0 引言
視覺定位是計算機視覺中的一個重要研究問題,廣泛應(yīng)用于機器人自主導(dǎo)航、機器人定位、視覺伺服、攝像機校正、目標(biāo)跟蹤、視覺檢測、物品識別和工業(yè)零部件裝配等領(lǐng)域。近年來,計算機視覺飛速發(fā)展,涌現(xiàn)出大量的技術(shù)與算法,如主動視覺、面向任務(wù)的視覺、基于知識的視覺、基于模型的視覺以及多傳感器和集成視覺等方法[1]。根據(jù)使用鏡頭數(shù)目分類,計算機視覺分為單目視覺定位、雙目視覺定位與多目視覺定位。雙目立體視覺是基于視差原理,由多幅圖像獲取物體三維幾何信息。相比于基于多相機的模型定位方法,單目視覺的優(yōu)點主要體現(xiàn)在只需單幅圖像技能實現(xiàn)定位,不存在圖像匹配問題,處理速度快,定位精度高。 傳統(tǒng)視覺對目標(biāo)定位,是通過對攝像機的內(nèi)外參數(shù)進行標(biāo)定來實現(xiàn)的[2]。計算機標(biāo)定方法可以分為傳統(tǒng)標(biāo)定方法、自標(biāo)定方法和基于主動視覺的標(biāo)定方法[3]。傳統(tǒng)標(biāo)定方法是現(xiàn)在使用最為普遍的標(biāo)定方法,利用結(jié)構(gòu)已知、高加工精度的標(biāo)定塊作為標(biāo)定物,用攝像機拍攝若干幅標(biāo)定物的圖片,通過計算2D 圖像點與3D 空間點之間的關(guān)系來完成標(biāo)定,通過對標(biāo)定物的合理設(shè)計得到高精度的結(jié)果。該方法的優(yōu)點是適用各種攝像機模型,定位精度高,缺點是標(biāo)定過程復(fù)雜。自標(biāo)定方法不需要標(biāo)定物,僅通過運動攝像機所拍攝的標(biāo)定圖片中匹配點的關(guān)系來進行標(biāo)定。由于不需要標(biāo)定物,該方法適用范圍廣、靈活性強,但是圖像匹配中需要求解多元非線性方程導(dǎo)致其魯棒性較差[4]?;谥鲃右曈X的標(biāo)定方法需要預(yù)知攝像機的詳細(xì)運動信息,這需要昂貴的設(shè)備對攝像機的運動軌跡進行記錄,實驗成本較高[5]。 本文針對AGV 所處的平坦路面的單目視覺定位,提出了一種新的簡單可行的算法。該算法不需要對攝像機進行標(biāo)定,也不需要求解攝像機的內(nèi)、外參數(shù),通過分析圖像像素平面與現(xiàn)實空間平面的幾何關(guān)系,得出像素點與現(xiàn)實點間的映射關(guān)系。實驗結(jié)果表明 , 文中提出的算法定位精度高 , 實時性好 , 為解決計算機視覺的測量、定位與AGV 視覺導(dǎo)引提供一種新的思路,具有進一步研究的價值。1 攝像機模型及存在的問題
1.1 攝像機模型本文采用理想的針孔攝像機模型[6],忽略實際攝像機中的畸變問題。針孔成像模型又稱為線性攝像機模型,空間中任何一點在圖像中的成像位置可以用針孔成像模型近似表示,即任何一點在圖像中的投影位置p 為光心O 與P 點的連線OP 與圖像平面的交點。分別以其次坐標(biāo)m=[u,v ,1]T,W=[X,Y,Z ,1]T 來表示像素點p 及空間點P ,根據(jù)針孔攝像機成像模型,投影方程為
2 圖像像素平面與現(xiàn)實平面的映射關(guān)系
首先約定攝像機、參考平面、現(xiàn)實平面的坐標(biāo)系,如圖2~ 圖4 所示。
3 AGV 定位實驗與結(jié)果分析
為了驗證本文算法的精度,設(shè)計了AGV 定位實驗。采用MV-U300 工業(yè)相機,6~12 mm 變焦鏡頭,拍攝室內(nèi)地面。為了驗證該算法的精度,在地面上放置一張4×4 的黑白棋盤圖。棋盤長寬200 mm,每小格邊長50mm,如圖5 所示。測得相機視野四個頂點坐標(biāo)分別為A(-235, 0),B(-575,960),C(575,960),D(235,0);由相機參數(shù)計算得到的參考平面的四個角點坐標(biāo)為A' (-235,0),B' (-235,352.5),C' (235,352.5),D' (235,0);計算投影變換的單應(yīng)性矩陣,有
4 結(jié)論
本文提出的算法結(jié)合單目視覺導(dǎo)引AGV 小車,省去了傳統(tǒng)視覺定位方法中的攝像機標(biāo)定環(huán)節(jié),采用平面投影的思路解決單目視覺定位,簡化了視覺導(dǎo)引AGV小車導(dǎo)引模塊的硬件配置與定位計算。該算法針對通用攝像機模型針孔相機模型,利用平面投影原理,對平坦路面實現(xiàn)了單目視覺定位。實驗結(jié)果表明,該方法簡單可行,對室內(nèi)AGV 和室外平坦路面AGV 的路徑導(dǎo)航與視覺避障都有一定的實用價值,為解決機器視覺的定位、測量問題提供了一種新思路。
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原文標(biāo)題:基于平面投影的單目視覺AGV 定位算法
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