（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

在歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)國家的一些科研機(jī)構(gòu)及汽車制造商，都在進(jìn)行著智能汽車的研究，一些先進(jìn)的技術(shù)已經(jīng)得到推廣應(yīng)用。在國內(nèi)，主要由研究機(jī)構(gòu)和高校主導(dǎo)智能車輛的研究，但在技術(shù)上還與發(fā)達(dá)國家有著一定差距。障礙物檢測的應(yīng)用前景十分闊，具有極大的實(shí)際應(yīng)用意義，是智能車輛研究中重要的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)傳感器類型不同，障礙物檢測方法有：激光雷達(dá)、超聲波、結(jié)構(gòu)光、雙目攝像機(jī)等。其中，使用雙目攝像機(jī)可以獲得豐富的彩色圖像信息和深度信息，設(shè)備簡單、成本低廉，基于雙目立體視覺的檢測方法是近年來研究的熱點(diǎn)之一。

1 雙目立體視覺的障礙物檢測系統(tǒng)

道路的障礙物定義為高于路平面的物體，而有些研究將低于路面平面的物體也視為障礙物。根據(jù)道路情況，可將道路分為結(jié)構(gòu)化道路和非結(jié)構(gòu)化道路。對結(jié)構(gòu)化道路的障礙物檢測，主要以道路連線檢測為重點(diǎn)，該技術(shù)已獲得了一定的研究成果。對于非結(jié)構(gòu)化道路障礙物檢測仍是難點(diǎn)和重點(diǎn)。

基于雙目立體視覺的障礙物檢測系統(tǒng)，通常是由雙目攝像機(jī)（兩臺固定位置的攝像機(jī)）、計(jì)算機(jī)、顯示設(shè)備等組成。計(jì)算機(jī)從雙目攝像機(jī)獲取原始圖像，轉(zhuǎn)換到灰度或RGB三通道的格式圖像進(jìn)行處理，最后將結(jié)果輸出。由于雙目攝像機(jī)安裝的位置是固定分開的，不同位置攝像機(jī)觀察到的場景視角不一樣，計(jì)算機(jī)除獲得圖像信息外還可以獲得深度信息。在獲取雙目圖像后，依據(jù)模式識別、圖像處理、人工智能等理論，使用各種不同的方法對障礙物檢測。

2 雙目立體視覺系統(tǒng)

雙目立體視覺是根據(jù)兩幅不同角度場景的圖像產(chǎn)生視差，視差反應(yīng)了景物的深度。計(jì)算機(jī)上的雙目立體視覺系統(tǒng)使用兩個不同位置的攝像機(jī)獲取不同場景的圖像，通過在圖像對上查找對應(yīng)點(diǎn)來計(jì)算視差。雙目立體視覺系統(tǒng)的立體成像，通常包括四個步驟：消除畸變、攝像機(jī)校正、圖像匹配和重投影。消除畸變包括切向畸變和徑向畸變，攝像機(jī)校正是為了計(jì)算出攝像機(jī)的焦距、成像中心和兩攝像機(jī)的相對距離。攝像機(jī)校正這一步主要調(diào)整攝像機(jī)間的角度和距離，使兩臺攝像機(jī)的圖像行對準(zhǔn)，為圖像匹配減少計(jì)算量。圖像匹配主要是查找基準(zhǔn)圖像上各個點(diǎn)在另一幅的位置，其位置差即為視差值。在計(jì)算得到視差值后，利用攝像機(jī)間的位置關(guān)系通過三角測量的原理轉(zhuǎn)換成三維點(diǎn)云[1]。三角測量原理圖如圖1所示。圖1中，假設(shè)圖像對已經(jīng)校正行對立，物理世界坐標(biāo)上的點(diǎn)P在左右圖像上的成像點(diǎn)為和焦距為f，左右圖像的投影中心分別為υl和υr，T為兩攝像機(jī)的相對距離，則視差利用相似三角形可計(jì)算出點(diǎn)P與攝像機(jī)的距離：

圖1 三角測量原理圖

3 立體匹配算法

立體匹配是查找基準(zhǔn)圖像上各點(diǎn)在另一圖像上位置，計(jì)算視差的過程，是立體視覺中最難和最關(guān)鍵的技術(shù)。立體視覺系統(tǒng)中，兩幅不同角度場景的圖像受到如下的影響：光學(xué)失真與噪聲、光滑表面反射、投影縮減、低紋理、紋理重復(fù)、透視失真、透明、非連續(xù)和遮擋，因此給立體匹配計(jì)算帶來了極大的困難。

近年來，各種立體匹配算法不斷提出，但一般步驟包括：匹配代價(jià)計(jì)算、匹配代價(jià)疊加、視差獲取和視差細(xì)化。按不同的計(jì)算策略可分為局部匹配算法和全局匹配算法，局部匹配算法的計(jì)算量通常要比全局匹配算法少，但全局匹配算法更能獲得較好的匹配效果?？紤]到立體匹配算法的實(shí)時性和較好匹配效果的要求，文獻(xiàn)[2]提出了半全局的匹配算法(semi-global stereo matching, SGBM)，這是一種改進(jìn)的動態(tài)規(guī)劃算法，具有高效的特點(diǎn)，同時能獲得較高的計(jì)算精度。

4 障礙物檢測方法

基于雙目立體視覺的障礙物檢測方法可分為單目檢測和雙目檢測，單目檢測實(shí)質(zhì)是先通過單幅圖像檢測障礙物在圖像上的位置，再用雙目立體視覺計(jì)算障礙物的空間信息。文獻(xiàn)[3]首先根據(jù)亮度直方圖分割出道路區(qū)域，再在道路區(qū)域內(nèi)利用顏色分割出可疑障礙物區(qū)域，提取可疑障礙物區(qū)域的特征進(jìn)行區(qū)域，計(jì)算可疑障礙物的高度，最終確定障礙物。通過這種方法大大減少了立體匹配的計(jì)算量，對路面上障礙物的檢測有較好的效果，但僅適用于特定顏色的路面，同時路面邊緣上的障礙物存在漏檢的風(fēng)險(xiǎn)。

文獻(xiàn)[4]檢測車道標(biāo)線并在線標(biāo)定相機(jī)俯角，使用基于角點(diǎn)的立體視覺感知算法。通過這種方法，消除了車輛行駛過程中攝像機(jī)俯仰角的變化帶來的影響，弱化了立體匹配中極線約束的要求，減少了立體匹配的計(jì)算量。但這種方法僅適用于帶標(biāo)線的道路，同時需要檢測到障礙物較多的角點(diǎn)，對于障礙物角點(diǎn)較少或路面上角點(diǎn)較多的情況，會影響到檢測結(jié)果的正確性。

文獻(xiàn)[5]提出基于 V視差圖的障礙物檢測算法，先通過立體匹配計(jì)算出視差圖，再根據(jù)一行上相同視差數(shù)目計(jì)算出U-V視差圖，檢測V視差圖中的直線信息，結(jié)合U視差圖確定路面和障礙物。該方法受光照、陰天等影響較小，可檢測面狀的障礙物，但對于球狀或其他不規(guī)則形狀的障礙物檢測難度較大。

文獻(xiàn)[6]提出一種使用全局優(yōu)化算法的雙目立體視覺實(shí)時檢測方法，在確定路面與攝像機(jī)的坐標(biāo)關(guān)系后，通過映射使目標(biāo)圖像的路面與基準(zhǔn)圖像的路面相匹配，最后使用全局優(yōu)化的匹配算法在基準(zhǔn)圖像和映射后的目標(biāo)圖像間計(jì)算，確定障礙物與路面的邊緣。該方法能實(shí)時檢測障礙物，在雨、霧、強(qiáng)光、弱光等惡劣環(huán)境下，也能獲得較好的檢測效果，但受車輛行駛中俯仰角的變化影響較大。

除了上述這些方法外，還有其他一些適用特定場景或具有一定突出優(yōu)點(diǎn)的檢測方法，如：重投影變換檢測法[7]、光流法[8]、結(jié)合傳感器檢測方法[9]等。

5 總結(jié)

總之，各種基于雙目立體視覺的障礙物檢測方法都有獨(dú)自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，面對復(fù)雜的道路環(huán)境，在智能車輛上的應(yīng)用還沒有較好的解決方案。同時，障礙物檢測的應(yīng)用前景十分闊，具有重大的實(shí)際應(yīng)用意義，是智能車輛研究中重要的關(guān)鍵技術(shù)。

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[4]姜巖,高峰,徐國艷.基于角點(diǎn)特征的立體視覺車輛環(huán)境感知系統(tǒng)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(14): 99-107.

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