CN104079817A - 一种多相机协调控制与快速精确目标识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多相机协调控制与快速精确目标识别系统，包括：图像获取单元，包括多个具有调焦功能的相机，用于获取对焦前后所采集的模糊图像与清晰图像；特征提取单元，用于提取该模糊图像与清晰图像中的特征，识别目标物；目标定位单元，通过在不同物距下获取的图像，计算出该目标物的物距。采用本发明的技术方案能使智能机器人拥有360°的检测视野，同时避免了多相机标定坐标系坐标转换的复杂计算。

Description

一种多相机协调控制与快速精确目标识别系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种多相机协调控制与快速精确目标识别系统。

背景技术

纵观行业发展，不论是在工业控制中，还是在商业领域里，机器人技术都得到了广泛的应用。视觉系统是机器人获取信息的一种重要途径，为机器人的动作、行为提供策略或数据支持。

基于双目、激光扫描、示教的服务机器人在动态复杂场景中工作时，受视场范围与控制水平、识别精度、定位速度等因素影响，限制了机器人性能的发挥，因此视线控制、头眼协调、对突然变化或不可预测运动目标的跟踪、大视野与精确跟踪等是机器人视觉亟待解决的关键问题。跳蛛独特的视觉系统为解决这一问题提供了新的思路，但其具体的实现方式还在研究探讨中。

跳蛛是一类主要以苍蝇为食的蜘蛛。它的捕食方式十分独特，首先逐步靠近，当到达合适的位置时，再一跃跳过去捕获猎物。跳蛛这种“稳、准、狠”的捕食功夫要归功于它们拥有的一套独特的视觉系统。跳蛛共有8个眼，8个眼分3列，第1列4眼在头胸部前端的垂直面上，中间两眼(前中眼)特别大，两旁的眼(前侧眼)较小，均有磁质光泽。第2列眼(后中眼)位于头胸部前部背面，相当小，往往被毛挡住一部分而不易看清。第3列眼(后侧眼)常与前侧眼大小相近。如用线把这8眼连起来，可以看到它们组成1个方形或近似方形的眼区。

大多数生物或是通过调节眼睛中晶状体的焦距视物(例如人类的双目立体视觉系统)，或是靠移动头部制造一种“运动视差”来评估与某个物体的距离。虽然跳蛛有8只眼，其中有4只在头部上方密集排列，包括两只人大的主眼和两只较小的侧眼，但无法通过调节眼睛中晶状体的焦距视物，也不具备制造“运动视差”的本领。跳蛛是利用独特的图像散焦机制来评估与某个物体的距离。具体来说，跳蛛的视觉系统能很好地利用光线中的绿光，形成独特的图像散焦机制。在捕捉猎物时，跳蛛的侧眼首先感知到运动中的目标，然后再靠主眼瞄准。跳蛛主眼的视网膜有4个感光细胞层，其中下面两层含有对绿光敏感的色素。不过，由于各个感光细胞层与晶状体之间的距离不同，入射光线中的绿光只能在最下面一层上聚焦，而倒数第二层虽然也对绿光敏感，但却不能清晰聚焦，只能形成模糊的图像。跳蛛正是通过对比这两层的图像、并根据模糊图像的散焦程度推算出与猎物之问的真实距离。

发明内容

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术的问题，使智能机器人能拥有接近360°的检测视野，并避免了多相机标定坐标系坐标转换的复杂计算。本发明提供一种多相机协调控制与快速精确目标识别系统，包括：图像获取单元，包括多个具有调焦功能的相机，用于获取对焦前后所采集的模糊图像与清晰图像；特征提取单元，用于提取该模糊图像与清晰图像中的特征，识别目标物；目标定位单元，通过在不同物距下获取的图像，计算出该目标物的物距。

根据本发明的一个实施例，该具有调焦功能的相机包括变焦镜头以及电机，通过控制该电机带动该变焦镜头调焦。

根据本发明的一个实施例，还包括球形结构，用于安装该具有调焦功能的相机。

根据本发明的一个实施例，该球形结构上安装有8个该具有调焦功能的相机，用于实现360°的检测视野。

根据本发明的一个实施例，该8个该具有调焦功能的相机包括2个500万像素的彩色CCD工业相机以及6个80万像素的CCD彩色相机。

根据本发明的一个实施例，该特征提取单元还用于采取图像增强、同态滤波、拓扑纹理技术去除噪声。

根据本发明的一个实施例，该特征提取单元提取的特征包括颜色特征、纹理特征、形状特征中的至少一种。

根据本发明的一个实施例，该目标定位单元包括比例计算子单元，用于计算在不同物距下获取的图像的比例，得到比例角度；物距计算子单元，用于通过该比例角度与三角正余弦定理计算物距。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

附图说明

下而通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明实施例的多相机协调控制与快速精确目标识别系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的图像获取单元的俯视图。

图3为本发明实施例的图像获取单元的俯视图。

图4为本发明实施例的目标定位单元的结构示意图。

图5为本发明实施例的采用自动调焦相机进行定位的分析示意图；

图6为本发明实施例的根据图像来计算图像中目标放大比例的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种多相机协调控制与快速精确目标识别系统，包括：图像获取单元10，包括多个具有调焦功能的相机，用于获取对焦前后所采集的模糊图像与清晰图像；特征提取单元20，用于提取该模糊图像与清晰图像中的特征，识别目标物；目标定位单元30，通过在不同物距下获取的图像，计算出该目标物的物距。

本发明采用自动调焦的方式在离焦下得到的模糊图像，在聚焦下得到的清晰图像从而实现对目标定位的仿生。请同时参照图2、图3，在本实施例中，该图像获取单元10包括球形结构11，用于安装该具有调焦功能的相机，该球形结构11上设有8个圆形凹洞用于安装8个具有调焦功能的相机，以实现360。的检测视野。为使相机具有调焦功能成为具有调焦功能的相机，可以在变焦镜头调焦处安装一个小型电机，即上述具有调焦功能的相机包括变焦镜头以及电机，通过控制该电机带动该变焦镜头调焦，具体来说，可以通过外触发信号来控制电机进而达到相机调焦的目的，其中该电机可以为小型电机。

在本实施例中，上述8个该具有调焦功能的相机包括2个500万像素的彩色CCD工业相机以及6个80万像素的CCD彩色相机，如此可对应跳蛛的两个主眼以及具他侧眼。由于上述8个相机均具有自动对焦功能，所以当识别出目标后，触发所对应相机在调焦前后采集两幅图像，即可利用设计的嵌入式系统中的匹配算法及光学方程计算目标的位置。

该特征提取单元20还用于采取图像增强、同态滤波、拓扑纹理技术去除噪声。具体来说，该特征提取单元20首先采用图像增强、同态滤波、拓扑纹理等图像预处理技术，去除图像上由光线、CCD/CMOS或者数字信号系统引起的强烈噪声，避免环境与系统带来的噪声影响；其次利用智能优化控制算法对所采集的图像进行特征提取。上述特征包括颜色特征、纹理特征、形状特征中的至少一种。具体来说，可以利用颜色直方图、颜色矩、颜色聚合向量等方法进行颜色特征提取，采用几何法、信号处理法等进行纹理特征提取，以及采用边界特征法、几何参数法、形状不变矩法等进行形状特征提取等。

请参照图4，在本发明中，目标定位单元30包括比例计算子单元31，用于计算在不同物距下获取的图像的比例，得到比例角度；物距计算子单元32，用于通过该比例角度与三角正余弦定理计算物距。

请参照图5、图6，对于一个成像系统，可用如下的公式描述：

$\frac{1}{v}-\frac{1}{u}=\frac{1}{f}$

具中，u是物距，v是像距，f是焦距。只有u，v与f满足高斯公式时，成像系统才可以获得最高质量的图像。从这个公式可以看出，当镜头焦距不变时，可通过改变物距或像距两种图像来满足高斯公式，考虑到改变像距会改变光学系统放大倍数，一般采用调整物距的方式。

图像1与图像2是在物距分别为V1与V2的情况下采集到的，这两个成像平面间的距离d是已知的，图像1与图像2是成比例的，通过分析计算可利用这个比例得到角度α，β＝π/2-α，然后利用三角正余弦定理计算物距U。

采用刀口法、MTF法、微分法、像散法等图像处理技术来实现自动调焦方法已经被成功应用于PENTAX TTL-EFC系统、OLYMPUS的AHBS型高级显微镜等。因此，利用自动调焦技术得到离焦的模糊图像与聚焦清晰图像是可行的。

本发明提供的多相机协调控制与快速精确目标识别系统采用八个相机来实现360°的观察视野范围，采用对焦前后所采集的模糊图像与清晰图像的匹配结果以及几何光路分析对目标进行快速精确定位，通过图像处理对目标进行识别与定位，不需要复杂的坐标变换计算，还可以充分利用不同相机所采集的图像，利用柔性动态匹配算法来快速识别定位目标。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为木发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (8)

1.一种多相机协调控制与快速精确目标识别系统，其特征在于，包括：

图像获取单元，包括多个具有调焦功能的相机，用于获取对焦前后所采集的模糊图像与清晰图像；

特征提取单元，用于提取所述模糊图像与清晰图像中的特征，识别目标物；

目标定位单元，通过在不同物距下获取的图像，计算出所述目标物的物距。

2.根据权利要求1所述的多相机协调控制与快速精确目标识别系统，其特征在于，所述具有调焦功能的相机包括变焦镜头以及电机，通过控制所述电机带动所述变焦镜头调焦。

3.根据权利要求1所述的多相机协调控制与快速精确目标识别系统，其特征在于，还包括球形结构，用于安装所述具有调焦功能的相机。

4.根据权利要求3所述的多相机协调控制与快速精确目标识别系统，其特征在于，所述球形结构上安装有8个所述具有调焦功能的相机，用于实现360°的检测视野。

5.根据权利要求4所述的多相机协调控制与快速精确目标识别系统，其特征在于，所述8个所述具有调焦功能的相机包括2个500万像素的彩色CCD工业相机以及6个80万像素的CCD彩色相机。

6.根据权利要求1所述的多相机协调控制与快速精确目标识别系统，其特征在于，所述特征提取单元还用于采取图像增强、同态滤波、拓扑纹理技术去除噪声。

7.根据权利要求1所述的多相机协调控制与快速精确目标识别系统，其特征在于，所述特征提取单元提取的特征包括颜色特征、纹理特征、形状特征中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的多相机协调控制与快速精确目标识别系统，其特征在于，所述目标定位单元包括比例计算子单元，用于计算在不同物距下获取的图像的比例，得到比例角度；物距计算子单元，用于通过所述比例角度与三角正余弦定理计算物距。