張譯之 周海燕 邊曉偉

摘要：現(xiàn)有的室內(nèi)移動機器人的定位方式一般有兩種，一種是依靠傳感器判斷機器人與周圍場景之間的距離；另一種是在機器人頭頂上端安裝攝像頭，使用平衡雙目方法計算兩相機之間的視差。雙目相機模型的硬件要求高，在實際應(yīng)用中很難發(fā)現(xiàn)適用于平行雙目的相機。在機器視覺領(lǐng)域中，根據(jù)使用的攝像頭數(shù)目可以將其分為單目視覺、雙目視覺、多目視覺等三種。本文主要對雙目視覺中的匯聚式雙目視覺進行研究，研究匯聚式雙目立體視覺在室內(nèi)移動機器人中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：匯聚式雙目立體視覺；室內(nèi)移動機器人；定位

單目相機拍攝的圖像只是三維空間點在二維平面上的投影，無法恢復(fù)出空間點的三維坐標(biāo)信息。在定位過程中需要不斷移動單目相機，得到的三維空間點坐標(biāo)具有不確定性。多目視覺可以在不同的相機內(nèi)呈現(xiàn)出不同的三維空間點投影坐標(biāo)，多目視覺的系統(tǒng)設(shè)計較為復(fù)雜，在恢復(fù)三維點的空間坐標(biāo)信息處理中計算量大，視覺系統(tǒng)不穩(wěn)定。雙目視覺能夠利用同一三維空間點在兩個不同相機上的投影來恢復(fù)空間點的三維空間坐標(biāo)，通過雙目視覺計算得到的三維點坐標(biāo)尺度具有準(zhǔn)確性，視覺系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性較高。

1 針孔相機模型

相機能夠?qū)嶋H生活中的三維空間點投影到二維成像平面中，通過幾何模型進行描述。一般會采用針孔相機模型描述一束光線通過光心后在針孔背面投影成像的關(guān)系。針孔相機模型一般由4個坐標(biāo)系來描述：世界坐標(biāo)系OwXwYwZw、相機坐標(biāo)系OcXcYcZc、圖像像素坐標(biāo)系O1uv、圖像物理坐標(biāo)系Oxy。

2 相機標(biāo)定

物體的實際三維空間點坐標(biāo)和對應(yīng)的圖像坐標(biāo)是通過幾何模型來建立聯(lián)系的。這個模型也被稱為相機參數(shù)模型，包括相機內(nèi)參和相機外參。而獲得精確的相機模型是對物體實際尺寸的測量及空間位置的定位的關(guān)鍵所在。相機標(biāo)定可分為：傳統(tǒng)的相機標(biāo)定法、相機的自標(biāo)定法、張正友標(biāo)定法。

2.1 傳統(tǒng)相機標(biāo)定法

根據(jù)計算相機模型參數(shù)的不同，可將傳統(tǒng)的相機標(biāo)定法分為：直接線性變換法、利用最優(yōu)化算法的標(biāo)定方法、兩步法。傳統(tǒng)的相機標(biāo)定方法的特點是：標(biāo)定精度高，標(biāo)定結(jié)果取決于標(biāo)定物的制作精度。傳統(tǒng)的相機標(biāo)定方法常用于相機內(nèi)參模型固定、相機標(biāo)定精度高的場合[1]。

2.2 相機的自標(biāo)定算法

相機的自標(biāo)定算法是在相機運動過程中拍攝任意場景的圖像序列，根據(jù)相應(yīng)匹配點在這些序列中的匹配，反推出相機的參數(shù)模型。由于相機自標(biāo)定算法是非線性的，所以該方法的魯棒性不高，標(biāo)定結(jié)果精度不準(zhǔn)確。相機的自標(biāo)定法常用于不易放標(biāo)定物或相機模型經(jīng)常改變的場合。

2.3 張正友標(biāo)定法

張正友標(biāo)定法在目前相機標(biāo)定方法中應(yīng)用最廣泛，1998年張正友[2]教授提出一種基于棋盤格的標(biāo)定算法，它是介于傳統(tǒng)標(biāo)定算法和相機自標(biāo)定算法之間的一種算法。該算法具有較好的魯棒性，標(biāo)定結(jié)果精準(zhǔn)，求解過程簡單，用時較少。在此次研究中使用標(biāo)定工具箱對實驗室中使用的雙目相機進行標(biāo)定。經(jīng)過標(biāo)定后的相機參數(shù)與理論分析的誤差不大，標(biāo)定后的相機模型基本準(zhǔn)確，為使用雙目相機進行定位和測量提供了良好的理論依據(jù)。

3 雙目定位及測量

3.1 匯聚式雙目立體視覺定位測量模型

平行式雙目立體視覺也是理想的雙目立體視覺測量模型，它對左右相機的參數(shù)提出了要求，左右相機的內(nèi)參和外參需要完全相同。在理想的雙目立體視覺測量模型下，同一空間點在兩相機的投影平面上是行對準(zhǔn)的，但要找出相機參數(shù)完全相同的兩相機是不現(xiàn)實的，也很難做到只改變兩相機的空間相對位置使同一點在兩相機成像平面上的v值相同。

空間中三維點在左右相機均有投影，投影的像素坐標(biāo)已知。通過兩相機的內(nèi)外參數(shù)和空間點在兩相機成像平面相應(yīng)的像素坐標(biāo)可以得到該點在三維空間中的具體位置。

3.2 目標(biāo)物定位

雙目相機完成立體標(biāo)定后，需要利用標(biāo)定后所得到的參數(shù)對相應(yīng)的匹配點進行三維空間定位。因此需要事先準(zhǔn)備已知幾何特性的參照物。棋盤格的角點為整幅圖像中最容易辨認(rèn)的幾何特征。繪制的標(biāo)定板中每個棋盤格的邊長為20mm，因此選取棋盤格的角點作為空間測量點，通過計算得出棋盤格角點的三維空間坐標(biāo)?？蓪⒖臻g點坐標(biāo)的深度信息與深度信息測量值的誤差作為相機定位測量模型的評判標(biāo)準(zhǔn)。計算對角點的三維空間坐標(biāo)信息的，得出幾組角點的三維空間坐標(biāo)，深度相對誤差均值為0.34%，最大值為0.73%。根據(jù)角點的三維空間信息，測量角點的歐式距離，測量距離的相對誤差在0.95%～2.25%之間波動，滿足室內(nèi)移動機器人的測量定位需求。

4 結(jié)語

本文根據(jù)實驗室中實際的雙目相機，提出匯聚式雙目立體定位測量模型，并對該模型進行了測量及定位的實驗。實驗結(jié)果表明該模型測量的深度相對誤差在0.11%～0.73%之間波動，且測量線段長度的相對誤差在0.95%～2.25%之間波動，滿足現(xiàn)有的室內(nèi)機器人對定位的精度需求。

參考文獻：

[1]唐志豪.基于雙目立體視覺的測量技術(shù)研究[D].江蘇大學(xué)，2006.

[2]Zhang Zhengyou . A flexible new technique for camera calibration[J]. Transaction on Pattern Analysis and Machine Intellgence， 2000， 22（11）： 13301334.