[發明專利]一種仿蜥蜴亞目避役科生物視覺坐標提取算法

有效

• 申請號: 201110460701.X
• 申請日: 2011-12-31
• 公開（公告）號: CN102682445A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 于乃功;許鋒;阮曉鋼;李均;王彬
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/20;G06K9/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

技術領域

本發明屬于計算機視覺范疇，尤其是一種能夠同時進行目標跟蹤，定位與攝像頭標定的計算機視覺算法。其仿照的生物系統是蜥蜴亞目避役科生物的視覺系統。

背景技術

計算機視覺是人工智能領域重要的研究方向，相較于其他信息檢測手段而言，基于計算機視覺理念所構架的檢測裝置具有信息量大、成本低、對環境無干擾，便于控制等特點。視覺系統的構架方式有很多，以攝像頭的數量分類可以分為：單目視覺，雙目視覺，多目視覺；以機械結構約束條件可以分為：主動視覺，被動視覺；以視覺信息之間的關聯程度可以分為：普通視覺，立體視覺等。

以最簡單的單目視覺來說，其具有結構簡單，視覺和控制算法簡單，成本低廉的優點。但由于基于普通單目視覺的視覺過程是一個由高維的現實世界向低維的圖像空間映射的一個過程，此過程中不可避免的要損失掉很多信息，其中最重要的便是常規的單目視覺無法獲取目標的深度信息。

基于雙目視覺的立體視覺可以彌補普通單目視覺無法獲取深度信息這一缺陷。通過保證視覺系統中兩臺固定的攝像機之間具有適宜的共同視域，再輔以精確的攝像頭標定與立體匹配算法，基于雙目視覺的立體視覺系統即可得到目標的深度信息。但此種視覺系統構架方式本質上仍然是一種開環系統，其在運行視覺算法時無法通過改變自身的參數以適應環境的變化。

解決這一缺陷，令視覺系統變為一種穩定的閉環系統的方法便是以主動視覺的架構方式來架構視覺系統，即給攝像頭增加一定的運動能力，使視覺系統能夠以其獲得的圖像信息為反饋量，驅動攝像頭轉動，閉環的控制整個視覺系統。

由于基于主動視覺理念架構的視覺系統與傳統的基于被動視覺理念架構的視覺系統在機械結構上已有所不同，因此其適用的深度信息獲取方式，興趣目標定位方式，攝像頭標定方式也與被動視覺所采取的方法有所不同。對于以主動視覺理念架構的視覺系統來說，如果需要進行后續的視覺算法處理，其首先需要對所使用的攝像頭進行標定。而常規的標定方式要求在視覺算法運行前執行，且要求標定過程中興趣目標靜止不動。這兩個要求使得主動視覺系統的使用過程變得繁瑣，特別是當視覺系統中的攝像頭經常更換，或是系統使用變焦攝像頭時會使視覺處理過程異常繁瑣。

發明內容

本發明提出了一套應用于仿照蜥蜴亞目避役科生物視覺系統構架的主動、立體視覺系統的攝像頭標定方法，目標跟蹤與定位方法。其最主要的特點為攝像頭標定，興趣目標的跟蹤與定位是同步進行的，其攝像頭的標定過程無需要求興趣目標的持續靜止，亦無需在目標跟蹤與定位之前執行。所應用的視覺系統采用廣角定焦攝像頭構架，且兩臺廣角定焦攝像頭可以相互獨立的運動。

本發明所應用的仿蜥蜴亞目避役科生物視覺系統其總體結構可以概述如下：

整個視覺系統仿照蜥蜴亞目避役科生物的視覺系統架構：其主要構件為2臺廣角定焦攝像頭，每臺廣角定焦攝像頭配備了2臺步進電機為其提供獨立的水平方向與豎直方向的2自由度運動能力。相較于常規的視覺系統，其具有的兩個廣角定焦攝像頭之間的水平運動是相互獨立的，俯仰運動也是獨立的。其仿照的生物系統是蜥蜴亞目避役科(俗稱變色龍)生物的視覺系統，其視覺系統的特點為兩眼球可互相獨立的運動，而不是像靈長類一樣相關運動。特別注意的是，每臺廣角定焦攝像頭與其配套的2臺步進電機三者各自的幾何中心點是在同一條垂直于水平面的直線上的，這一特點保證了后文將要詳細介紹的深度信息及世界坐標提取算法的順利進行。

本發明主要內容為通過控制兩個廣角定焦攝像頭協同工作，調用下文詳述的角度信息標定學習算法、深度信息及世界坐標提取算法，并以Cam?shift跟蹤算法作為輔助算法，對仿蜥蜴亞目避役科生物視覺系統進行運動控制和參數計算，最終實時地獲取視覺系統跟蹤目標相對于視覺系統兩廣角定焦攝像頭各自的幾何中心點連線中點的世界坐標。

本發明的技術方案為：

1、令兩廣角定焦攝像頭分別搜索目標，當A攝像頭發現目標后，啟用基于Cam?shift算法的單目視覺跟蹤算法保持對目標的跟蹤，并實時返回A攝像頭此時像平面法向量相對于A攝像頭初始位置時攝像頭像平面法向量的水平夾角和豎直夾角；所述的A攝像頭為首先搜索到目標的攝像頭，B攝像頭為另一臺攝像頭；所述的初始位置為：使廣角定焦攝像頭的像平面法向量與水平面相互平行，并且使兩臺廣角定焦攝像頭的像平面法向量垂直于兩廣角定焦攝像頭幾何中心點連線所構成的線段的位置；

2、B攝像頭跟隨A攝像頭進行目標搜索，B攝像頭搜索到目標后，亦啟用基于Cam?shift算法的單目視覺跟蹤算法保持對目標的跟蹤；