CN102109341A - 自参照的动态三维空间系统 - Google Patents
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Abstract
为了使自动机器有能力定位周边环境物的相对位置从而实现非遥控的自动运动，必须开发出一个可以定位机器周围环境的基础空间系统。自参照的动态三维空间系統正是这样一个基础空间系统，它为机器的三维视觉问题提供了一种简单实用的解决方法。本发明使用互为直角的四对摄像头组成的均速旋转装置，采集一定数量的动态的水平位置数据、纵轴位置数据及距离位置数据的像素点，构成一个基于相对位置的动态数码三维空间系统。这个特定的空间系统及构成具有这些特征：1，360度非选择性定位。即定位周围所有处于可视(可摄)位置的物体。2，快速确定周围物体的深度。3，基于方向定位的三维空间。4，具有实际应用价值的随时变化的动态系统。5，以系统本身为中心的自参照性。通过在系统上开发一些软件，可以轻易实现物体辨别，电子方向控制等功能。从而用于涉及机器视觉的广泛领域，如汽车的自动导航系统或导航辅助系统，机器人及动态自动监控系统等。
Description
技术领域
本发明属于机器视觉领域，为机器的三维视觉问题提供了一种简单实用的解决方法。
背景技术
目前采用的空间定位技术大都是以客观的空间位置为参照物的，例如GPS系统，可以对物体在地球上的三维位置进行定位，但有如下二个重要缺陷：
1，要完成这类“客观参照定位”，必须依靠：昂贵的卫星定位阵列及卫星与请求定位物之间的通讯，这二个方面的任何故障或干扰即会导致空间定位无效或失灵。这是目前“客观参照定位”技术的致命弱点。
2，这类“客观参照定位”系统着重于请求定位物的自身定位，而无法对请求定位物的周边环境物进行定位。因此，只对请求定位物的运动方向有帮助，而对请求定位物的运动过程无帮助。例如：一台汽车可以通过GPS知道它的运行方向，但无法通过GPS知道路上其他车的位置或障碍物的位置。
随着智能科技的发展，有必要发展一种以物体(自动机器)自身为参照物的空间系统。定位周边环境物的相对位置。用以指导物体的自动运动。
不同于一般的机器视觉技术，本发明使用一定数量的含有动态的水平位置数据、纵轴位置数据及距离位置数据的像素点构成一个基于装置本身的相对位置的动态数码三维空间系统。这个特定的空间系统及构成具有这些特征：
1，360度非选择性定位。即定位周围所有处于可视(可摄)位置的物体。
2，快速确定周围物体的深度。
3，基于方向定位的三维空间。
4，具有实际应用价值的随时变化的动态系统。
5，以系统本身为中心的自参照性。
发明内容
为了使自动机器有能力定位周边环境物的相对位置从而实现非遥控的自动运动，必须开发出这样一个自参照的动态三维空间系统。
自参照的三维空间就是以物体自身为参照物的三维空间，这个三维空间是由纵轴的上下相对位置，水平位的相对方向位置以及参照物与空间内物体的相对距离构成，一个运动过程中的物体拥有一个持续变化的动态三维空间。
数据的采集：自动旋转的预设双探头(见附图说明)以快速连续变化的角度，采集感应自外部的影像或信号.
该对探头快速均速旋转一周之后，可以得到连续变换角度的二套若干幅数码图片，预设双探头中，一个探头采样垂直正中线位置的影像，称为主探头，另一个称为付探头，付探头取样中轴向探头设计时所预定的最大偏移线之间的部分，目的是采集偏移数据。这样我们可以得到以下三个数据：
1，水平位置(示意图1)：每帧图片可以对应一个相对于正前方的角度，这个角度就是该图片内取样像素的水平位的相对方向位置。(例如：从正前方每逆时针旋转一周得3600帧图，第2帧就表示逆时针方向0.1度，0.1度就是该帧图片内取样像素的水平位的相对方向位置)
2，纵轴位置(示意图2)：所取样像素在Y轴上的值就是该像素纵轴的上下相对位置。
3，距离位置(示意图3)：通过像素认定(见附图说明)，找到所取样像素在付探头图片中的水平偏移值，根据差异-距离对应关系表(见附图说明)，就可以算出该像素的距离。
每个像素有了以上三个要素，就可以在这个三维空间内找到它的位置，当所有被取样像素均定位后，就可以得到一个自参照的三维空间，整个过程不断重复，可以得到一个随物体与环境相对位置改变而变化的动态的三维空间。
附图说明
图1是水平位置数据来源示意图：
取样位置的角度就是水平位置的数据值。
图2是垂直位置数据来源示意图：
所取样像素在Y轴上的值就是该像素纵轴的上下相对位置。
图3是深度距离数据来源示意图：
1，双探头预先设置及差异-距离对应关系表
在实验室条件下，我们可以预先测出位于主探头正中心的那点(P点)在付探头中的相应位置(E点)，这个相应位置离付探头中心点的水平距离为D值。在数码影像上，D值的大小以像素表示。
这样，当P点沿主探头垂直正中线由近逐渐远离时，可以得到P点离主探头距离(F值)与D值之间的对应关系。
这里把最近P点(C点)所对应的最大D值所在的纵线称为D线，这样P点在付探头中的相应位置只会在付探头中轴与D线之间(即最近点与最远点之间，这里称为look区)。
所谓双探头预先设置的目的就是为了预先得到这个对应关系表。它要解决的问题是：由E点(主探头垂直正中线的一点在付探头中的相应位置)的D值(E点离中心点的水平距离)可以推算出P点(主探头垂直正中线的一点)的F值(P点离主探头距离)。
2，像素认定
通过一定程序找出最可能的对应像素：
a，根据像素所在的水平位置，依次(例如：由D线向付探头中轴)检查look区内同一水平位置的像素，要求：像素值类似。
在同一纵轴位置上，需要检查的look区内的水平点也就是几百到几千的数量级。因此是非常快速的。
b，找到该点(test点)后，利用其在纵轴的相邻类似像素关系进行验证。同一物体一般会在纵轴上留下一串相邻的类似像素，通过比较test点与这串相邻的类似像素的关系，可以确定test点是否是我们要找的点。
c，如果test点未通过第2步的验证，再继续检查look区内同一水平位置的下一像素。
d，如果比较错误，找不到可通过验证的点，可用相邻类似像素的距离值。
在一个持续快速变化的动态系统中，一个或几个像素的距离值错误在应用中不会影响整个系统的相对准确性。
图4是双探头旋转示意图：
二个探头水平高度一样，之间的间隔距离是预先固定的，这里将左边的探头称为主探头，采样垂直正中线位置的影像，右边的称为付探头，目的是采集偏移数据，为了制造二个探头成像的差异，还可以设计成把付探头向外侧倾斜一定的角度。
尽管双探头的转速相对来说是很快的，但装置在高速运动的物体上(如：汽车，飞机)时，所测出来的空间会产生一定的变形。这种事实上的变形不会造成实际应用上的相对位置判断错误，因为相对位置的实用判断是基于物体边界的。也可以通过以下方法改善空间变形：
1，尽量加快双探头的转速去改善变形。
2，使用多对双探头，如二对或四对。
具体实施方式
整套具体实施方式涉及数据采集，数据初步处理及数据分析三个步骤：
数据采集：可以使用互为直角的四对摄像头组成的均速旋转装置。
数据初步处理：可以通过一个小型计算系统实现，包括处理器，固件储存器，内存，及固件(软件)组成，它把来自数据采集部分的图像数据按本发明的方法处理为一个个具有三维特征数据的像素点，然后将这些像素点按照其三维特征排列在虚拟的三维立体数码坐标图上，这个坐标的中心可以是装置本身。当这个数据采集器每转90度就可得出一个完整的数码三维立体环境，转第二个90度时就可得到第二幅数码三维立体环境。。。这个过程一直持续，周边物体的“视觉”信号就被转换成了动态的数码三维立体环境。
数据分析：通过在系统上安装一些软件，可以实现物体辨别，电子方向控制等功能。
来看一下实例：
1，汽车的自动导航系统或导航辅助系统
通过在汽车顶部安装这个系统，可以在车内的GPS系统的屏幕上显示车体周围的动态三维立体图像，这在交通繁忙或需要倒车时，可以辅助驾车者的操作。
在一些安装有电子方向盘的车内，该系统可以在预设的危险发生前自动操作汽车避开危险，即为Control ofAutomated Guided Vehicles(AGVs)系统提供周边立体环境数据。
2，作为机器人的眼睛
在一些人类无法到达的区域，机器人可以自行代替人类进行操作。如大厦空调清洁机器人，医用胃肠检查机器人，都可以通过安装这个系统而实现自动导航或自动工作。
3，作为动态监控系统的眼睛
在一些需要安全保护或自动监控的地方，如银行或单位的夜间保安，监狱夜间自动监控或家庭防盗，通过本系统，可以探测到人或物体的移动，系统因此可立即报警或采取其他预设措施，由于有动态的视觉数据，所以对比其他方法来说，不容易误判。
Claims (2)
1.一种通过一对或多对作旋转运动的探头以快速连续变化的角度采集周围环境物的影像或信号，构造动态的以物体本身为参照物的三维空间的定位方法。这个三维空间的定位由以下三种位置数据构成：
探头取数据时的相对角度作为构成空间的水平方位数据
探头所取数据在Y轴上的值构成空间的纵轴位置数据
探头离所测周围环境物的距离值构成空间的距离位置数据
2.一种实施权利要求1的方法的装置，使用互为直角的四对摄像头组成的均速旋转装置作为数据采集器，使用包括中央处理器，固件储存器，内存，及固件(软件)组成数据处理器，它把来自数据采集器的图像数据按本发明的方法处理为一个个具有三维特征数据(水平位置数据、纵轴位置数据及距离位置数据)的像素点，然后将这些像素点按照其三维特征排列在虚拟的三维立体数码坐标图上。构建的自参照动态三维空间系统。其特征包括：
构建每对摄像头的左右二种摄像头的差异-距离对应关系是预先根据实际距离-影像偏移关系而设定的。
每对摄像头的其中一种摄像头采集垂直正中线及附近位置的影像，另一种摄像头采集影像偏移数据。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN2009102145748A CN102109341A (zh) | 2009-12-28 | 2009-12-28 | 自参照的动态三维空间系统 |
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Publications (1)
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Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN102109341A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103822614A (zh) * | 2014-03-14 | 2014-05-28 | 河北工业大学 | 倒车影像的三维测量方法 |
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2009
- 2009-12-28 CN CN2009102145748A patent/CN102109341A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN103822614B (zh) * | 2014-03-14 | 2015-12-30 | 河北工业大学 | 倒车影像的三维测量方法 |
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