關(guān)于機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的5大關(guān)鍵技術(shù)

人類(lèi)視覺(jué)所具有的強(qiáng)大功能和完美的信息處理方式引起了智能研究者的極大興趣，人們希望以生物視覺(jué)為藍(lán)本研究一個(gè)人工視覺(jué)系統(tǒng)用于機(jī)器人中，期望機(jī)器人擁有類(lèi)似人類(lèi)感受環(huán)境的能力。機(jī)器人要對(duì)外部世界的信息進(jìn)行感知，就要依靠各種傳感器。就像人類(lèi)一樣，在機(jī)器人的眾多感知傳感器中，視覺(jué)系統(tǒng)提供了大部分機(jī)器人所需的外部相 界信息。因此視覺(jué)系統(tǒng)在機(jī)器人技術(shù)中具有重要的作用。

依據(jù)視覺(jué)傳感器的數(shù)量和特性，目前主流的移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)有單目視覺(jué)、雙目立體視覺(jué)、多目視覺(jué)和全景視覺(jué)等。

一、單目視覺(jué)

單目視覺(jué)，單目視覺(jué)系統(tǒng)只使用一個(gè)視覺(jué)傳感器。單目視覺(jué)系統(tǒng)在成像過(guò)程中由于從三維客觀世界投影到N維圖像上，從而損失了深度信息，這是此類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)( 盡管如此，單目視覺(jué)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法成熟且計(jì)算量較小，在自主移動(dòng)機(jī)器人中已得到廣泛應(yīng)用，如用于目標(biāo)跟蹤、基于單目特征的室內(nèi)定位導(dǎo)航等。同時(shí)，單目視覺(jué)是其他類(lèi)型視覺(jué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，如雙目立體視覺(jué)、多目視覺(jué)等都是在單目視覺(jué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)附加其他手段和措施而實(shí)現(xiàn)的。

二、雙目立體視覺(jué)

雙目立體視覺(jué)。雙目視覺(jué)系統(tǒng)由兩個(gè)攝像機(jī)組成，利用三角測(cè)量原理獲得場(chǎng)景的深度信息，并且可以重建周?chē)拔锏娜S形狀和位置，類(lèi)似人眼的體視功能，原理簡(jiǎn)單。雙目 視覺(jué)系統(tǒng)需要精確地知道兩個(gè)攝像機(jī)之間的空間位置關(guān)系，而且場(chǎng)景環(huán)境的3D信息需要兩 個(gè)攝像機(jī)從不同角度，同時(shí)拍攝同一場(chǎng)景的兩幅圖像，并進(jìn)行復(fù)雜的匹配，才能準(zhǔn)確得到 立體視覺(jué)系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確地恢復(fù)視覺(jué)場(chǎng)景的三維信息，在移動(dòng)機(jī)器人定位導(dǎo)航、避障和地圖構(gòu)建等方面得到了廣泛的應(yīng)用用。然而，立體視覺(jué)系統(tǒng)的難點(diǎn)是對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的問(wèn)題，該問(wèn)題在很大程度上制約著立體視覺(jué)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

三、多目視覺(jué)系統(tǒng)

多目視覺(jué)系統(tǒng)。多目視覺(jué)系統(tǒng)采用三個(gè)或三個(gè)以上攝像機(jī)，三目視覺(jué)系統(tǒng)居多，主要用來(lái)解決又目立體視覺(jué)系統(tǒng)中匹配多義性的問(wèn)題，提高匹配精度。多目視覺(jué)系統(tǒng)最早由莫拉維克研究，他為"Stanford Cart"研制的視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)采用單個(gè)攝像機(jī)的“滑動(dòng)立體視覺(jué)”來(lái)實(shí)現(xiàn)，雅西達(dá)提出了三目立體視覺(jué)系統(tǒng)解決對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配的問(wèn)題，真正突破了《目立體視覺(jué)系統(tǒng)的局限，并指出以邊界點(diǎn)作為匹配特征的三目視覺(jué)系統(tǒng)中，其三元的配的準(zhǔn)確率比較高，艾雅湜提出了用多邊形近似宕的邊界點(diǎn)段作為特征的三目匹配算法，并用到移動(dòng)機(jī)器人中，取得了較好的效果，三目視覺(jué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是充分利用了第三個(gè)攝像機(jī)的信息，減少了錯(cuò)誤匹配，解決了雙目視覺(jué)系統(tǒng)匹配的多義性，提高了定位精度，但三目視覺(jué)系統(tǒng)要合理安置三個(gè)攝像機(jī)的相對(duì)位置，其結(jié)構(gòu)配置比雙目視覺(jué)系統(tǒng)更煩瑣，而且匹配算法更復(fù)雜需要 消耗更多的時(shí)間，實(shí)時(shí)性更差。

四、全景視覺(jué)

全景視覺(jué)，全景視覺(jué)系統(tǒng)是具有較大水平視場(chǎng)的多方向成像系統(tǒng)，突出的優(yōu)點(diǎn)是有較大的視場(chǎng)，可以達(dá)到360度，這是其他常規(guī)鏡頭無(wú)法比擬的，全景視覺(jué)系統(tǒng)可以通過(guò)圖像拼的方法或者通過(guò)折反射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)。圖像拼接的方法使用單個(gè)或多個(gè)相機(jī)旋轉(zhuǎn)，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行大角度掃描，獲取不同方向上連續(xù)的多幀圖像，再用拼接技術(shù)得到全景圖。折反射全景視覺(jué)系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、折反射光學(xué)元件等組成，利用反射鏡成像原理，可以觀察360度場(chǎng)景，成像速度快，能達(dá)到實(shí)時(shí)要求，具有十分重要的應(yīng)用前景，可以應(yīng)用在機(jī)器人導(dǎo)航中。全景視覺(jué)系統(tǒng)本質(zhì)上也是一種單目視覺(jué)系統(tǒng)，也無(wú)法得到場(chǎng)景的深度信息。其另一個(gè)特點(diǎn)是獲取的圖像分辨率較低，并且圖像存在很大的畸變，從而會(huì)影響圖像處理的穩(wěn)定性和精度。在進(jìn)行圖像處理時(shí)首先需要根據(jù)成像模型對(duì)畸變圖像進(jìn)行校正，這種較正過(guò)程不但會(huì)影響視覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，而且還會(huì)造成信息的損失。另外這種視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)全景反射鏡的加工精度要求很多，若雙曲反射鏡面的精度達(dá)不到要求，利用理想模型對(duì)圖像校正則會(huì)存在較大偏差。

五、混合視覺(jué)系統(tǒng)

混合視覺(jué)系統(tǒng)，混合視覺(jué)系統(tǒng)吸收各種視覺(jué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用兩種或兩種以上的視覺(jué)系統(tǒng)組成復(fù)合視覺(jué)系統(tǒng)，多采用單目或雙目視覺(jué)系統(tǒng)，同時(shí)配備其他視覺(jué)系統(tǒng)。全景視覺(jué)系統(tǒng)由球面反射系統(tǒng)組成，其中全景視覺(jué)系統(tǒng)提供大視角的環(huán)境信息，雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)和激光測(cè)距儀檢測(cè)近距離的障礙物，清化大學(xué)的朱志剛使用一個(gè)攝像機(jī)研制了多尺度視覺(jué)傳感系統(tǒng)POST,實(shí)現(xiàn)了雙目注視、全方位環(huán)視和左右兩側(cè)的時(shí)代全景成像，為機(jī)器人提供了導(dǎo)航。全景視覺(jué)系統(tǒng)具有全景視覺(jué)系統(tǒng)視場(chǎng)范圍大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具備雙目視覺(jué)系統(tǒng)精度高的長(zhǎng)處，但是該類(lèi)系統(tǒng)配置復(fù)雜，費(fèi)用比較高。

在不久的將來(lái)，機(jī)器人時(shí)代一定會(huì)徹底走入我們的生活，有興趣入行未來(lái)前沿產(chǎn)業(yè)的朋友，可以關(guān)注我們機(jī)器人網(wǎng)，及時(shí)獲取機(jī)器人、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等前沿資訊和基礎(chǔ)知識(shí)，讓我們一起攜手，引領(lǐng)科技未來(lái)。機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)是指用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的視覺(jué)功能，也就是用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀的三維世界的識(shí)別。人類(lèi)接收的信息70%以上來(lái)自視覺(jué)，人類(lèi)視覺(jué)為人類(lèi)提供了關(guān)于周?chē)h(huán)境 最詳細(xì)可靠的信息。

人類(lèi)視覺(jué)所具有的強(qiáng)大功能和完美的信息處理方式引起了智能研究者的極大興趣，人們希望以生物視覺(jué)為藍(lán)本研究一個(gè)人工視覺(jué)系統(tǒng)用于機(jī)器人中，期望機(jī)器人擁有類(lèi)似人類(lèi)感受環(huán)境的能力。機(jī)器人要對(duì)外部世界的信息進(jìn)行感知，就要依靠各種傳感器。就像人類(lèi)一樣，在機(jī)器人的眾多感知傳感器中，視覺(jué)系統(tǒng)提供了大部分機(jī)器人所需的外部相 界信息。因此視覺(jué)系統(tǒng)在機(jī)器人技術(shù)中具有重要的作用。

依據(jù)視覺(jué)傳感器的數(shù)量和特性，目前主流的移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)有單目視覺(jué)、雙目立體視覺(jué)、多目視覺(jué)和全景視覺(jué)等。