朝向的微調(diào)整,最終使兩個(gè)攝像頭的相對(duì)位置關(guān)系精良準(zhǔn)確。

        平臺(tái)搭建之后,我們經(jīng)過測(cè)量和搜集,得到了平臺(tái)的技術(shù)參數(shù)如下:

        所使用的兩個(gè)攝像頭均為藍(lán)色妖姬T620,采用CMOS感光元件作為視覺傳感器,動(dòng)態(tài)像素30萬,可使用的最高實(shí)際分辨率為640 X 480,色彩深度為24bit,采用松翰120 DSP芯片,鏡頭組為全玻璃鏡頭,I/O接口規(guī)范為USB 2.0徹1 speed標(biāo)準(zhǔn),理論傳輸速度為12Mbps,實(shí)際傳輸速度在10Mbps左右。

        從這些參數(shù)來分析,該攝像頭組合能夠滿足我們系統(tǒng)的硬件要求的,同時(shí)也在一定程度上保證了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的普適性。首先,使用CMOS傳感器,其成像質(zhì)量較一般數(shù)碼相機(jī)使用的CCD感光元件稍差,但己經(jīng)能夠符合系統(tǒng)要求:采用全玻璃鏡片的鏡頭能夠增大透光減小畸變,對(duì)成像質(zhì)量有一定的好處。另外,攝像頭最高分辨率為640乘480,色彩深度24bit,己經(jīng)超過了系統(tǒng)對(duì)精度的要求320×240和8bit色深,因此,其帶寬約10Mbps能夠保證提供給系統(tǒng)每秒15幀以上的圖像流信息。相比系統(tǒng)的處理能力,攝像頭能夠提供的數(shù)據(jù)流稍有不及,但已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)需求,在一般情況下并不構(gòu)成瓶頸。

        3.2 系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算

        根據(jù)標(biāo)稱參數(shù),該攝像頭的定焦成像范圍在3cm~無窮遠(yuǎn)之間,而經(jīng)過我們的實(shí)際測(cè)試,攝像頭能成清晰的像的最短距離在2.7~2.9cm,最長(zhǎng)距離達(dá)到10m以上。

        由于測(cè)量?jī)x器并非十分精確,因而距離范圍為一定的區(qū)間,并且兩個(gè)攝像頭在調(diào)節(jié)到極限的情況下后,其焦距也會(huì)有細(xì)微的區(qū)別。

        記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表:

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        系統(tǒng)平臺(tái)的搭建是在反復(fù)的測(cè)量和再調(diào)整之間完成的。我們測(cè)量系統(tǒng)的固定參數(shù),然后根據(jù)測(cè)量的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)微校調(diào),校調(diào)之后再次測(cè)量。最終,經(jīng)過調(diào)整,系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)如下:系統(tǒng)平臺(tái)底板高度為5.0cm,攝像頭中心高度約為3.4cm,攝像頭主光軸之間的夾角Y約為0.01260,攝像頭坐標(biāo)系x軸之間的平行距離d約為0.23cm,兩攝像頭光心的距離B約為15.92cm,攝像頭坐標(biāo)系y軸夾角p約為0.01310,x軸夾角a約為0.01720。

        4 攝像頭參數(shù)標(biāo)定

        攝像頭的標(biāo)定也稱為定標(biāo),實(shí)際上就是根據(jù)己知的參數(shù)和模型,通過空間物體以及對(duì)物體所拍攝的圖像來尋找他們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,再根據(jù)多個(gè)這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系方程從而求解攝像頭的模型參數(shù)的過程。

        4.1 使用二維靶標(biāo)標(biāo)定內(nèi)部參數(shù)

        我們使用的是張正友等人提出的基于二維平面靶標(biāo)的標(biāo)定方案,該方案要求攝像頭從兩個(gè)以上的不同方位拍攝多張二維靶標(biāo)的照片,拍攝期間攝像頭和靶標(biāo)是可以自由運(yùn)動(dòng)的,并且不需要知道其運(yùn)動(dòng)的方位朝向等過程參數(shù),即所需的只是拍攝的結(jié)果圖像。根據(jù)假設(shè),在拍攝的整個(gè)過程中,攝像頭的內(nèi)部參數(shù)保持不變,而外部參數(shù)則可能會(huì)改變。

        標(biāo)定過程中使用的靶標(biāo)為如上圖的方格組成的圖樣,這些方格就是定標(biāo)點(diǎn)。

        對(duì)本系統(tǒng)所使用的兩個(gè)攝像頭,我們經(jīng)過多次地理標(biāo)定,求得相關(guān)矩陣的期望如下:

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        4.2 本系統(tǒng)標(biāo)定的特殊性

        以上步驟用于標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣以及兩個(gè)修正參數(shù)。對(duì)于外部參數(shù),實(shí)質(zhì)上它們就是指攝像頭坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的仿射變換矩陣。而攝像頭和世界坐標(biāo)的相對(duì)變換是標(biāo)準(zhǔn)的剛體變換,只包含旋轉(zhuǎn)和平移,因此也只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣R和一個(gè)平移矩陣T。

        需要說明的是,在以上的探討中,一方面并不存在先驗(yàn)的世界坐標(biāo)系,另一方面,因?yàn)橄到y(tǒng)本身是一個(gè)比較獨(dú)立的體系,為了簡(jiǎn)化問題,我們也比較傾向于使用攝像頭本身的坐標(biāo)系來描述世界。由于這些原因,對(duì)于外部參數(shù),也就沒有標(biāo)定的必要,換言之,從攝像頭坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的映射過程被省略,并且這一省略對(duì)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生任何影響,這只是對(duì)模型的描述存在差異的問題。

        由上面的敘述我們可以得出這樣的結(jié)論:標(biāo)定是建立攝像頭圖像像素位置與場(chǎng)景點(diǎn)位置之間的關(guān)聯(lián),其途徑是根據(jù)攝像頭模型,由已知點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和世界坐標(biāo)求解攝像頭的模型參數(shù)。其中包括攝像頭的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。標(biāo)定的目的是為了求解出對(duì)于攝像頭模型參數(shù)的完整估計(jì),從而將模型中的位置參數(shù)變成己知,方便了計(jì)算過程。

        5 小結(jié)

        以上介紹了使用的視覺采集設(shè)備以及平臺(tái)的相關(guān)信息,特別是測(cè)量和計(jì)算了平臺(tái)的相關(guān)各種技術(shù)指標(biāo)。然后,考察了對(duì)于建立還原模型非常必要的攝像頭的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù),并對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定。

        [1]馬頌德,張正友,計(jì)算機(jī)視覺一計(jì)算理論與算法基基礎(chǔ),科學(xué)出版社,1998年

        [2]李青,鄭南寧,張雪濤,用三線法標(biāo)定車載攝像頭的外部參數(shù),光電工程,2004年

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