IWILDT排爆机器人双目立体视觉系统设计

获取空间三维场景的距离信息是计算机视觉研究中最 基础的内容, 而立体视觉是计算机视觉中测距方法中最重要的距离感知技术, 它直接模拟人类视觉处理景物的方式, 可以在多种条件下灵活的获取景物的立体信息。双目立体视觉直接模拟人类双眼处理景物的方式, 可靠简便, 在许多领域均极具应用价值, 如微操作系统的位姿检测与控制、机器人导航与航测、三维测量学及虚拟现实等。

双目立体视觉是计算机视觉的一个重要分支 , 其思想起源于对人的双眼视觉的研究, 是指由不同位置的两台摄像机拍摄同一幅场景, 通过计算空间点在两幅图像中的视差, 获得该点的三维坐标值。若空间一物点在不同方位所投影得两个该物点的投影图像坐标, 根据这两个图像坐标, 即可以求得该物点的三维坐标。要实现这种坐标变换过程, 必须知道坐标之间的变换关系, 这主要由摄像机内外参数来描述, 确定摄像机内外参数的过程叫做摄像机标定。此外, 还需要得到同一物点在两幅图像中的图像坐标,要根据一物点在一幅图像中的坐标得到该物点在另外一副图像中的图像坐标, 这个过程叫做图像匹配。一套完整的双目立体系统可分为以下主要 部分: 图像获取、摄像枪定标、特征提取、立体匹配、 深度计算。其中, 摄像机标定与图像匹配是双目立体视觉实现过程中的两个主要步骤。
武汉艾崴基于排爆机器人的应用,详细描述了排爆机器人双目立体视觉系统的设计与实现。在摄像机标定中,本系统采用了一种要求低、操作简便、易实现的张氏平面法。该系统能实现通过在软件界面上的图像中框取目标物,进而计算目标物三维坐标的功能。最后进行了实际的抓取实验,取得了良好的实验效果。

一、双目立体视觉系统设计
双目立体视觉( 也称双目视觉)是指用两台性能相同、位置固定的 CCD 摄像枪, 获取同一景物的两幅图像, 根据物体像点的两个图像坐标来计算该物体的三维坐标。实现一个双目立体视觉系统需要完成摄像机标定,三维坐标计算,以及人机接口设计等任务。

1.1 摄像机标定
摄像机标定是建立一个双目立体视觉中很基础很关键的问题。物体的三维坐标与其二维图像坐标之间的映射关系由摄像机成像几何模型所决定,该几何模型的参数称为摄像机参数。这些参数必须由试验和计算决定, 试验和计算的过程称为摄像机标定。在本排爆机器人视觉系统中, 采用了张正友的平面标定方法,它是一种介于传统的摄像枪标定方法和摄像枪自标定方法之间的一种新的,更灵活的方法,它较传统的摄像枪标定方法要求低, 操作简便,又较自标定方法精度高,更具鲁棒性。它既避免了传统方法设备要求高,操作繁琐等缺点,又较自标定方法精度高,符合办公、家庭使用的桌面视觉系统 ( DVS)的标定要求。

基于 Matlab, 利用多幅模板图像和张氏平面法对 视觉系统进行标定,
步骤为: 1) 打印一张模板并贴在一个平面上;
2) 从不同角度拍摄若干张模板图像;
3) 检测出图像中的特征点;
4) 求出摄像机的内参数和外参数;
5) 求出畸变系数;
6) 优化求精。
系统标定模板图如图 1 所示。

1.2 视觉系统软件设计
本视觉系统基于VC6.0开发, 利用 MFC 实现用户界面, 整个软件系统完成包括图像采集卡的访问,人机接口及图像显示, 三维坐标的计算, 以及与 Matlab 交互读取标定参数等。软件系统的处理流程如图2所示。

该视觉系统软件在功能上包括图像采集卡驱动模块, 匹配模块, 测距模块。摄像机标定为离线标定, 标定结果以离线方式存储在计算机文件中。测距模块用 C++开发, 并封装成独立的双目视觉计算类, 结合离线标定所得到的 摄像机参数,利用双目视觉的原理实现由两图像坐标计算三维坐标的功能。匹配模块我们基于图像采集卡提供的 Evision 软件实现, 利用灰度区域匹配的原理进行匹配。在图像采集卡的访问上我们则直接利用采集卡所提供的驱动模块Multicam来实现。该视觉系统软件的界面如图4所示。

2 系统集成
排爆机器人双目立体视觉系统的主要目标是利用本体上的一对摄像机 L1、L2 获取物体不同角度的两副图像,对两副图像进行处理,获取目标物的三维坐标。

系统在物理上可分为:左、右摄像枪,无线图像发送接收器, PCI总线图像采集卡,计算主机,如图3所示。
本视觉系统的处理流程是: 利用拍摄的多对左、右标定图, 利用标定模块对系统进行离线标定,得出立体视觉系统标定参数,以文件形式存储在计算机中。打开左右摄像头, 对获得的左右摄像头实时图进行预处理。对预处理后的左右眼图进行匹配, 由操作员在左眼图中手动框取目标物, 然后由匹配算法在右眼图中进匹配。匹配的结果是目标物中心点像素坐标对。在测距模块中, 利用离线标定得到的立体视觉系统标定参数和匹配模块得到的目标物中心点像素坐标对, 通过深度计算算法即得到了目标物中心点的三维坐标, 系统软件界面如图4所示。

三、 实验结果
将一目标物置于该排爆机器人双目视觉系统视觉范围之内, 然后启动双目立体视觉系统。利用本双目视觉系统软件, 在软件界面中标示出该目标物,然后计算出该目标物的三维坐标,实验数据如表1所示。实验表明,该系统可以获得较高的定位精度。

四、结论
双目立体视觉直接模拟人类双眼处理景物的方式,可靠简便, 在许多领域均极具应用价值, 一套完整的双目立 体视觉系统可分为以下主要部分: 图像获取、摄像枪定标、特征提取、立体匹配、深度计算。其中, 摄像机标定 与图像匹配是双目立体视觉实现过程中的两个主要步骤。我们提出了一种基于张正友的平面标定方法的排爆机器人视觉系统设计方法,试验数据表明, 该系统能获得良好的定位精度, 提高排爆机器人的性能与易操作性。