基于双目立体视觉的移动机器人目标定位

摘要

近几十年来，伴随着移动机器人在生产、生活等各个领域的日益广泛应用，很多国家的大学和研究机构里掀起了移动机器人研究的热潮，而基于双目立体视觉的移动机器人技术则成为研究的热点。课题研究目标是以AS-R移动机器人双目视觉系统为研究平台来实现场景目标的三维定位。对双目立体视觉各个研究模块工作的原理机制做了基础性的研究，并在特征提取和特征匹配两个模块做了探索性的研究，取得了良好的目标定位结果。主要工作概括如下:
　　 首先，对课题的研究平台AS-R机器人双目立体视觉系统的结构特点做了研究分析，总体上掌握了该平台的工作机理，了解机器人的硬件扩展方式，并扩展了双目视觉系统作为研究平台；学习了Marr机器视觉的基本理论来指导论文的研究工作，掌握了双目立体视觉的原理和系统结构形式；考察了当前摄像机标定的各种流行方法，并对它们做了原理性的分析介绍，课题采用张氏平面标定法来实现双目立体视觉的参数标定。
　　 其次，提出了一种自适应颜色阈值的方法，利用HSI阈值空间分割出图像上的足球目标，依据“四关键点”法和面积法分别估计出足球的圆心和半径:研究了Canny边缘检测算子的原理，并用该算子提取了单像素的足球边缘；在匹配特征的提取上，基于足球目标的成像特点提出了“均匀稀疏边缘特征提取”方法，在已经检测出来的足球边缘上近似均匀地抽取出8个稀疏边缘点；在立体匹配算法上，对应特征提取方法提出了“对应局部遍历匹配”方法，在右(左)图像上寻找到左(右)图8个待匹配点的匹配点，完成左右图像上稀疏特征点的匹配，获得16对匹配点对。
　　 最后，分析了平行光轴双目视觉系统和交叉光轴双目视觉系统的三维目标定位原理，课题采用平行光轴双目视觉系统对16对匹配点对进行三维定位试验，获得足球边缘上16个点的三维坐标，这些坐标的平均值作为足球球心的三维坐标，即实现了足球的目标定位；并对定位结果进行了验证，分析了误差产生的原因。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 双目立体视觉概况

1.2.1 双目立体视觉的研究内容

1.2.2 立体视觉发展现状及发展趋势

1.2.3 立体视觉在机器人中的应用

1.3 课题背景与主要研究工作

1.3.1 课题背景

1.3.2 主要研究工作

第二章 移动机器人双目立体视觉系统

2.1 AS-R机器人系统结构特点

2.2 AS-R机器人硬件系统

2.2.1 机器人机械系统图

2.2.2 机器人运动控制系统

2.2.3 机器人传感器系统

2.3 双目立体视觉的基本理论

2.3.1 Marr机器视觉理论

2.3.2 双目立体视觉原理

2.4 双目立体视觉的系统结构形式

2.4.1 平行光轴系统结构

2.4.2 相交光轴系统结构

2.5 本章小结

第三章 摄像机标定

3.1 摄像机透视投影模型

3.1.1 图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系

3.1.2 线性摄像机模型

3.1.3 非线性摄像机模型

3.2 传统摄像机标定技术

3.2.1 直接线性变换(DLT变换)

3.2.2 利用透视变换矩阵的摄像机定标

3.2.3 Tsai的两步标定法

3.2.4 双平面标定法

3.3 摄像机自标定方法

3.4 张氏平面标定法

3.4.1 基本方程

3.4.2 参数求解

3.5 双目视觉系统标定结果

3.6 本章小结

第四章 基于稀疏边缘特征的立体匹配

4.1 足球目标分割

4.1.1 颜色空间模型选择

4.1.2 单色图像分割

4.1.3 彩色图像分割

4.2 足球边缘匹配特征提取

4.2.1 边缘检测

4.2.2 Canny边缘检测算子

4.2.3 稀疏边缘特征提取

4.3 稀疏边缘特征立体匹配

4.3.1 立体匹配的内容

4.3.2 立体匹配算法

4.3.3 课题采用的匹配算法

4.4 本章小结

第五章 双目视觉下的目标三维定位

5.1 双目视觉测量原理

5.1.1 平行光轴双目视觉三维测量

5.1.2 交叉光轴双目视觉三维测量

5.2 足球的定位实现

5.2.1 足球定位运算处理过程

5.2.2 定位结果分析

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文