吳一超，王 儲(chǔ)（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司光電研究院，天津，300000）

?

現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景深度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳一超，王 儲(chǔ)
（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司光電研究院，天津，300000）

摘要：近年來(lái)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景深度在各種場(chǎng)景下都得到了廣泛的應(yīng)用：在家庭中有家用智能清掃機(jī)器人、家庭服務(wù)機(jī)器人；在工廠中有應(yīng)用于物流的自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)（WMR）；在野外考察中有探測(cè)機(jī)器人；在戰(zhàn)場(chǎng)上中有偵察、排雷機(jī)器人。這些應(yīng)用的場(chǎng)景大多非常復(fù)雜，因此建立準(zhǔn)確的場(chǎng)景模型對(duì)于未知環(huán)境中的工作非常重要。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景；深度信息；場(chǎng)景重建

0　引言

現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景深度采集系統(tǒng)的主要目的就是為了通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人在未知現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的采集獲得場(chǎng)景漫游的過(guò)程中采集場(chǎng)景中各個(gè)位置的深度信息，并根據(jù)不同位置的深度信息構(gòu)建現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的三維模型，以完成未知環(huán)境的探測(cè)并為在未知現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中導(dǎo)航打下基礎(chǔ)。

1　機(jī)理模型

1.1場(chǎng)景深度掃描系統(tǒng)構(gòu)成

場(chǎng)景深度掃描子系統(tǒng)由一對(duì)背向的激光掃描儀組成。它能夠采集兩側(cè)的立面上的深度信息。

激光掃描儀是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的儀器。它測(cè)距的基本原理是通過(guò)計(jì)算激光到待測(cè)目標(biāo)的往返傳輸時(shí)間（time-of-flight）來(lái)測(cè)定到目標(biāo)點(diǎn)的距離。測(cè)距所依據(jù)的公式為：（1），其中，為光在空氣中的傳播速度，為光信號(hào)往返所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，為待測(cè)目標(biāo)的距離。

1.2深度場(chǎng)景掃描系統(tǒng)機(jī)理模型

在每次測(cè)量中，激光掃描儀一般通過(guò)掃描面上不同角度的障礙物的外輪廓打出一系列激光點(diǎn)，并將這一系列激光點(diǎn)按照掃描順序輸出以激光掃描儀的中心為原點(diǎn)O，正下方為軸正方向，正左方為y軸正方向，正前方為z軸建立直角坐標(biāo)系，我們稱(chēng)這個(gè)坐標(biāo)系為激光掃描儀坐標(biāo)系。場(chǎng)景深度切片中的每個(gè)激光點(diǎn)以zOy平面上極坐標(biāo)的形式表達(dá)是很容易的。不妨設(shè)場(chǎng)景深度切片中的某點(diǎn)的極坐標(biāo)為，齊次坐標(biāo)為。依公式（2.2）可將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為齊次坐標(biāo)。

這樣，我們就可以定義場(chǎng)景深度切片矩陣為：

1.3深度場(chǎng)景重建機(jī)理模型

為了推倒場(chǎng)景深度掃描系統(tǒng)下的場(chǎng)景深度切片矩陣我們需要討論一下激光掃描儀坐標(biāo)系與采集系統(tǒng)坐標(biāo)系的位置關(guān)系。設(shè)沿著x軸、y軸、z軸的旋轉(zhuǎn)角度的齊次變換矩陣分別為：

設(shè)沿著向量平移的齊次變換矩陣為：

2　場(chǎng)景深度掃描系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

場(chǎng)景深度掃描子系統(tǒng)由一對(duì)背向的激光掃描儀組成，在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景建模采集系統(tǒng)中的激光測(cè)距設(shè)備采用的是采用德國(guó)SICK公司的LMS200激光掃描儀。

得到深度掃描切片后，通過(guò)3.3節(jié)介紹的深度場(chǎng)景重建機(jī)理模型，我們可以得到這幾組場(chǎng)景切片間的位置關(guān)系，進(jìn)而可以將其繪制在空間中。通過(guò)場(chǎng)景深度掃描子系統(tǒng)的掃瞄實(shí)驗(yàn)我們可以看到，場(chǎng)景深度掃描子系統(tǒng)的掃描結(jié)果能夠真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，這為下面的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景建模打下了良好的基礎(chǔ)。

3　結(jié)論

近年來(lái)，隨著場(chǎng)景重建技術(shù)的發(fā)展，在未知現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的場(chǎng)景重建技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，建立未知現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的準(zhǔn)確模型的需求也越來(lái)越強(qiáng)烈。本文針對(duì)這種需求設(shè)計(jì)了一種現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的深度采集系統(tǒng)，并介紹了景深度采集系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、深度場(chǎng)景掃描及重建的機(jī)理模型，最后通過(guò)場(chǎng)景掃描及重建試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

參考文獻(xiàn)

［1］周盛榮.智能家庭清掃機(jī)器人的研究［D］， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006： 1-2.

［2］莫海軍， 吳少煒.排爆機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)［J］，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2005， 5（4）： 52-54.

［3］劉睿，王鋒，張法全.基于序列圖像的糧堆三維重建技術(shù)研究［J］，河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009， 30（3）：43-44.

［4］黃明登.基于激光雷達(dá)的移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)環(huán)境探測(cè)技術(shù)研究［D］， 湖南中南大學(xué)， 2007： 10-14.

Design of real scene depth acquisition system

Wu Yichao，Wang Chu

（Institute of optoelectronics， China Electronic Technology Group Corporation，Tianjin，300000）

Abstract：In recent years，the depth of real scenes in a variety of scenarios have been widely used，in the family has intelligent domestic cleaning robot，home service robot；in the factory has application in the logistics of the automated guided vehicles（WMR）；in the study in the field of detection robot；in the battlefield in a reconnaissance，demining robot.Most of these applications are very complex，so it is very important to establish an accurate model of the scene for the unknown environment.

Keywords：realistic scene；depth information；scene reconstruction

作者簡(jiǎn)介

吳一超（1985-）， 男， 遼寧人，畢業(yè)于東北大學(xué)，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；

王儲(chǔ)（1987-）， 女， 黑龍江人，畢業(yè)于山東科技大學(xué)，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真.