付飛蚺，徐晶，李福善，方明，趙曉軍

（長春理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022）

近年來在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域，基于視覺傳感器與激光測距的融合技術(shù)成為了研究的熱點(diǎn)，特別是在未知環(huán)境中機(jī)器人的同時(shí)定位與地圖生成（SLAM）問題中激光掃描儀（以下簡稱：掃描儀）與視覺傳感器則起到了決定性的作用［1，2］。當(dāng)前的研究中，所使用的激光掃描儀不僅體積笨重而且價(jià)格昂貴，不適合小型移動(dòng)機(jī)器人裝配［3，4］。本系統(tǒng)采用普通的USB攝像機(jī)和360度激光掃描儀RPLIDAR進(jìn)行組合。攝像機(jī)和激光掃描儀經(jīng)本文所提出的方法標(biāo)定后，能夠捕獲具有特定深度信息的圖像。由于深度信息嵌入到了彩色位圖的第四通道中，并且和圖像信息具有對應(yīng)關(guān)系，因此非常適合應(yīng)用到機(jī)器人視覺導(dǎo)航及環(huán)境地圖的構(gòu)建應(yīng)用中。本文首先描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，之后提出標(biāo)定的方法，最后用一個(gè)實(shí)際的例子驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。另外，該系統(tǒng)具有掃描準(zhǔn)確，裝配輕便的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由RPLIDAR與USB攝像機(jī)兩部分構(gòu)成。RPLIDAR可實(shí)現(xiàn)360度6米范圍內(nèi)的激光測距，激光器發(fā)射波長為785nm的不可見紅外光。USB攝像機(jī)采用普通中微型攝像機(jī)，攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)格式為YUYV，采集的圖像分辨率為640×480。

當(dāng)掃描儀與攝像機(jī)在同一高度時(shí)，攝像機(jī)會(huì)發(fā)生遮擋，在掃描成像上呈現(xiàn)點(diǎn)云，影響數(shù)據(jù)融合。所以安裝時(shí)將攝像機(jī)與掃描儀置于同一直線的不同高度。最終得到的裝置如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)裝置圖

RPLIDAR需要根據(jù)不同的操作系統(tǒng)安裝不同的驅(qū)動(dòng)，攝像機(jī)是免驅(qū)的。掃描儀與攝像機(jī)均采用USB2.0接口供電和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。掃描儀每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)為距離（毫米）、夾角（度），表示當(dāng)前采樣點(diǎn)相對于掃描儀自身朝向的夾角；信號強(qiáng)度，分為30等級，表示當(dāng)前采樣點(diǎn)的信號質(zhì)量。

2 標(biāo)定原理

視覺傳感器和激光傳感器的數(shù)據(jù)信息融合的首要任務(wù)是解決傳感器之間的標(biāo)定問題，并且標(biāo)定結(jié)果的好壞影響后期數(shù)據(jù)信息融合的效果，因此多傳感器的聯(lián)合標(biāo)定技術(shù)是傳感器之間信息融合的橋梁。本系統(tǒng)將掃描儀坐標(biāo)系標(biāo)定到圖像坐標(biāo)系中。

圖2 標(biāo)定原理圖

圖2所示，OB線為攝像機(jī)光軸、掃描儀零度角，∠AOC為攝像機(jī)視角，角α為物體P點(diǎn)與攝像機(jī)光軸夾角，角β為物體P點(diǎn)與掃描儀零度線夾角，可得角α與角β的關(guān)系：

公式中L為掃描儀的測量距離，d為攝像機(jī)與掃描儀的水平距離。

本系統(tǒng)的標(biāo)定原理是：通過標(biāo)定板在掃描儀中的點(diǎn)云圖像來調(diào)整標(biāo)定板的位置、標(biāo)定板與掃描儀零度線的夾角；通過攝像機(jī)獲取標(biāo)定板圖像，通過SFM［5］方法來計(jì)算攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣，來求得攝像機(jī)的歐拉角；通過獲取同一物體在圖像中的角度和掃描儀中的角度計(jì)算圖像的像素偏移量，完成系統(tǒng)標(biāo)定。

3 標(biāo)定過程及實(shí)驗(yàn)

標(biāo)定板為針對本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)，邊長為10cm的正方形標(biāo)定板。如圖3所示，標(biāo)定板中的幾何圖形設(shè)計(jì)為三等邊三角形嵌套，最外面的三角形邊長為8cm。四邊形為正方形，邊長為10cm。

圖3 標(biāo)定板

3.1 掃描儀點(diǎn)云密度實(shí)驗(yàn)

由于360度激光掃描儀是以近似固定的頻率轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在對同一個(gè)物體進(jìn)行不同距離的測量時(shí)，所獲得的數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)會(huì)發(fā)生變化。為了獲取精確的點(diǎn)云信息，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

分別在標(biāo)定板與掃描儀距離0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m時(shí)獲取標(biāo)定板點(diǎn)云個(gè)數(shù)，如表1所示。

表1 距離與點(diǎn)云個(gè)數(shù)

為了比較精確地裝配采用了點(diǎn)云個(gè)數(shù)較多的0.5m作為標(biāo)定板與掃描儀距離。觀察點(diǎn)云成像，調(diào)整掃描儀，使掃描雷達(dá)上0°線垂直平分標(biāo)定板的點(diǎn)云線，通過獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來判斷精度，固定掃描儀。如圖4所示，黑色矩形框中點(diǎn)為標(biāo)定板點(diǎn)云。

圖4 標(biāo)定板在掃描儀上的成像

3.2 攝像機(jī)標(biāo)定

通過張正友標(biāo)定法［6］，對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。計(jì)算得出像素焦距為685個(gè)像素，在X方向上的像素偏移為0.23152，Y方向的像素偏移為0.33485。攝像機(jī)的水平視角為50.0796°。將USB攝像機(jī)置于掃描儀前3cm。對標(biāo)定板進(jìn)行拍攝，獲取圖像如圖5所示。

圖5 攝像機(jī)獲取的圖像

對標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定板圖像與拍攝圖像進(jìn)行處理，在兩幅圖像中正方形范圍選取300×300的像素矩陣，標(biāo)出角點(diǎn)，匹配對應(yīng)角點(diǎn)的像素點(diǎn)坐標(biāo)。兩幅圖像中角點(diǎn)的對應(yīng)坐標(biāo)從上至下，從左至右的角點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 對應(yīng)角點(diǎn)的像素坐標(biāo)

通過SFM算法求得攝像機(jī)所拍攝的圖像相對于標(biāo)準(zhǔn)圖像的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

在SFM算法中是以攝像機(jī)的光學(xué)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，垂直方向?yàn)閅軸光軸方向?yàn)閆軸，X軸則垂直于YOZ平面。由旋轉(zhuǎn)矩陣R求得繞Y軸方向的旋轉(zhuǎn)角 α=0.82°，繞x軸方向的旋轉(zhuǎn)角 β=1.27°，繞Z軸方向的旋轉(zhuǎn)角γ=1.14°。

3.3 系統(tǒng)整體標(biāo)定

同時(shí)啟動(dòng)掃描儀與攝像機(jī)獲取數(shù)據(jù)。圖6所示為系統(tǒng)的成像結(jié)果（左側(cè)為掃描儀數(shù)據(jù)，右側(cè)為攝像機(jī)成像）。

圖6 系統(tǒng)成像

通過提取掃描儀數(shù)據(jù)，標(biāo)定板的點(diǎn)云中第5點(diǎn)的角度為0.3906°距離為500.5mm，第6點(diǎn)的角度為-0.4531°距離為500.5mm。此時(shí)0°線垂直平分標(biāo)定板點(diǎn)云線。通過圖7我們可以求得標(biāo)定板中等邊三角形的中心點(diǎn)坐標(biāo)為（317，215）。偏移了3個(gè)像素點(diǎn)，求得偏移角度為0.234375°，與之前攝像機(jī)標(biāo)定的角度0.2415°相差0.007125°。因此當(dāng)我們從掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲取到物體的角度與距離時(shí)我們可以在圖像中得到物體的像素坐標(biāo)。

圖7 實(shí)驗(yàn)場景圖像

圖8 深度信息成像

圖9 深度信息描點(diǎn)

4 深度圖像構(gòu)成

首先通過OPENCV創(chuàng)建4通道BMP圖像，之后將攝像機(jī)采集到的RGB三通道數(shù)據(jù)復(fù)制到創(chuàng)建的圖像中前三個(gè)通道，第四通道存儲(chǔ)對應(yīng)的掃描儀獲取的深度信息。

通過掃描儀可以實(shí)時(shí)獲取360度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含角度信息與距離信息。攝像機(jī)的廣角為50°所以將掃描儀采集的±25°內(nèi)的點(diǎn)帶入到公式（1）中，求得角α，再通過角度與像素之間的關(guān)系求得理想狀態(tài)的像素點(diǎn)的x坐標(biāo)：

通過標(biāo)定可知該系統(tǒng)中實(shí)際圖像與理想圖像的像素差為-3，所以實(shí)際點(diǎn)x′：

在數(shù)字圖像中，每個(gè)通道采用8位存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)化為uchar型的范圍是0到255，而掃描儀采集的數(shù)據(jù)以毫米為單位，范圍在110mm到6000mm，所以在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)需要轉(zhuǎn)換到uchar的表示范圍進(jìn)行存儲(chǔ)，之后再保存為bmp圖像。

實(shí)驗(yàn)場景中分別設(shè)置兩個(gè)標(biāo)志物，分別是位于圖像左側(cè)的飲料瓶，水平的實(shí)際距離約為0.8m；位于圖像中心偏右的茶杯，實(shí)際測量距離約為0.5m。攝像機(jī)采集的圖像如圖7所示，將激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)融合到圖像中，提取第四通道生成的深度信息圖像如圖8所示，其中的灰色點(diǎn)表示該位置的景深信息，越亮的點(diǎn)的位置表示景深越小。圖9則是將存儲(chǔ)的深度信息和角度信息進(jìn)行描點(diǎn)，從圖中可知參照物飲料瓶相對相機(jī)中心的角度約-15°，距離約為822.5mm；參照物水杯相對相機(jī)中心的角度約5°，距離約為506.8mm。與實(shí)際測量距離相符。

5 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以精確獲得一定高度的深度圖像。在移動(dòng)機(jī)器人視覺導(dǎo)航方面就有一定的應(yīng)用價(jià)值。在對機(jī)器人進(jìn)行行走控制時(shí)通過深度圖像可以很好地實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃功能。本系統(tǒng)的不足在于目前只矯正了水平方向的偏移量，在以后的研究中計(jì)劃對裝置進(jìn)行改進(jìn)，使其同時(shí)獲得垂直方向的偏移量，使深度圖像更精確。

［1］高學(xué)海，徐科軍，張瀚，等.基于單目視覺和激光測距儀的位姿測量算法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28（8）：1479-1485.

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